Hydrodynamische cavitatie is een opkomende, energie-efficiënte procesintensiveringstechnologie die de efficiëntie, opbrengst en duurzaamheid van belangrijke raffinageactiviteiten kan verbeteren. Door gecontroleerde microschaalschering, turbulentie en gelokaliseerde thermisch-mechanische effecten te genereren - binnen de CaviFlow®-eenheden van RAPTECH - kan hydrodynamische cavitatie het mengen, de massa en warmteoverdracht, de reactiekinetiek en de conditionering van grondstoffen verbeteren. Dit overzicht evalueert de integratiemogelijkheden van hydrodynamische cavitatie in ruwe ontzouting, vertraagde verkooksing, vloeibaar katalytisch kraken, hydrobehandeling, alkylering en opwaardering van residu, met de nadruk op mechanisch inzicht, apparatuurconfiguratie en operationele beperkingen.
Recente praktische resultaten, waaronder het mengen en opwaarderen van residu, tonen meetbare voordelen aan bij het mengen van zware stookolie met alternatieve brandstoffen. Het mengen van HFO met 20% FAME met behulp van cavitatie heeft geleid tot verbeterde viscositeit, dichtheid, sedimentgehalte en stabiliteitsindices, evenals minder cat-fines en een bescheiden verbetering van het brandstofverbruik. Deze bevindingen benadrukken de relevantie van hydrodynamische cavitatie, niet alleen voor raffinageprocessen maar ook voor de maritieme/bunkerbrandstoffensector, met name in de context van ISO 8217:2024, die scheepsbrandstoffen toestaat die tot 100% FAME bevatten. De resultaten weerspiegelen een bredere industrietrend naar koolstofarme, hernieuwbare en meer variabele grondstoffen.
Over het algemeen bieden hydrodynamische cavitatie en de CaviFlow® -eenheden van RAPTECH een veelbelovende mogelijkheid om de verwerkbaarheid te verbeteren, de energievereisten te verlagen en de overgang naar duurzamere raffinaderij- en scheepsbrandstofsystemen te ondersteunen. Hoewel de meeste gegevens afkomstig zijn van laboratorium- en pilotschaalstudies, onderstrepen nieuwe demonstraties - waaronder het mengen en opwaarderen van residu - het potentieel van hydrodynamische cavitatie voor praktische industriële toepassingen.
1. Inleiding
Raffinageprocessen staan centraal bij de omzetting van ruwe olie in transportbrandstoffen, petrochemische grondstoffen en hoogwaardige producten. De efficiëntie en productkwaliteit worden vaak beperkt door heterogeniteit van de grondstoffen, katalysatordeactivatie, vervuiling en massatransferbeperkingen. Het toenemende gebruik van zware en extrazware ruwe olie, die een aanzienlijk deel van de winbare wereldwijde reserves uitmaken, vormt een extra uitdaging vanwege de hoge viscositeit, de lage API-zwaartekracht (<20°) en het verhoogde asfalteengehalte [1]. Deze eigenschappen belemmeren de warmte- en massatransfer, versnellen de aangroei en vergroten de cokevorming in thermische en katalytische processen.
Hydrodynamische cavitatie heeft zich ontpopt als een veelbelovende strategie om processen te intensiveren. Het genereert gecontroleerde microbellen, gelokaliseerde hotspots, extreme afschuiving en drukgradiënten die chemische reacties, fasedispersie en massaoverdracht kunnen verbeteren. Vergeleken met conventioneel mechanisch mengen of chemische additieven is hydrodynamische cavitatie een potentieel energiezuinige en chemiearme benadering om knelpunten in raffinaderijen aan te pakken [2]. Hydrodynamische cavitatie kan worden gecombineerd met katalysatoren, oppervlakteactieve stoffen, milde oxidanten (bijv, H₂O₂, ozon), of UV-straling om de reactie-efficiëntie verder te verbeteren en schonere verwerkingsresultaten te verkrijgen [2].
