Hidrodinamiskā kavitācija ir jauna, energoefektīva procesu intensifikācijas tehnoloģija, kas var uzlabot efektivitāti, iznākumu un ilgtspējību galvenajās naftas pārstrādes operācijās. Radot kontrolētu mikromēroga nobīdi, turbulenci un lokalizētus termo-mehāniskos efektus RAPTECH CaviFlow® iekārtās , hidrodinamiskā kavitācija var uzlabot sajaukšanos, masas un siltuma pārnesi, reakciju kinētiku un izejvielu kondicionēšanu. Šajā pārskatā novērtētas hidrodinamiskās kavitācijas integrācijas iespējas jēlnaftas atsāļošanā, aizkavētā koksēšanā, katalītiskajā krekingā, hidroapstrādē, alkilēšanā un atlikumu uzlabošanā, uzsvaru liekot uz mehānikas izpratni, iekārtu konfigurāciju un ekspluatācijas ierobežojumiem.
Nesenie praktiskie rezultāti, tostarp atlikumu sajaukšana un uzlabošana, liecina par izmērāmiem ieguvumiem smago degvielu sajaukšanā ar alternatīvajām degvielām. HFO sajaukšana ar 20 % FAME, izmantojot kavitāciju, ir parādījusi, ka ir uzlabojusies viskozitāte, blīvums, nogulšņu saturs un stabilitātes rādītāji, kā arī ir samazinājies katfīnu daudzums un nedaudz uzlabojies degvielas patēriņš. Šie atklājumi uzsver hidrodinamiskās kavitācijas nozīmi ne tikai naftas pārstrādes procesos, bet arī jūras/bunkuru degvielas nozarē, jo īpaši saistībā ar ISO 8217:2024, kas atļauj izmantot līdz pat 100 % FAME saturošu kuģu degvielu. Rezultāti atspoguļo plašāku nozares tendenci virzībā uz zema oglekļa satura, atjaunojamām un mainīgākām izejvielām.
Kopumā hidrodinamiskā kavitācija un RAPTECH CaviFlow® iekārtas ir daudzsološs veids, kā uzlabot pārstrādājamību, samazināt enerģijas prasības un atbalstīt pāreju uz ilgtspējīgākām naftas pārstrādes un kuģu degvielas sistēmām. Lai gan lielākā daļa datu iegūti laboratorijas un izmēģinājuma mēroga pētījumos, jaunie demonstrējumi, tostarp atlikumu sajaukšana un uzlabošana, apliecina hidrodinamiskās kavitācijas potenciālu praktiskai rūpnieciskai izmantošanai.
1. Ievads
Rafinēšanas konversijas procesi ir galvenie, pārveidojot jēlnaftu transporta degvielās, naftas ķīmijas izejvielās un augstvērtīgos produktos. Efektivitāti un produktu kvalitāti bieži ierobežo izejvielu neviendabīgums, katalizatora deaktivācija, aizsērēšana un masas pārneses ierobežojumi. Aizvien plašāka smago un īpaši smago jēlnaftas veidu izmantošana, kas veido ievērojamu daļu no atgūstamajām pasaules rezervēm, rada papildu problēmas augstas viskozitātes, zema API blīvuma (<20°) un paaugstināta asfaltēna satura dēļ [1]. Šīs īpašības kavē siltuma un masas pārnesi, paātrina aizsērēšanu un palielina koksa veidošanos termiskajos un katalītiskajos procesos.
Hidrodinamiskā kavitācija ir kļuvusi par nozīmīgu procesu intensifikācijas stratēģiju. Tā rada kontrolētus mikrobumbuļus, lokalizētus karstos punktus, ekstrēmu nobīdi un spiediena gradientus, kas var uzlabot ķīmiskās reakcijas, fāžu dispersiju un masas pārnesi. Salīdzinot ar tradicionālo mehānisko sajaukšanu vai ķīmiskajām piedevām, hidrodinamiskā kavitācija ir potenciāli energoefektīva un mazķīmiska pieeja, lai risinātu naftas pārstrādes uzņēmumu vājās vietas [2]. Hidrodinamisko kavitāciju var kombinēt ar katalizatoriem, virsmaktīvajām vielām, viegliem oksidētājiem (piem, H₂O₂, ozons) vai UV starojumu, lai vēl vairāk uzlabotu reakcijas efektivitāti un tīrākus pārstrādes rezultātus [2].
