Kawitacja hydrodynamiczna to nowa, energooszczędna technologia intensyfikacji procesów, która może zwiększyć wydajność, uzysk i zrównoważony rozwój w kluczowych operacjach rafineryjnych. Poprzez generowanie kontrolowanego ścinania w mikroskali, turbulencji i zlokalizowanych efektów termiczno-mechanicznych - w jednostkach CaviFlow® firmy RAPTECH - kawitacja hydrodynamiczna może poprawić mieszanie, przenoszenie masy i ciepła, kinetykę reakcji i kondycjonowanie surowca. Niniejszy przegląd ocenia możliwości integracji kawitacji hydrodynamicznej w zakresie odsalania ropy naftowej, opóźnionego koksowania, fluidalnego krakingu katalitycznego, hydrorafinacji, alkilacji i ulepszania pozostałości, z naciskiem na zrozumienie mechaniki, konfigurację sprzętu i ograniczenia operacyjne.
Najnowsze wyniki praktyczne - w tym mieszanie i ulepszanie pozostałości - wykazują wymierne korzyści w mieszaniu ciężkiego oleju opałowego z paliwami alternatywnymi. Wspomagane kawitacją mieszanie HFO z 20% FAME wykazało poprawę lepkości, gęstości, zawartości osadów i wskaźników stabilności, a także zmniejszenie ilości cząstek stałych i niewielką poprawę zużycia paliwa. Wyniki te podkreślają znaczenie kawitacji hydrodynamicznej nie tylko dla procesów rafineryjnych, ale także dla sektora paliw morskich/bunkrowych, szczególnie w kontekście normy ISO 8217:2024, która dopuszcza paliwa morskie zawierające do 100% FAME. Wyniki odzwierciedlają szerszy trend branżowy w kierunku niskoemisyjnych, odnawialnych i bardziej zmiennych surowców.
Ogólnie rzecz biorąc, kawitacja hydrodynamiczna i jednostki CaviFlow® firmy RAPTECH stanowią obiecującą drogę do poprawy przetwarzalności, zmniejszenia zapotrzebowania na energię i wspierania przejścia w kierunku bardziej zrównoważonych systemów paliw rafineryjnych i morskich. Chociaż większość danych pochodzi z badań laboratoryjnych i pilotażowych, pojawiające się demonstracje - w tym mieszanie i ulepszanie pozostałości - podkreślają potencjał kawitacji hydrodynamicznej do praktycznego zastosowania przemysłowego.
1. Wprowadzenie
Procesy konwersji rafineryjnej mają kluczowe znaczenie dla przekształcania ropy naftowej w paliwa transportowe, surowce petrochemiczne i produkty o wysokiej wartości. Wydajność i jakość produktu są często ograniczone przez niejednorodność surowca, dezaktywację katalizatora, zanieczyszczenie i ograniczenia transferu masy. Rosnące wykorzystanie ciężkich i bardzo ciężkich rop naftowych, które stanowią znaczną część wydobywalnych światowych rezerw, stanowi dodatkowe wyzwanie ze względu na wysoką lepkość, niską gęstość API (<20°) i podwyższoną zawartość asfaltenów [1]. Właściwości te utrudniają przenoszenie ciepła i masy, przyspieszają zanieczyszczenie i zwiększają tworzenie się koksu w procesach termicznych i katalitycznych.
Kawitacja hydrodynamiczna pojawiła się jako strategia intensyfikacji procesów. Generuje ona kontrolowane mikropęcherzyki, zlokalizowane gorące punkty, ekstremalne ścinanie i gradienty ciśnienia, które mogą poprawić reakcje chemiczne, dyspersję faz i transfer masy. W porównaniu z konwencjonalnym mieszaniem mechanicznym lub dodatkami chemicznymi, kawitacja hydrodynamiczna stanowi potencjalnie energooszczędne i niskochemiczne podejście do rozwiązywania wąskich gardeł rafinerii [2]. Kawitacja hydrodynamiczna może być łączona z katalizatorami, środkami powierzchniowo czynnymi, łagodnymi utleniaczami (np, H₂O₂, ozon) lub promieniowaniem UV w celu dalszej poprawy wydajności reakcji i czystszych wyników przetwarzania [2].
Mechanicznie kawitacja może indukować modyfikacje węglowodorów na poziomie molekularnym, w tym dezagregację asfaltenów, częściowe pękanie i zmiany właściwości reologicznych, które poprawiają obsługę surowców i wydajność reakcji [3]. Skalowanie kawitacji hydrodynamicznej do operacji przemysłowych jest trudne ze względu na brak znormalizowanej metody ilościowego określania intensywności kawitacji w różnych płynach i wymaga wysokich kosztów kapitałowych i operacyjnych [1,4]. Dowody z badań laboratoryjnych i pilotażowych sugerują, że kawitacja hydrodynamiczna może poprawić przetwarzalność i wydajność, chociaż walidacja przemysłowa na pełną skalę pozostaje ograniczona.