Mechanistisch gezien kan cavitatie modificaties op moleculair niveau in koolwaterstoffen teweegbrengen, waaronder het uiteenvallen van asfalten, gedeeltelijke scheurvorming en veranderingen in de reologische eigenschappen, wat de verwerking van grondstoffen en de reactie-efficiëntie verbetert [3]. Het opschalen van hydrodynamische cavitatie naar industriële toepassingen is een uitdaging vanwege het ontbreken van een gestandaardiseerde methode om de intensiteit van cavitatie te kwantificeren voor verschillende vloeistoffen en vanwege de hoge kapitaal- en operationele kosten [1,4]. Uit laboratorium- en pilotstudies blijkt dat hydrodynamische cavitatie de verwerkbaarheid en efficiëntie kan verbeteren, hoewel industriële validatie op volledige schaal nog beperkt blijft.
Processen met hydrodynamische cavitatie kunnen operationele en milieuvoordelen bieden, zoals minder energieverbruik, hogere verwerkingscapaciteit en minder uitstoot van broeikasgassen. Ze kunnen een aanvulling zijn op conventionele opwaarderingsmethoden, die vaak energie-intensief en rd reactorontwerpen zijn. Het cavitatiegetal is voorgesteld als een systematische parameter om het reactorontwerp te optimaliseren en een brug te slaan tussen experimentele gegevens en praktische toepassingen.
2. High-Impact Hydrodynamische Cavitatie Mogelijkheden
2.1 Ruwe Ontzouting (CDU)
Het integreren van Hydrodynamische Cavitatie bij de ontzoutingsinlaat kan de olie-water dispersie en zoutverwijdering verbeteren. Microturbulentie, afschuiving en plaatselijke drukschommelingen bevorderen het uiteenvallen van stabiele emulsies, waardoor fijne, uniforme druppeltjes ontstaan die het contact tussen water en olie verbeteren en coalescentie versnellen. Dit kan resulteren in een lager restzoutgehalte, minder aangroei en corrosie, en betere warmte-uitwisselingsprestaties [2]. Hydrodynamische cavitatie-eenheden kunnen worden geïmplementeerd als compacte inline skids met minimale aanpassingen aan de bestaande ontziltingsinfrastructuur.
2.2 Delayed Coking (DCU)
Hydrodynamische cavitatie toepassen op vacuümresidu vóór verkooksers kan de homogenisatie van het voer verbeteren en milde pre-upgrading effecten teweegbrengen. Schuiving, micromixing en plaatselijke thermisch-mechanische activering bevorderen gedeeltelijke ontmenging van asfalten en vermindering van de viscositeit, waardoor een gelijkmatiger thermisch kraken mogelijk wordt [5,3]. Studies op pilotschaal hebben verbeteringen gerapporteerd in de stabiliteit van de verhitters, vermindering van cokeafzetting en een bescheiden verhoging van de opbrengst van vloeibare producten wanneer hydrodynamische cavitatie wordt geïntegreerd stroomopwaarts van de verkookser. Het handhaven van de juiste cavitatie-intensiteit is essentieel om overmatig voorkraken te voorkomen, vooral bij zeer aromatische of onstabiele toevoer [1,3]. Een goed ontwerp van het hydrodynamische cavitatiesysteem en optimalisatie van de bedrijfsomstandigheden zijn daarom cruciaal voor een veilige en effectieve implementatie.
2.3 Fluid Catalytic Cracking Unit (FCCU)
Voorbehandeling van zware toevoer (bijv, vacuüm gasolie of residu) via hydrodynamische cavitatie kan de homogenisatie van het voer verbeteren en asfalteen- en metaalrijke aggregaten gedeeltelijk verstoren, waardoor de effectieve hoeveelheid verontreinigende stoffen die bijdraagt aan CCR-vorming mogelijk wordt verlaagd [6]. De intense schuifkracht en de micromixing die door cavitatie worden gegenereerd, kunnen ook de dispersie, de massaoverdracht en de algehele voederreologie verbeteren, wat kan bijdragen aan een hogere omzettingsefficiëntie en minder neiging tot aangroei. Deze effecten zijn aangetoond op pilotschaal, maar tot op heden zijn er nog geen algemeen beschikbare gegevens die FCC-implementatie op volledige schaal bevestigen. De integratie van hydrodynamische cavitatie stroomopwaarts van een FCC-eenheid vereist zorgvuldige engineering van de voedingsinjectie-interface, inclusief druk, temperatuur, metallurgie en compatibiliteit met bestaande voorverwarmings- en voedingsdistributiesystemen.