Mehāniski kavitācija var izraisīt ogļūdeņražu molekulārā līmeņa modifikācijas, tostarp asfaltēna dezagregāciju, daļēju plaisāšanu un reoloģisko īpašību izmaiņas, kas uzlabo izejvielu apstrādi un reakcijas efektivitāti [3]. Hidrodinamiskās kavitācijas pielāgošana rūpnieciskām operācijām ir sarežģīta, jo nav standartizētas metodes kavitācijas intensitātes kvantitatīvai noteikšanai dažādos šķidrumos un ir nepieciešamas augstas kapitāla un ekspluatācijas izmaksas [1,4]. Laboratorijas un eksperimentālo pētījumu rezultāti liecina, ka hidrodinamiskā kavitācija var uzlabot pārstrādājamību un efektivitāti, lai gan rūpnieciskā validācija pilnā mērogā joprojām ir ierobežota.
Hidrodinamiskās kavitācijas procesi ar hidrodinamiskās kavitācijas palīdzību var sniegt ekspluatācijas un vides ieguvumus, tostarp samazinātu enerģijas patēriņu, uzlabotu caurlaides spēju un samazinātu siltumnīcefekta gāzu emisiju. Tie var papildināt tradicionālās attīrīšanas metodes, kas bieži vien ir energoietilpīgas un rd reaktoru konstrukcijas. Kavitācijas skaitlis ir ierosināts kā sistemātisks parametrs, lai optimizētu reaktora konstrukciju un savienotu eksperimentālos datus ar praktiskajiem lietojumiem.
2. Lielas ietekmes hidrodinamiskās kavitācijas iespējas
2.1. Jēlnaftas atsāļošana (CDU )
Hidrodinamiskās kavitācijas integrēšana atsāļotāja ieplūdē var uzlabot naftas un ūdens dispersiju un sāls atdalīšanu. Mikroturbulence, nobīdes un lokalizētas spiediena svārstības veicina stabilu emulsiju sadalīšanos, radot smalkus, vienmērīgus pilienus, kas uzlabo ūdens un eļļas kontaktu un paātrina koalescenci. Tā rezultātā var samazināties atlikušo sāļu saturs, samazināties aizsērēšana un korozija, kā arī uzlaboties siltummaiņas efektivitāte [2]. Hidrodinamiskās kavitācijas iekārtas var ieviest kā kompaktas iebūvējamas platformas ar minimālām modifikācijām esošajā atsāļošanas infrastruktūrā.
2.2. Aizkavēts koksēšana (DCU)
Piemērojot hidrodinamisko kavitāciju vakuuma atlikumam pirms koksēšanas sildītājiem, var uzlabot barības homogenizāciju un izraisīt vieglu pirmapstrādes efektu. Šļaušana, mikromaisīšana un lokalizēta termo-mehāniskā aktivizācija veicina daļēju asfaltēna dezagregāciju un viskozitātes samazināšanos, ļaujot panākt vienmērīgāku termisko krekingu [5,3]. Izmēģinājuma mēroga pētījumos ir ziņots par uzlabojumiem sildītāja stabilitātē, koksa nogulsnēšanās samazināšanos un nelielu šķidro produktu iznākuma palielināšanos, ja hidrodinamiskā kavitācija tiek integrēta pirms koksēšanas procesa. Lai izvairītos no pārmērīgas pirmskrekinga veidošanās, jo īpaši ļoti aromātiskās vai nestabilās izejvielās, ir svarīgi uzturēt piemērotu kavitācijas intensitāti [1,3]. Tāpēc drošai un efektīvai ieviešanai ļoti svarīga ir pareiza hidrodinamiskās kavitācijas sistēmas konstrukcija un darbības apstākļu optimizācija.
2.3. Šķidrā katalītiskā krekinga iekārta (FCCU)
Smagās barības pirmapstrāde (piem, vakuuma gāzeļļa vai atlikumi), izmantojot hidrodinamisko kavitāciju, var uzlabot barības homogenizāciju un daļēji izjaukt asfaltēnu un metāliem bagātus agregātus, potenciāli samazinot faktisko piesārņotāju slodzi, kas veicina CCR veidošanos [6]. Kavitācijas radītā intensīvā bīdes un mikromaisīšanas intensitāte var arī uzlabot dispersiju, masas pārnesi un vispārējo barības reoloģiju, kas var veicināt augstāku konversijas efektivitāti un samazināt piesārņojuma tendences. Šī ietekme ir pierādīta izmēģinājuma mērogā, bet līdz šim nav publiski pieejamu datu, kas apstiprinātu pilna mēroga FCC ieviešanu. Lai integrētu hidrodinamisko kavitāciju pirms FCC iekārtas, ir rūpīgi jāizstrādā barības ievadīšanas saskarne, ieskaitot spiedienu, temperatūru, metalurģiju un saderību ar esošajām priekšsildīšanas un barības sadales sistēmām.