Procesy wspomagane kawitacją hydrodynamiczną mogą oferować korzyści operacyjne i środowiskowe, w tym mniejsze zużycie energii, zwiększoną przepustowość i niższą emisję gazów cieplarnianych. Mogą one stanowić uzupełnienie konwencjonalnych metod uszlachetniania, które często są energochłonne i wymagają zastosowania reaktora o dużej pojemności. Liczba kawitacji została zaproponowana jako systematyczny parametr optymalizujący projekt reaktora i łączący dane eksperymentalne z praktycznymi zastosowaniami.
2. Możliwości kawitacji hydrodynamicznej o dużym wpływie
2.1 Odsalanie ropy naftowej (CDU)
Integracja kawitacji hydrodynamicznej na wlocie do odsalarki może poprawić dyspersję oleju i wody oraz usuwanie soli. Mikroturbulencje, ścinanie i miejscowe wahania ciśnienia sprzyjają rozpadowi stabilnych emulsji, generując drobne, jednolite kropelki, które poprawiają kontakt wody z olejem i przyspieszają koalescencję. Może to skutkować niższą zawartością soli resztkowej, zmniejszonym zanieczyszczeniem i korozją oraz lepszą wydajnością wymiany ciepła [2]. Jednostki kawitacji hydrodynamicznej można wdrożyć jako kompaktowe płozy liniowe przy minimalnych modyfikacjach istniejącej infrastruktury odsalania.
2.2 Opóźnione koksowanie (DCU)
Zastosowanie kawitacji hydrodynamicznej do pozostałości próżniowej przed podgrzewaczami koksowniczymi może poprawić homogenizację paszy i wywołać łagodne efekty wstępnej modernizacji. Ścinanie, mikromieszanie i miejscowa aktywacja termiczno-mechaniczna sprzyjają częściowej dezagregacji asfaltenów i zmniejszeniu lepkości, umożliwiając bardziej równomierne krakowanie termiczne [5,3]. Badania pilotażowe wykazały poprawę stabilności podgrzewacza, zmniejszenie osadzania się koksu i niewielki wzrost wydajności ciekłego produktu, gdy kawitacja hydrodynamiczna jest zintegrowana przed koksownikiem. Utrzymanie odpowiedniej intensywności kawitacji jest niezbędne, aby uniknąć nadmiernego wstępnego krakingu, szczególnie w przypadku wysoce aromatycznych lub niestabilnych wsadów [1,3]. Właściwy projekt systemu kawitacji hydrodynamicznej i optymalizacja warunków pracy mają zatem kluczowe znaczenie dla bezpiecznego i skutecznego wdrożenia.
2.3 Instalacja fluidalnego krakingu katalitycznego (FCCU)
Wstępne kondycjonowanie ciężkich wsadów (np, próżniowy olej napędowy lub pozostałości) za pomocą kawitacji hydrodynamicznej może poprawić homogenizację wsadu i częściowo rozbić agregaty bogate w asfalten i metale, potencjalnie obniżając efektywny ładunek zanieczyszczeń, który przyczynia się do powstawania CCR [6]. Intensywne ścinanie i mikromieszanie generowane przez kawitację może również poprawić dyspersję, przenoszenie masy i ogólną reologię wsadu, co może sprzyjać wyższej wydajności konwersji i zmniejszeniu tendencji do zanieczyszczania. Efekty te zostały wykazane w skali pilotażowej, ale żadne publicznie dostępne dane nie potwierdzają wdrożenia FCC na pełną skalę. Integracja kawitacji hydrodynamicznej przed jednostką FCC wymaga starannej inżynierii interfejsu wtrysku paszy, w tym ciśnienia, temperatury, metalurgii i kompatybilności z istniejącymi systemami podgrzewania i dystrybucji paszy.
2.4 Hydrorafinatory (DHT, CNHT, NHT)
Kawitacja hydrodynamiczna wspomagana wstępnym mieszaniem wodoru z olejem może poprawić dyspersję H₂ i kontakt międzyfazowy, potencjalnie zwiększając odsiarczanie, usuwanie azotu i nasycanie olefin [2,8]. Mikroturbulencja i ścinanie zwiększają dostępną powierzchnię międzyfazową, łagodząc ograniczenia transferu masy, które zmniejszają skuteczność katalizatora. Zalecana jest walidacja pilotażowa w celu optymalizacji nasilenia kawitacji, czasu przebywania i integracji modułu. Odpowiednio zaprojektowane moduły kawitacji hydrodynamicznej - płozy z materiałami zgodnymi z warunkami procesu - mogą zapewnić wyższą konwersję na przejście i dłuższą żywotność katalizatora.