2. Hydrotreaters (DHT)4 Waterstofbehandelingsinstallaties (DHT, CNHT, NHT)
Door hydrodynamische cavitatie ondersteunde waterstof-olie voormenging kan de H₂-dispersie en het interfaciale contact verbeteren, wat de ontzwaveling, stikstofverwijdering en alkeenverzadiging kan verbeteren [2,8]. Microturbulentie en afschuiving vergroten het beschikbare interfaciale oppervlak en verminderen de beperkingen van de massaoverdracht die de doeltreffendheid van de katalysator verminderen. Pilootvalidatie wordt aanbevolen om de cavitatiezwaarte, verblijftijd en module-integratie te optimaliseren. Hydrodynamische cavitatiemodules die op de juiste manier zijn ontworpen - skids onder druk met materialen die compatibel zijn met de procesomstandigheden - kunnen zorgen voor een hogere omzetting per procesgang en een langere levensduur van de katalysator.
2.5 Jet fuel caustic treating (JCTU)
Bij jet fuel caustic treating intensiveert hydrodynamische cavitatie het contact tussen de caustische oplossing en de koolwaterstoffen, wat de mercaptanextractie en productstabiliteit verbetert. Micro-menging en hoge interfaciale vernieuwing kunnen het verbruik van caustic verminderen terwijl de zoetprestaties behouden blijven of zelfs verbeteren. Inline hydrodynamische cavitatiesystemen kunnen eenvoudig achteraf worden geïnstalleerd met minimale verstoring van het proces.
2. Alkyleringsunits6 Alkyleringsunits (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynamische cavitatie kan het contact tussen zuur en koolwaterstof in alkyleringsunits verbeteren, wat uniformere reactieomstandigheden bevordert en mogelijk het octaangetal en de productopbrengst verbetert [6]. Hoge schuifkracht, microturbulentie en drukschommelingen versnellen zuurgekatalyseerde reacties. Implementatie vereist een strenge selectie van materialen, een corrosiebestendig ontwerp en strikte veiligheidsprotocollen. Validatie op pilotschaal wordt aanbevolen voordat het op grote schaal wordt toegepast.
2.7 Residu opwaarderen en mengen
Hydrodynamische cavitatie kan zowel het mengen als het gedeeltelijk opwaarderen van zware residu's en vacuümresidu's ondersteunen door de dispersie te verbeteren, de viscositeit te verlagen en de algehele brandstofstabiliteit te verbeteren.
Opwaarderingstoepassingen
Voor opwaardering bevordert cavitatie de desaggregatie van asfalten, mild kraken, viscositeitsvermindering, een verschuiving naar lichtere fracties en slibminimalisering [2-4]. Hydrodynamische cavitatie-ondersteunde behandeling van residu is kosteneffectiever gebleken dan akoestische cavitatie voor proefschaaloperaties en kan de eigenschappen van bitumen, ontzwaveling en emulsiestabiliteit verbeteren in toepassingen zoals FCC-grondstoffen, waterstofbehandelingsinstallaties en scheepsbrandstoffen [4,7,8]. Hoewel de meeste gerapporteerde voordelen afkomstig zijn van laboratorium- en pilotschalen, is een goede regeling van de cavitatie-intensiteit en verblijftijd cruciaal voor een veilige en effectieve implementatie.
Mengtoepassingen
Bij mengprocessen bevordert hydrodynamische cavitatie de vorming van fijne, stabiele dispersies tussen zware oliën en componenten met een lagere viscositeit, zoals biodiesel of pyrolyse-oliën. De hoge schuifkracht en microturbulentie die ontstaan tijdens cavitatie verbeteren de mengbaarheid, verminderen de neiging tot fasescheiding en verbeteren de homogeniteit tijdens opslag en verwerking.