2.4 Hidrogenēšanas iekārtas (DHT, CNHT, NHT)
Hidrodinamiskā kavitācija ar ūdeņraža un eļļas iepriekšēju sajaukšanu var uzlabot H₂ dispersiju un starpfāžu kontaktu, potenciāli uzlabojot desulfurizāciju, slāpekļa atdalīšanu un olefīnu piesātināšanu [2,8]. Mikroturbulence un slīdēšana palielina pieejamo starpfāžu laukumu, mazinot masas pārneses ierobežojumus, kas samazina katalizatora efektivitāti. Lai optimizētu kavitācijas intensitāti, uzturēšanās laiku un moduļa integrāciju, ieteicams veikt izmēģinājuma pārbaudi. Pareizi izstrādāti hidrodinamiskās kavitācijas moduļi - spiediena klases slīdņi ar materiāliem, kas ir saderīgi ar procesa apstākļiem, - var veicināt augstāku konversiju uz vienu caurlaidi un uzlabot katalizatora ilgmūžību.
2.5 Reaktīvo dzinēju degvielas kaustiskā apstrāde (JCTU)
Reaktīvo dzinēju degvielas kaustiskajā apstrādē hidrodinamiskā kavitācija pastiprina kontaktu starp kaustisko šķīdumu un ogļūdeņražiem, uzlabojot merkaptāna ekstrakciju un produkta stabilitāti. Mikromaisīšana un augsta starpfāžu atjaunošanās var samazināt kaustikas patēriņu, vienlaikus saglabājot vai uzlabojot saldināšanas efektivitāti. Inline hidrodinamiskās kavitācijas sistēmas ļauj veikt tiešu modernizāciju ar minimāliem procesa traucējumiem.
2.6 Alkilēšanas iekārtas (H₂SO₄ ALKY)
Hidrodinamiskā kavitācija var uzlabot skābes un ogļūdeņraža kontaktu alkilēšanas iekārtās, veicinot vienmērīgākus reakcijas apstākļus un potenciāli uzlabojot oktānskaitli un produktu iznākumu [6]. Liela bīdes spēja, mikroturbulence un spiediena svārstības paātrina skābes katalizētas reakcijas. Īstenošanai nepieciešama stingra materiālu izvēle, pret koroziju izturīga konstrukcija un stingri drošības protokoli. Pirms pilnvērtīgas ieviešanas ieteicams veikt izmēģinājuma mēroga validāciju.
2.7. Atlikumu uzlabošana un sajaukšana
Hidrodinamiskā kavitācija var atbalstīt gan smago atlikumu, gan vakuuma atlikumu sajaukšanu un daļēju uzlabošanu, uzlabojot dispersiju, samazinot viskozitāti un uzlabojot vispārējo degvielas stabilitāti.
Modernizācijas lietojumi
Modernizācijai kavitācija veicina asfaltēna disagregāciju, vieglu krekingu, viskozitātes samazināšanos, pāreju uz vieglākām frakcijām un nogulšņu samazināšanos [2-4]. Ir pierādīts, ka hidrodinamiskās kavitācijas atbalstīta atlikumu apstrāde ir rentablāka nekā akustiskā kavitācija eksperimentālā mērogā un var uzlabot bitumena īpašības, desulfurizāciju un emulsijas stabilitāti, piemēram, FCC izejvielām, hidrogenēšanas iekārtām un kuģu degvielai [4,7,8]. Lai gan lielākā daļa ziņoto ieguvumu ir iegūti laboratorijas un izmēģinājuma mērogā, drošai un efektīvai ieviešanai ir ļoti svarīga pareiza kavitācijas intensitātes un uzturēšanās laika kontrole.
Sajaukšanas lietojumi
Sajaukšanas operācijās hidrodinamiskā kavitācija veicina smalkas, stabilas dispersijas veidošanos starp smagajām eļļām un zemākas viskozitātes komponentiem, piemēram, biodīzeļdegvielu vai pirolīzes eļļām. Kavitācijas laikā radītā lielā nobīdes un mikroturbulence uzlabo sajaucamību, samazina noslieci uz fāzu atdalīšanos un uzlabo homogenitāti uzglabāšanas un pārkraušanas laikā.