2.5 Ob róbka kaustyczna paliwa odrzutowego(JCTU)
W obróbce kaustycznej paliwa odrzutowego kawitacja hydrodynamiczna intensyfikuje kontakt między roztworem kaustycznym a węglowodorami, poprawiając ekstrakcję merkaptanów i stabilność produktu. Mikromieszanie i wysoka odnowa międzyfazowa mogą zmniejszyć zużycie żrącego roztworu przy jednoczesnym utrzymaniu lub zwiększeniu wydajności słodzenia. Systemy kawitacji hydrodynamicznej Inline umożliwiają prostą modernizację przy minimalnym zakłóceniu procesu.
2.6 Jednostki alkilacji (H₂SO₄ ALKY)
Kawitacja hydrodynamiczna może poprawić kontakt kwas-węglowodór w jednostkach alkilacji, promując bardziej jednolite warunki reakcji i potencjalnie poprawiając liczbę oktanową i wydajność produktu [6]. Wysokie ścinanie, mikroturbulencja i wahania ciśnienia przyspieszają reakcje katalizowane kwasem. Wdrożenie wymaga rygorystycznego doboru materiałów, konstrukcji odpornej na korozję i ścisłych protokołów bezpieczeństwa. Kawitacja hydrodynamiczna może wspierać zarówno mieszanie, jak i częściową modernizację ciężkich pozostałości i pozostałości próżniowych poprzez zwiększenie dyspersji, zmniejszenie lepkości i poprawę ogólnej stabilności paliwa.
Zastosowania do uszlachetniania
W przypadku uszlachetniania kawitacja promuje dezagregację asfaltenów, łagodne pękanie, zmniejszenie lepkości, przesunięcie w kierunku lżejszych frakcji i minimalizację osadów [2-4]. Wykazano, że obróbka pozostałości wspomagana kawitacją hydrodynamiczną jest bardziej opłacalna niż kawitacja akustyczna w operacjach na skalę pilotażową i może poprawić właściwości bitumu, odsiarczanie i stabilność emulsji w zastosowaniach takich jak surowce FCC, hydrorafinacje i paliwa morskie [4,7,8]. Podczas gdy większość zgłaszanych korzyści pochodzi ze skali laboratoryjnej i pilotażowej, właściwa kontrola intensywności kawitacji i czasu przebywania ma kluczowe znaczenie dla bezpiecznego i skutecznego wdrożenia.
Zastosowania mieszania
W operacjach mieszania kawitacja hydrodynamiczna sprzyja tworzeniu drobnych, stabilnych dyspersji między ciężkimi olejami i składnikami o niższej lepkości, takimi jak biodiesel lub oleje pirolityczne. Wysokie ścinanie i mikroturbulencje generowane podczas kawitacji poprawiają mieszalność, zmniejszają skłonność do separacji faz i zwiększają jednorodność podczas przechowywania i przenoszenia.
Niezależne testy w Bureau Veritas i laboratoriach fizyki danych potwierdziły te ulepszenia. Tabela 1 podsumowuje porównanie HFO 380 zmieszanego z 20% biodieslem (FAME) przy użyciu konwencjonalnego mieszania ręcznego (HD) i mieszania wspomaganego kawitacją (CF) z systemem CaviFlow® firmy RAPTECH. Metoda wspomagana kawitacją przyniosła wymierną poprawę gęstości, lepkości, zawartości siarki, zawartości popiołu, poziomu osadów i średniego wskaźnika stabilności (MSI), jednocześnie zmniejszając stężenie katalizatorów. Testy silnikowe przeprowadzone przez FVTR GmbH dodatkowo wykazały niewielką (~1%) redukcję zużycia paliwa dla mieszanki HFO-20% FAME poddanej obróbce kawitacyjnej.
W zależności od wielkości statku, profilu operacyjnego i cen paliwa, takie ulepszenia właściwości mogą przełożyć się na znaczące korzyści operacyjne w sektorze morskim, gdzie ciężki olej opałowy pozostaje dominującym źródłem energii.
Tabela 1. Porównanie HFO 380 zmieszanego z 20% biodieslem (FAME) przy użyciu konwencjonalnego mieszania ręcznego (HD) i mieszania wspomaganego kawitacją (CF). c 3s5b1r3e5a6k
(1) Oleje ciężkie o °API < 22.3 są zwykle klasyfikowane jako "ciężki olej opałowy".
(2) Chociaż temperatura zapłonu spadła, obie mieszanki pozostają znacznie powyżej minimalnych limitów ISO 8217 dla resztkowych paliw żeglugowych, zapewniając zgodność z przepisami bezpieczeństwa.