Onafhankelijke tests door Bureau Veritas en datafysicalaboratoria bevestigden deze verbeteringen. Tabel 1 geeft een vergelijking van HFO 380 gemengd met 20% biodiesel (FAME) door middel van conventioneel handmatig mengen (HD) en mengen met cavitatieondersteuning (CF) met het CaviFlow®-systeem van RAPTECH. De cavitatie-ondersteunde methode leverde meetbare verbeteringen op in dichtheid, viscositeit, zwavelgehalte, asgehalte, sedimentniveaus en gemiddelde stabiliteitsindex (MSI), terwijl ook de concentratie cat-fines werd verlaagd. Motortests door FVTR GmbH meldden bovendien een bescheiden (~1%) verlaging van het brandstofverbruik voor het met cavitatie behandelde HFO-20% FAME-mengsel.
Afhankelijk van de grootte van het schip, het operationele profiel en de brandstofprijs kunnen dergelijke verbeteringen van de eigenschappen zich vertalen in zinvolle operationele voordelen in de maritieme sector, waar zware stookolie nog steeds een dominante energiebron is.
Tabel 1. Vergelijking van HFO 380 gemengd met 20% biodiesel (FAME) door middel van conventioneel mengen met de hand (HD) en mengen met cavitatieondersteuning (CF).
(1) Zware oliën met °API < 22 .3 worden gewoonlijk geclassificeerd als "zware stookolie".
(2) Hoewel het vlampunt daalde, blijven beide mengsels ruim boven de ISO 8217 minimumgrenzen voor residuele scheepsbrandstoffen, waardoor wordt voldaan aan de veiligheidsvoorschriften.
3. Conclusie
Hydrodynamische cavitatie is een veelzijdig procesintensiveringsinstrument waarmee verschillende hardnekkige uitdagingen in de aardolieraffinage kunnen worden aangepakt, waaronder heterogeniteit van de grondstoffen, beperkingen in de massaoverdracht, vervuiling en de verwerking van residuen met een hoge viscositeit. Bij het ontzouten van ruwe olie, thermische en katalytische omzettingseenheden, caustische behandeling en alkylering biedt hydrodynamische cavitatie mogelijkheden om de dispersie, uniformiteit van reacties en operationele stabiliteit te verbeteren, terwijl het energieverbruik en de impact op het milieu mogelijk worden verminderd.
De veelbelovende resultaten die zijn aangetoond voor het opwaarderen van residu's en het mengen met cavitatie - met name de verbeterde verwerking en stabiliteit van HFO-FAME-mengsels - onderstrepen het belang van hydrodynamische cavitatie bij de overgang van zowel de raffinage- als de maritieme/bunkerbrandstoffensector naar meer diverse en hernieuwbare brandstofstromen. De introductie van ISO 8217:2024 [9], die scheepsbrandstoffen met maximaal 100% FAME mogelijk maakt, vergroot de behoefte aan technologieën die mengsels van zware petroleumfracties met alternatieve brandstoffen kunnen stabiliseren. Het vermogen van hydrodynamische cavitatie om de viscositeit te verminderen, de fasestabiliteit te verbeteren en problemen met sedimenten en verontreinigende stoffen te verminderen, maakt het tot een praktische oplossing in dit veranderende landschap.
Succesvolle industriële toepassing zal afhangen van:
Hoewel de huidige gegevens voornamelijk op proefschaal beschikbaar zijn, laten de behandeling van zware olie en het mengen van brandstoffen met behulp van hydrodynamische cavitatie veelbelovende mogelijkheden zien om de efficiëntie van raffinaderijen te verhogen, de integratie van alternatieve brandstoffen mogelijk te maken en bredere doelstellingen op het gebied van decarbonisatie en duurzaamheid te ondersteunen [4]. Deze voordelen zijn direct toepasbaar op de maritieme/bunkerbrandstoffensector en zorgen voor operationele, milieu- en brandstofkwaliteitsverbeteringen.
Auteur: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referenties
Recente praktische resultaten, waaronder het mengen en opwaarderen van residu, tonen meetbare voordelen aan bij het mengen van zware stookolie met alternatieve brandstoffen. Het mengen van HFO met 20% FAME met behulp van cavitatie heeft geleid tot verbeterde viscositeit, dichtheid, sedimentgehalte en stabiliteitsindices, evenals minder cat-fines en een bescheiden verbetering van het brandstofverbruik. Deze bevindingen benadrukken de relevantie van hydrodynamische cavitatie, niet alleen voor raffinageprocessen maar ook voor de maritieme/bunkerbrandstoffensector, met name in de context van ISO 8217:2024, die scheepsbrandstoffen toestaat die tot 100% FAME bevatten. De resultaten weerspiegelen een bredere industrietrend naar koolstofarme, hernieuwbare en meer variabele grondstoffen.