Šos uzlabojumus apstiprināja neatkarīgas pārbaudes Bureau Veritas un datu fizikas laboratorijās. 1. tabulā apkopots HFO 380, kas sajaukts ar 20 % biodīzeļdegvielas (FAME), salīdzinājums, izmantojot parasto manuālo sajaukšanu (HD) un kavitācijas atbalstītu sajaukšanu (CF) ar RAPTECH CaviFlow® sistēmu. Izmantojot kavitācijas metodi, tika panākti izmērāmi blīvuma, viskozitātes, sēra satura, pelnu satura, nogulšņu līmeņa un vidējā stabilitātes indeksa (MSI) uzlabojumi, vienlaikus samazinot arī kaķu smalkvielu koncentrāciju. FVTR GmbH veiktajos dzinēju testos tika konstatēts arī neliels (~ 1 %) degvielas patēriņa samazinājums ar kavitāciju apstrādātajam HFO-20 % FAME maisījumam.
Atkarībā no kuģa lieluma, darbības profila un degvielas cenas šādi īpašību uzlabojumi var radīt ievērojamus ieguvumus jūrniecības nozarē, kur smagā mazuta joprojām ir dominējošais enerģijas avots.
1. tab. HFO 380, kas sajaukts ar 20 % biodīzeļdegvielas (FAME), izmantojot parasto manuālo sajaukšanu (HD) un kavitācijas atbalstītu sajaukšanu (CF), salīdzinājums.
[DATATATABLE_ID::5269]
(1) Smagās eļļas ar °API < 22.3 parasti klasificē kā "smago degvieleļļu".
(2) Lai gan uzliesmošanas temperatūra samazinājās, abi maisījumi joprojām ievērojami pārsniedz ISO 8217 minimālās robežvērtības, kas noteiktas kuģu degvielu atlikumiem, nodrošinot atbilstību drošības noteikumiem.
3. Secinājumi
Hidrodinamiskā kavitācija ir daudzpusīgs procesa intensifikācijas instruments, kas spēj risināt vairākas pastāvīgas problēmas naftas rafinēšanā, tostarp izejvielu neviendabīgumu, masas pārneses ierobežojumus, piesārņojumu un augstas viskozitātes atlikumu pārstrādi. Hidrodinamiskā kavitācija piedāvā iespējas uzlabot dispersiju, reakciju viendabīgumu un darbības stabilitāti, vienlaikus potenciāli samazinot enerģijas patēriņu un ietekmi uz vidi.
Daudzsološie rezultāti, kas tika demonstrēti atlikumu uzlabošanā un kavitācijas atbalstītā sajaukšanā, jo īpaši uzlabota HFO-FAME maisījumu apstrāde un stabilitāte, uzsver hidrodinamiskās kavitācijas nozīmi, jo gan naftas pārstrādes, gan jūras/bunkuru degvielas nozares pāriet uz daudzveidīgākām un atjaunojamām degvielas plūsmām. ISO 8217:2024 [9] ieviešana, kas ļauj izmantot līdz 100 % FAME saturošas kuģu degvielas, vēl vairāk pastiprina vajadzību pēc tehnoloģijām, kas var stabilizēt smago naftas frakciju maisījumus ar alternatīvām degvielām. Hidrodinamiskās kavitācijas spēja samazināt viskozitāti, uzlabot fāžu stabilitāti un mazināt nogulšņu un piesārņotāju problēmas padara to par praktisku palīglīdzekli šajā mainīgajā vidē.
Veiksmīga ieviešana rūpniecībā būs atkarīga no:
Lai gan pašreizējie pierādījumi pārsvarā ir izmēģinājuma mēroga, hidrodinamiskās kavitācijas atbalstīta smagās naftas apstrāde un degvielas sajaukšana liecina par daudzsološām iespējām palielināt naftas pārstrādes rūpnīcu efektivitāti, nodrošināt alternatīvo degvielu integrāciju un atbalstīt plašākus dekarbonizācijas un ilgtspējības mērķus [4]. Šie ieguvumi ir tieši piemērojami jūras/bunkuru degvielas nozarē, nodrošinot darbības, vides un degvielas kvalitātes uzlabojumus.
Autors: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Atsauces
Nesenie praktiskie rezultāti, tostarp atlikumu sajaukšana un uzlabošana, liecina par izmērāmiem ieguvumiem smago degvielu sajaukšanā ar alternatīvajām degvielām. HFO sajaukšana ar 20 % FAME, izmantojot kavitāciju, ir parādījusi, ka ir uzlabojusies viskozitāte, blīvums, nogulšņu saturs un stabilitātes rādītāji, kā arī ir samazinājies katfīnu daudzums un nedaudz uzlabojies degvielas patēriņš. Šie atklājumi uzsver hidrodinamiskās kavitācijas nozīmi ne tikai naftas pārstrādes procesos, bet arī jūras/bunkuru degvielas nozarē, jo īpaši saistībā ar ISO 8217:2024, kas atļauj izmantot līdz pat 100 % FAME saturošu kuģu degvielu. Rezultāti atspoguļo plašāku nozares tendenci virzībā uz zema oglekļa satura, atjaunojamām un mainīgākām izejvielām.