Over het algemeen bieden hydrodynamische cavitatie en de CaviFlow® -eenheden van RAPTECH een veelbelovende mogelijkheid om de verwerkbaarheid te verbeteren, de energievereisten te verlagen en de overgang naar duurzamere raffinaderij- en scheepsbrandstofsystemen te ondersteunen. Hoewel de meeste gegevens afkomstig zijn van laboratorium- en pilotschaalstudies, onderstrepen nieuwe demonstraties - waaronder het mengen en opwaarderen van residu - het potentieel van hydrodynamische cavitatie voor praktische industriële toepassingen.
1. Inleiding
Raffinageprocessen staan centraal bij de omzetting van ruwe olie in transportbrandstoffen, petrochemische grondstoffen en hoogwaardige producten. De efficiëntie en productkwaliteit worden vaak beperkt door heterogeniteit van de grondstoffen, katalysatordeactivatie, vervuiling en massatransferbeperkingen. Het toenemende gebruik van zware en extrazware ruwe olie, die een aanzienlijk deel van de winbare wereldwijde reserves uitmaken, vormt een extra uitdaging vanwege de hoge viscositeit, de lage API-zwaartekracht (<20°) en het verhoogde asfalteengehalte [1]. Deze eigenschappen belemmeren de warmte- en massatransfer, versnellen de aangroei en vergroten de cokevorming in thermische en katalytische processen.
Hydrodynamische cavitatie heeft zich ontpopt als een veelbelovende strategie om processen te intensiveren. Het genereert gecontroleerde microbellen, gelokaliseerde hotspots, extreme afschuiving en drukgradiënten die chemische reacties, fasedispersie en massaoverdracht kunnen verbeteren. Vergeleken met conventioneel mechanisch mengen of chemische additieven is hydrodynamische cavitatie een potentieel energiezuinige en chemiearme benadering om knelpunten in raffinaderijen aan te pakken [2]. Hydrodynamische cavitatie kan worden gecombineerd met katalysatoren, oppervlakteactieve stoffen, milde oxidanten (bijv, H₂O₂, ozon), of UV-straling om de reactie-efficiëntie verder te verbeteren en schonere verwerkingsresultaten te verkrijgen [2].
Mechanistisch gezien kan cavitatie modificaties op moleculair niveau in koolwaterstoffen teweegbrengen, waaronder het uiteenvallen van asfalten, gedeeltelijke scheurvorming en veranderingen in de reologische eigenschappen, wat de verwerking van grondstoffen en de reactie-efficiëntie verbetert [3]. Het opschalen van hydrodynamische cavitatie naar industriële toepassingen is een uitdaging vanwege het ontbreken van een gestandaardiseerde methode om de intensiteit van cavitatie te kwantificeren voor verschillende vloeistoffen en vanwege de hoge kapitaal- en operationele kosten [1,4]. Uit laboratorium- en pilotstudies blijkt dat hydrodynamische cavitatie de verwerkbaarheid en efficiëntie kan verbeteren, hoewel industriële validatie op volledige schaal nog beperkt blijft.
Processen met hydrodynamische cavitatie kunnen operationele en milieuvoordelen bieden, zoals minder energieverbruik, hogere verwerkingscapaciteit en minder uitstoot van broeikasgassen. Ze kunnen een aanvulling zijn op conventionele opwaarderingsmethoden, die vaak energie-intensief en rd reactorontwerpen zijn. Het cavitatiegetal is voorgesteld als een systematische parameter om het reactorontwerp te optimaliseren en een brug te slaan tussen experimentele gegevens en praktische toepassingen.