Kopumā hidrodinamiskā kavitācija un RAPTECH CaviFlow® iekārtas ir daudzsološs veids, kā uzlabot pārstrādājamību, samazināt enerģijas prasības un atbalstīt pāreju uz ilgtspējīgākām naftas pārstrādes un kuģu degvielas sistēmām. Lai gan lielākā daļa datu iegūti laboratorijas un izmēģinājuma mēroga pētījumos, jaunie demonstrējumi, tostarp atlikumu sajaukšana un uzlabošana, apliecina hidrodinamiskās kavitācijas potenciālu praktiskai rūpnieciskai izmantošanai.
1. Ievads
Rafinēšanas konversijas procesi ir galvenie, pārveidojot jēlnaftu transporta degvielās, naftas ķīmijas izejvielās un augstvērtīgos produktos. Efektivitāti un produktu kvalitāti bieži ierobežo izejvielu neviendabīgums, katalizatora deaktivācija, aizsērēšana un masas pārneses ierobežojumi. Aizvien plašāka smago un īpaši smago jēlnaftas veidu izmantošana, kas veido ievērojamu daļu no atgūstamajām pasaules rezervēm, rada papildu problēmas augstas viskozitātes, zema API blīvuma (<20°) un paaugstināta asfaltēna satura dēļ [1]. Šīs īpašības kavē siltuma un masas pārnesi, paātrina aizsērēšanu un palielina koksa veidošanos termiskajos un katalītiskajos procesos.
Hidrodinamiskā kavitācija ir kļuvusi par nozīmīgu procesu intensifikācijas stratēģiju. Tā rada kontrolētus mikrobumbuļus, lokalizētus karstos punktus, ekstrēmu nobīdi un spiediena gradientus, kas var uzlabot ķīmiskās reakcijas, fāžu dispersiju un masas pārnesi. Salīdzinot ar tradicionālo mehānisko sajaukšanu vai ķīmiskajām piedevām, hidrodinamiskā kavitācija ir potenciāli energoefektīva un mazķīmiska pieeja, lai risinātu naftas pārstrādes uzņēmumu vājās vietas [2]. Hidrodinamisko kavitāciju var kombinēt ar katalizatoriem, virsmaktīvajām vielām, viegliem oksidētājiem (piem, H₂O₂, ozons) vai UV starojumu, lai vēl vairāk uzlabotu reakcijas efektivitāti un tīrākus pārstrādes rezultātus [2].
Mehāniski kavitācija var izraisīt ogļūdeņražu molekulārā līmeņa modifikācijas, tostarp asfaltēna dezagregāciju, daļēju plaisāšanu un reoloģisko īpašību izmaiņas, kas uzlabo izejvielu apstrādi un reakcijas efektivitāti [3]. Hidrodinamiskās kavitācijas pielāgošana rūpnieciskām operācijām ir sarežģīta, jo nav standartizētas metodes kavitācijas intensitātes kvantitatīvai noteikšanai dažādos šķidrumos un ir nepieciešamas augstas kapitāla un ekspluatācijas izmaksas [1,4]. Laboratorijas un eksperimentālo pētījumu rezultāti liecina, ka hidrodinamiskā kavitācija var uzlabot pārstrādājamību un efektivitāti, lai gan rūpnieciskā validācija pilnā mērogā joprojām ir ierobežota.
Hidrodinamiskās kavitācijas procesi ar hidrodinamiskās kavitācijas palīdzību var sniegt ekspluatācijas un vides ieguvumus, tostarp samazinātu enerģijas patēriņu, uzlabotu caurlaides spēju un samazinātu siltumnīcefekta gāzu emisiju. Tie var papildināt tradicionālās attīrīšanas metodes, kas bieži vien ir energoietilpīgas un rd reaktoru konstrukcijas. Kavitācijas skaitlis ir ierosināts kā sistemātisks parametrs, lai optimizētu reaktora konstrukciju un savienotu eksperimentālos datus ar praktiskajiem lietojumiem.
2. Lielas ietekmes hidrodinamiskās kavitācijas iespējas
2.1. Jēlnaftas atsāļošana (CDU )
Hidrodinamiskās kavitācijas integrēšana atsāļotāja ieplūdē var uzlabot naftas un ūdens dispersiju un sāls atdalīšanu. Mikroturbulence, nobīdes un lokalizētas spiediena svārstības veicina stabilu emulsiju sadalīšanos, radot smalkus, vienmērīgus pilienus, kas uzlabo ūdens un eļļas kontaktu un paātrina koalescenci. Tā rezultātā var samazināties atlikušo sāļu saturs, samazināties aizsērēšana un korozija, kā arī uzlaboties siltummaiņas efektivitāte [2]. Hidrodinamiskās kavitācijas iekārtas var ieviest kā kompaktas iebūvējamas platformas ar minimālām modifikācijām esošajā atsāļošanas infrastruktūrā.
2.2. Aizkavēts koksēšana (DCU)
Piemērojot hidrodinamisko kavitāciju vakuuma atlikumam pirms koksēšanas sildītājiem, var uzlabot barības homogenizāciju un izraisīt vieglu pirmapstrādes efektu. Šļaušana, mikromaisīšana un lokalizēta termo-mehāniskā aktivizācija veicina daļēju asfaltēna dezagregāciju un viskozitātes samazināšanos, ļaujot panākt vienmērīgāku termisko krekingu [5,3]. Izmēģinājuma mēroga pētījumos ir ziņots par uzlabojumiem sildītāja stabilitātē, koksa nogulsnēšanās samazināšanos un nelielu šķidro produktu iznākuma palielināšanos, ja hidrodinamiskā kavitācija tiek integrēta pirms koksēšanas procesa. Lai izvairītos no pārmērīgas pirmskrekinga veidošanās, jo īpaši ļoti aromātiskās vai nestabilās izejvielās, ir svarīgi uzturēt piemērotu kavitācijas intensitāti [1,3]. Tāpēc drošai un efektīvai ieviešanai ļoti svarīga ir pareiza hidrodinamiskās kavitācijas sistēmas konstrukcija un darbības apstākļu optimizācija.
2.3. Šķidrā katalītiskā krekinga iekārta (FCCU)
Smagās barības pirmapstrāde (piem, vakuuma gāzeļļa vai atlikumi), izmantojot hidrodinamisko kavitāciju, var uzlabot barības homogenizāciju un daļēji izjaukt asfaltēnu un metāliem bagātus agregātus, potenciāli samazinot faktisko piesārņotāju slodzi, kas veicina CCR veidošanos [6]. Kavitācijas radītā intensīvā bīdes un mikromaisīšanas intensitāte var arī uzlabot dispersiju, masas pārnesi un vispārējo barības reoloģiju, kas var veicināt augstāku konversijas efektivitāti un samazināt piesārņojuma tendences. Šī ietekme ir pierādīta izmēģinājuma mērogā, bet līdz šim nav publiski pieejamu datu, kas apstiprinātu pilna mēroga FCC ieviešanu. Lai integrētu hidrodinamisko kavitāciju pirms FCC iekārtas, ir rūpīgi jāizstrādā barības ievadīšanas saskarne, ieskaitot spiedienu, temperatūru, metalurģiju un saderību ar esošajām priekšsildīšanas un barības sadales sistēmām.
2.4 Hidrogenēšanas iekārtas (DHT, CNHT, NHT)
Hidrodinamiskā kavitācija ar ūdeņraža un eļļas iepriekšēju sajaukšanu var uzlabot H₂ dispersiju un starpfāžu kontaktu, potenciāli uzlabojot desulfurizāciju, slāpekļa atdalīšanu un olefīnu piesātināšanu [2,8]. Mikroturbulence un slīdēšana palielina pieejamo starpfāžu laukumu, mazinot masas pārneses ierobežojumus, kas samazina katalizatora efektivitāti. Lai optimizētu kavitācijas intensitāti, uzturēšanās laiku un moduļa integrāciju, ieteicams veikt izmēģinājuma pārbaudi. Pareizi izstrādāti hidrodinamiskās kavitācijas moduļi - spiediena klases slīdņi ar materiāliem, kas ir saderīgi ar procesa apstākļiem, - var veicināt augstāku konversiju uz vienu caurlaidi un uzlabot katalizatora ilgmūžību.
2.5 Reaktīvo dzinēju degvielas kaustiskā apstrāde (JCTU)
Reaktīvo dzinēju degvielas kaustiskajā apstrādē hidrodinamiskā kavitācija pastiprina kontaktu starp kaustisko šķīdumu un ogļūdeņražiem, uzlabojot merkaptāna ekstrakciju un produkta stabilitāti. Mikromaisīšana un augsta starpfāžu atjaunošanās var samazināt kaustikas patēriņu, vienlaikus saglabājot vai uzlabojot saldināšanas efektivitāti. Inline hidrodinamiskās kavitācijas sistēmas ļauj veikt tiešu modernizāciju ar minimāliem procesa traucējumiem.