2. High-Impact Hydrodynamische Cavitatie Mogelijkheden
2.1 Ruwe Ontzouting (CDU)
Het integreren van Hydrodynamische Cavitatie bij de ontzoutingsinlaat kan de olie-water dispersie en zoutverwijdering verbeteren. Microturbulentie, afschuiving en plaatselijke drukschommelingen bevorderen het uiteenvallen van stabiele emulsies, waardoor fijne, uniforme druppeltjes ontstaan die het contact tussen water en olie verbeteren en coalescentie versnellen. Dit kan resulteren in een lager restzoutgehalte, minder aangroei en corrosie, en betere warmte-uitwisselingsprestaties [2]. Hydrodynamische cavitatie-eenheden kunnen worden geïmplementeerd als compacte inline skids met minimale aanpassingen aan de bestaande ontziltingsinfrastructuur.
2.2 Delayed Coking (DCU)
Hydrodynamische cavitatie toepassen op vacuümresidu vóór verkooksers kan de homogenisatie van het voer verbeteren en milde pre-upgrading effecten teweegbrengen. Schuiving, micromixing en plaatselijke thermisch-mechanische activering bevorderen gedeeltelijke ontmenging van asfalten en vermindering van de viscositeit, waardoor een gelijkmatiger thermisch kraken mogelijk wordt [5,3]. Studies op pilotschaal hebben verbeteringen gerapporteerd in de stabiliteit van de verhitters, vermindering van cokeafzetting en een bescheiden verhoging van de opbrengst van vloeibare producten wanneer hydrodynamische cavitatie wordt geïntegreerd stroomopwaarts van de verkookser. Het handhaven van de juiste cavitatie-intensiteit is essentieel om overmatig voorkraken te voorkomen, vooral bij zeer aromatische of onstabiele toevoer [1,3]. Een goed ontwerp van het hydrodynamische cavitatiesysteem en optimalisatie van de bedrijfsomstandigheden zijn daarom cruciaal voor een veilige en effectieve implementatie.
2.3 Fluid Catalytic Cracking Unit (FCCU)
Voorbehandeling van zware toevoer (bijv, vacuüm gasolie of residu) via hydrodynamische cavitatie kan de homogenisatie van het voer verbeteren en asfalteen- en metaalrijke aggregaten gedeeltelijk verstoren, waardoor de effectieve hoeveelheid verontreinigende stoffen die bijdraagt aan CCR-vorming mogelijk wordt verlaagd [6]. De intense schuifkracht en de micromixing die door cavitatie worden gegenereerd, kunnen ook de dispersie, de massaoverdracht en de algehele voederreologie verbeteren, wat kan bijdragen aan een hogere omzettingsefficiëntie en minder neiging tot aangroei. Deze effecten zijn aangetoond op pilotschaal, maar tot op heden zijn er nog geen algemeen beschikbare gegevens die FCC-implementatie op volledige schaal bevestigen. De integratie van hydrodynamische cavitatie stroomopwaarts van een FCC-eenheid vereist zorgvuldige engineering van de voedingsinjectie-interface, inclusief druk, temperatuur, metallurgie en compatibiliteit met bestaande voorverwarmings- en voedingsdistributiesystemen.
2. Hydrotreaters (DHT)4 Waterstofbehandelingsinstallaties (DHT, CNHT, NHT)
Door hydrodynamische cavitatie ondersteunde waterstof-olie voormenging kan de H₂-dispersie en het interfaciale contact verbeteren, wat de ontzwaveling, stikstofverwijdering en alkeenverzadiging kan verbeteren [2,8]. Microturbulentie en afschuiving vergroten het beschikbare interfaciale oppervlak en verminderen de beperkingen van de massaoverdracht die de doeltreffendheid van de katalysator verminderen. Pilootvalidatie wordt aanbevolen om de cavitatiezwaarte, verblijftijd en module-integratie te optimaliseren. Hydrodynamische cavitatiemodules die op de juiste manier zijn ontworpen - skids onder druk met materialen die compatibel zijn met de procesomstandigheden - kunnen zorgen voor een hogere omzetting per procesgang en een langere levensduur van de katalysator.
2.5 Jet fuel caustic treating (JCTU)
Bij jet fuel caustic treating intensiveert hydrodynamische cavitatie het contact tussen de caustische oplossing en de koolwaterstoffen, wat de mercaptanextractie en productstabiliteit verbetert. Micro-menging en hoge interfaciale vernieuwing kunnen het verbruik van caustic verminderen terwijl de zoetprestaties behouden blijven of zelfs verbeteren. Inline hydrodynamische cavitatiesystemen kunnen eenvoudig achteraf worden geïnstalleerd met minimale verstoring van het proces.