2.6 Alkilēšanas iekārtas (H₂SO₄ ALKY)
Hidrodinamiskā kavitācija var uzlabot skābes un ogļūdeņraža kontaktu alkilēšanas iekārtās, veicinot vienmērīgākus reakcijas apstākļus un potenciāli uzlabojot oktānskaitli un produktu iznākumu [6]. Liela bīdes spēja, mikroturbulence un spiediena svārstības paātrina skābes katalizētas reakcijas. Īstenošanai nepieciešama stingra materiālu izvēle, pret koroziju izturīga konstrukcija un stingri drošības protokoli. Pirms pilnvērtīgas ieviešanas ieteicams veikt izmēģinājuma mēroga validāciju.
2.7. Atlikumu uzlabošana un sajaukšana
Hidrodinamiskā kavitācija var atbalstīt gan smago atlikumu, gan vakuuma atlikumu sajaukšanu un daļēju uzlabošanu, uzlabojot dispersiju, samazinot viskozitāti un uzlabojot vispārējo degvielas stabilitāti.
Modernizācijas lietojumi
Modernizācijai kavitācija veicina asfaltēna disagregāciju, vieglu krekingu, viskozitātes samazināšanos, pāreju uz vieglākām frakcijām un nogulšņu samazināšanos [2-4]. Ir pierādīts, ka hidrodinamiskās kavitācijas atbalstīta atlikumu apstrāde ir rentablāka nekā akustiskā kavitācija eksperimentālā mērogā un var uzlabot bitumena īpašības, desulfurizāciju un emulsijas stabilitāti, piemēram, FCC izejvielām, hidrogenēšanas iekārtām un kuģu degvielai [4,7,8]. Lai gan lielākā daļa ziņoto ieguvumu ir iegūti laboratorijas un izmēģinājuma mērogā, drošai un efektīvai ieviešanai ir ļoti svarīga pareiza kavitācijas intensitātes un uzturēšanās laika kontrole.
Sajaukšanas lietojumi
Sajaukšanas operācijās hidrodinamiskā kavitācija veicina smalkas, stabilas dispersijas veidošanos starp smagajām eļļām un zemākas viskozitātes komponentiem, piemēram, biodīzeļdegvielu vai pirolīzes eļļām. Kavitācijas laikā radītā lielā nobīdes un mikroturbulence uzlabo sajaucamību, samazina noslieci uz fāzu atdalīšanos un uzlabo homogenitāti uzglabāšanas un pārkraušanas laikā.
Šos uzlabojumus apstiprināja neatkarīgas pārbaudes Bureau Veritas un datu fizikas laboratorijās. 1. tabulā apkopots HFO 380, kas sajaukts ar 20 % biodīzeļdegvielas (FAME), salīdzinājums, izmantojot parasto manuālo sajaukšanu (HD) un kavitācijas atbalstītu sajaukšanu (CF) ar RAPTECH CaviFlow® sistēmu. Izmantojot kavitācijas metodi, tika panākti izmērāmi blīvuma, viskozitātes, sēra satura, pelnu satura, nogulšņu līmeņa un vidējā stabilitātes indeksa (MSI) uzlabojumi, vienlaikus samazinot arī kaķu smalkvielu koncentrāciju. FVTR GmbH veiktajos dzinēju testos tika konstatēts arī neliels (~ 1 %) degvielas patēriņa samazinājums ar kavitāciju apstrādātajam HFO-20 % FAME maisījumam.
Atkarībā no kuģa lieluma, darbības profila un degvielas cenas šādi īpašību uzlabojumi var radīt ievērojamus ieguvumus jūrniecības nozarē, kur smagā mazuta joprojām ir dominējošais enerģijas avots.
1. tab. HFO 380, kas sajaukts ar 20 % biodīzeļdegvielas (FAME), izmantojot parasto manuālo sajaukšanu (HD) un kavitācijas atbalstītu sajaukšanu (CF), salīdzinājums.
[DATATATABLE_ID::5269]
(1) Smagās eļļas ar °API < 22.3 parasti klasificē kā "smago degvieleļļu".
(2) Lai gan uzliesmošanas temperatūra samazinājās, abi maisījumi joprojām ievērojami pārsniedz ISO 8217 minimālās robežvērtības, kas noteiktas kuģu degvielu atlikumiem, nodrošinot atbilstību drošības noteikumiem.
3. Secinājumi
Hidrodinamiskā kavitācija ir daudzpusīgs procesa intensifikācijas instruments, kas spēj risināt vairākas pastāvīgas problēmas naftas rafinēšanā, tostarp izejvielu neviendabīgumu, masas pārneses ierobežojumus, piesārņojumu un augstas viskozitātes atlikumu pārstrādi. Hidrodinamiskā kavitācija piedāvā iespējas uzlabot dispersiju, reakciju viendabīgumu un darbības stabilitāti, vienlaikus potenciāli samazinot enerģijas patēriņu un ietekmi uz vidi.
Daudzsološie rezultāti, kas tika demonstrēti atlikumu uzlabošanā un kavitācijas atbalstītā sajaukšanā, jo īpaši uzlabota HFO-FAME maisījumu apstrāde un stabilitāte, uzsver hidrodinamiskās kavitācijas nozīmi, jo gan naftas pārstrādes, gan jūras/bunkuru degvielas nozares pāriet uz daudzveidīgākām un atjaunojamām degvielas plūsmām. ISO 8217:2024 [9] ieviešana, kas ļauj izmantot līdz 100 % FAME saturošas kuģu degvielas, vēl vairāk pastiprina vajadzību pēc tehnoloģijām, kas var stabilizēt smago naftas frakciju maisījumus ar alternatīvām degvielām. Hidrodinamiskās kavitācijas spēja samazināt viskozitāti, uzlabot fāžu stabilitāti un mazināt nogulšņu un piesārņotāju problēmas padara to par praktisku palīglīdzekli šajā mainīgajā vidē.
Veiksmīga ieviešana rūpniecībā būs atkarīga no:
- precīza kavitācijas intensitātes kontrole, lai līdzsvarotu efektivitātes pieaugumu ar iekārtas integritāti.
- savietojamības nodrošināšana ar augstas temperatūras, kodīgām vai augstas viskozitātes procesu plūsmām.
- HC moduļu integrēšana esošajās naftas pārstrādes iekārtu konfigurācijās, netraucējot kritisko procesu kontroli.
Lai gan pašreizējie pierādījumi pārsvarā ir izmēģinājuma mēroga, hidrodinamiskās kavitācijas atbalstīta smagās naftas apstrāde un degvielas sajaukšana liecina par daudzsološām iespējām palielināt naftas pārstrādes rūpnīcu efektivitāti, nodrošināt alternatīvo degvielu integrāciju un atbalstīt plašākus dekarbonizācijas un ilgtspējības mērķus [4]. Šie ieguvumi ir tieši piemērojami jūras/bunkuru degvielas nozarē, nodrošinot darbības, vides un degvielas kvalitātes uzlabojumus.
Autors: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Atsauces
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Smagās naftas pārstrāde: Nākotnes degvielas piegādes nodrošināšana. Petroleum Science and Technology, 2016, 34(4), 303-308. DOI: 10.1080/10916466.2015.1136949.
- Panda, D.; Saharan, V. K.; Manickam, S. Controlled Hydrodynamic Cavitation: A Review of Recent Advances and Perspectives for Greener Processing. Processes, 2020, 8, 220. DOI: 10.3390/pr8020220.
- Kuimov, D.; Minkin, M.; Yurov, A.; Lukyanov, A. Current State of Research on the Mechanism of Cavitation Effects in the Treatment of Liquid Petroleum Products-Review and Proposals for Further Research. Fluids, 2023, 8, 172. DOI: 10.3390/fluids8060172.
- Neelima, N. V.; Bhattacharya, S.; Holkar, C. R.; Jadhav, A. J.; Pandit, A. B.; Pinjari, D. V. Cavitation-Assisted Transformations in Bitumen Processing: A Review. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2024, 63, 6047-6065. DOI: 10.1021/acs.iecr.4c00785.
- Wan, C.; Wang, R.; Zhou, W.; Li, L. Smagās naftas viskozitātes samazināšanas eksperimentāls pētījums ar ūdeņraža donoriem, izmantojot kavitācijas strūklu. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Application of Cavitation in Oil Processing: An Overview of Mechanisms and Results of Treatment. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. A systematic comparison of various upgrading techniques for heavy oil. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2017, 156, 623-632. DOI: 10.1016/j.petrol.2017.05.014.
- Cako, E.; Wang, Z.; Castro-Muñoz, R.; Rayaroth, M. P.; Boczkaj, G. Cavitation based cleaner technologies for biodiesel production and processing of hydrocarbon streams: A perspective on key fundamentals, missing process data and economic feasibility - A review. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- CIMAC Degvielu darba grupa. CIMAC vadlīnijas: Jūras degviela, kas satur FAME - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024.