2. Alkyleringsunits6 Alkyleringsunits (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynamische cavitatie kan het contact tussen zuur en koolwaterstof in alkyleringsunits verbeteren, wat uniformere reactieomstandigheden bevordert en mogelijk het octaangetal en de productopbrengst verbetert [6]. Hoge schuifkracht, microturbulentie en drukschommelingen versnellen zuurgekatalyseerde reacties. Implementatie vereist een strenge selectie van materialen, een corrosiebestendig ontwerp en strikte veiligheidsprotocollen. Validatie op pilotschaal wordt aanbevolen voordat het op grote schaal wordt toegepast.
2.7 Residu opwaarderen en mengen
Hydrodynamische cavitatie kan zowel het mengen als het gedeeltelijk opwaarderen van zware residu's en vacuümresidu's ondersteunen door de dispersie te verbeteren, de viscositeit te verlagen en de algehele brandstofstabiliteit te verbeteren.
Opwaarderingstoepassingen
Voor opwaardering bevordert cavitatie de desaggregatie van asfalten, mild kraken, viscositeitsvermindering, een verschuiving naar lichtere fracties en slibminimalisering [2-4]. Hydrodynamische cavitatie-ondersteunde behandeling van residu is kosteneffectiever gebleken dan akoestische cavitatie voor proefschaaloperaties en kan de eigenschappen van bitumen, ontzwaveling en emulsiestabiliteit verbeteren in toepassingen zoals FCC-grondstoffen, waterstofbehandelingsinstallaties en scheepsbrandstoffen [4,7,8]. Hoewel de meeste gerapporteerde voordelen afkomstig zijn van laboratorium- en pilotschalen, is een goede regeling van de cavitatie-intensiteit en verblijftijd cruciaal voor een veilige en effectieve implementatie.
Mengtoepassingen
Bij mengprocessen bevordert hydrodynamische cavitatie de vorming van fijne, stabiele dispersies tussen zware oliën en componenten met een lagere viscositeit, zoals biodiesel of pyrolyse-oliën. De hoge schuifkracht en microturbulentie die ontstaan tijdens cavitatie verbeteren de mengbaarheid, verminderen de neiging tot fasescheiding en verbeteren de homogeniteit tijdens opslag en verwerking.
Onafhankelijke tests door Bureau Veritas en datafysicalaboratoria bevestigden deze verbeteringen. Tabel 1 geeft een vergelijking van HFO 380 gemengd met 20% biodiesel (FAME) door middel van conventioneel handmatig mengen (HD) en mengen met cavitatieondersteuning (CF) met het CaviFlow®-systeem van RAPTECH. De cavitatie-ondersteunde methode leverde meetbare verbeteringen op in dichtheid, viscositeit, zwavelgehalte, asgehalte, sedimentniveaus en gemiddelde stabiliteitsindex (MSI), terwijl ook de concentratie cat-fines werd verlaagd. Motortests door FVTR GmbH meldden bovendien een bescheiden (~1%) verlaging van het brandstofverbruik voor het met cavitatie behandelde HFO-20% FAME-mengsel.
Afhankelijk van de grootte van het schip, het operationele profiel en de brandstofprijs kunnen dergelijke verbeteringen van de eigenschappen zich vertalen in zinvolle operationele voordelen in de maritieme sector, waar zware stookolie nog steeds een dominante energiebron is.
Tabel 1. Vergelijking van HFO 380 gemengd met 20% biodiesel (FAME) door middel van conventioneel mengen met de hand (HD) en mengen met cavitatieondersteuning (CF).
| Parameter | Eenheid | Mengen (HD) | Mengen (CF) | Verbetering (%) |
|---|---|---|---|---|
| Dichtheid bij 50°C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinematische viscositeit bij 50°C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Zwavelgehalte | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| As Inhoud | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Gietpunt | °C | -15 | -15 | 0 |
| Vlampunt (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Totaal sedimentpotentieel | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Totaal Sediment Aanwezig | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Gemiddelde stabiliteitsindex (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Kat Boetes (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Zware oliën met °API < 22 .3 worden gewoonlijk geclassificeerd als "zware stookolie".
(2) Hoewel het vlampunt daalde, blijven beide mengsels ruim boven de ISO 8217 minimumgrenzen voor residuele scheepsbrandstoffen, waardoor wordt voldaan aan de veiligheidsvoorschriften.
3. Conclusie
Hydrodynamische cavitatie is een veelzijdig procesintensiveringsinstrument waarmee verschillende hardnekkige uitdagingen in de aardolieraffinage kunnen worden aangepakt, waaronder heterogeniteit van de grondstoffen, beperkingen in de massaoverdracht, vervuiling en de verwerking van residuen met een hoge viscositeit. Bij het ontzouten van ruwe olie, thermische en katalytische omzettingseenheden, caustische behandeling en alkylering biedt hydrodynamische cavitatie mogelijkheden om de dispersie, uniformiteit van reacties en operationele stabiliteit te verbeteren, terwijl het energieverbruik en de impact op het milieu mogelijk worden verminderd.
De veelbelovende resultaten die zijn aangetoond voor het opwaarderen van residu's en het mengen met cavitatie - met name de verbeterde verwerking en stabiliteit van HFO-FAME-mengsels - onderstrepen het belang van hydrodynamische cavitatie bij de overgang van zowel de raffinage- als de maritieme/bunkerbrandstoffensector naar meer diverse en hernieuwbare brandstofstromen. De introductie van ISO 8217:2024 [9], die scheepsbrandstoffen met maximaal 100% FAME mogelijk maakt, vergroot de behoefte aan technologieën die mengsels van zware petroleumfracties met alternatieve brandstoffen kunnen stabiliseren. Het vermogen van hydrodynamische cavitatie om de viscositeit te verminderen, de fasestabiliteit te verbeteren en problemen met sedimenten en verontreinigende stoffen te verminderen, maakt het tot een praktische oplossing in dit veranderende landschap.
Succesvolle industriële toepassing zal afhangen van:
- Nauwkeurige regeling van de cavitatie-intensiteit om een balans te vinden tussen efficiëntiewinst en integriteit van de apparatuur.
- Zorgen voor compatibiliteit met processtromen met hoge temperaturen, corrosie of hoge viscositeit.
- HC-modules integreren in bestaande raffinaderijconfiguraties zonder de kritische procesregeling te verstoren.
Hoewel de huidige gegevens voornamelijk op proefschaal beschikbaar zijn, laten de behandeling van zware olie en het mengen van brandstoffen met behulp van hydrodynamische cavitatie veelbelovende mogelijkheden zien om de efficiëntie van raffinaderijen te verhogen, de integratie van alternatieve brandstoffen mogelijk te maken en bredere doelstellingen op het gebied van decarbonisatie en duurzaamheid te ondersteunen [4]. Deze voordelen zijn direct toepasbaar op de maritieme/bunkerbrandstoffensector en zorgen voor operationele, milieu- en brandstofkwaliteitsverbeteringen.
Auteur: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referenties
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Opwaardering van zware olie: Unlocking the future fuel supply. Petroleum Science and Technology, 2016, 34(4), 303-308. DOI: 10.1080/10916466.2015.1136949.
- Panda, D.; Saharan, V. K.; Manickam, S. Gecontroleerde hydrodynamische cavitatie: A Review of Recent Advances and Perspectives for Greener Processing. Processen, 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. Cavitatie Ondersteunde Transformaties in Bitumenverwerking: Een overzicht. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2024, 63, 6047-6065. DOI: 10.1021/acs.iecr.4c00785.
- Wan, C.; Wang, R.; Zhou, W.; Li, L. Experimentele studie naar viscositeitsreductie van zware olie door waterstofdonoren met behulp van een cavitatiestraal. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Toepassing van cavitatie in olieverwerking: An Overview of Mechanisms and Results of Treatment. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. Een systematische vergelijking van verschillende upgradingstechnieken voor zware olie. 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. Op cavitatie gebaseerde schonere technologieën voor biodieselproductie en verwerking van koolwaterstofstromen: 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-werkgroep Brandstoffen. CIMAC Richtlijn: Scheepsbrandstoffen met FAME - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024.