3. Wnioski Kawitacja hydrodynamiczna
stanowi wszechstronne narzędzie intensyfikacji procesu, które może sprostać kilku stałym wyzwaniom w rafinacji ropy naftowej, w tym niejednorodności surowca, ograniczeniom transferu masy, zanieczyszczeniom i przetwarzaniu pozostałości o wysokiej lepkości. W przypadku odsalania ropy naftowej, jednostek konwersji termicznej i katalitycznej, obróbki kaustycznej i alkilacji, kawitacja hydrodynamiczna oferuje możliwości poprawy dyspersji, jednorodności reakcji i stabilności operacyjnej, jednocześnie potencjalnie zmniejszając zużycie energii i wpływ na środowisko.
Obiecujące wyniki wykazane w zakresie uszlachetniania pozostałości i mieszania wspomaganego kawitacją - w szczególności lepsza obsługa i stabilność mieszanin HFO-FAME - podkreślają znaczenie kawitacji hydrodynamicznej, ponieważ zarówno sektor rafineryjny, jak i morski/bunkrowy przechodzą w kierunku bardziej zróżnicowanych i odnawialnych strumieni paliw. Wprowadzenie normy ISO 8217:2024 [9], umożliwiającej stosowanie paliw żeglugowych zawierających do 100% FAME, dodatkowo zwiększa zapotrzebowanie na technologie, które mogą stabilizować mieszaniny ciężkich frakcji ropy naftowej z paliwami alternatywnymi. Zdolność kawitacji hydrodynamicznej do zmniejszania lepkości, poprawy stabilności faz i łagodzenia kwestii związanych z osadami i zanieczyszczeniami pozycjonuje ją jako praktyczny czynnik umożliwiający w tym ewoluującym krajobrazie.
Pomyślne przyjęcie przemysłowe będzie zależeć od:
Chociaż obecne dowody dotyczą głównie skali pilotażowej, wspomagana kawitacją hydrodynamiczną obróbka ciężkiego oleju i mieszanie paliw wykazują zachęcające ścieżki zwiększania wydajności rafinerii, umożliwiając integrację paliw alternatywnych i wspierając szersze cele dekarbonizacji i zrównoważonego rozwoju [4]. Korzyści te mają bezpośrednie zastosowanie w sektorze paliw morskich/bunkrowych, zapewniając poprawę operacyjną, środowiskową i jakości paliwa.
Autor: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencje
Najnowsze wyniki praktyczne - w tym mieszanie i ulepszanie pozostałości - wykazują wymierne korzyści w mieszaniu ciężkiego oleju opałowego z paliwami alternatywnymi. Wspomagane kawitacją mieszanie HFO z 20% FAME wykazało poprawę lepkości, gęstości, zawartości osadów i wskaźników stabilności, a także zmniejszenie ilości cząstek stałych i niewielką poprawę zużycia paliwa. Wyniki te podkreślają znaczenie kawitacji hydrodynamicznej nie tylko dla procesów rafineryjnych, ale także dla sektora paliw morskich/bunkrowych, szczególnie w kontekście normy ISO 8217:2024, która dopuszcza paliwa morskie zawierające do 100% FAME. Wyniki odzwierciedlają szerszy trend branżowy w kierunku niskoemisyjnych, odnawialnych i bardziej zmiennych surowców.
Ogólnie rzecz biorąc, kawitacja hydrodynamiczna i jednostki CaviFlow® firmy RAPTECH stanowią obiecującą drogę do poprawy przetwarzalności, zmniejszenia zapotrzebowania na energię i wspierania przejścia w kierunku bardziej zrównoważonych systemów paliw rafineryjnych i morskich. Chociaż większość danych pochodzi z badań laboratoryjnych i pilotażowych, pojawiające się demonstracje - w tym mieszanie i ulepszanie pozostałości - podkreślają potencjał kawitacji hydrodynamicznej do praktycznego zastosowania przemysłowego.
1. Wprowadzenie
Procesy konwersji rafineryjnej mają kluczowe znaczenie dla przekształcania ropy naftowej w paliwa transportowe, surowce petrochemiczne i produkty o wysokiej wartości. Wydajność i jakość produktu są często ograniczone przez niejednorodność surowca, dezaktywację katalizatora, zanieczyszczenie i ograniczenia transferu masy. Rosnące wykorzystanie ciężkich i bardzo ciężkich rop naftowych, które stanowią znaczną część wydobywalnych światowych rezerw, stanowi dodatkowe wyzwanie ze względu na wysoką lepkość, niską gęstość API (<20°) i podwyższoną zawartość asfaltenów [1]. Właściwości te utrudniają przenoszenie ciepła i masy, przyspieszają zanieczyszczenie i zwiększają tworzenie się koksu w procesach termicznych i katalitycznych.
Kawitacja hydrodynamiczna pojawiła się jako strategia intensyfikacji procesów. Generuje ona kontrolowane mikropęcherzyki, zlokalizowane gorące punkty, ekstremalne ścinanie i gradienty ciśnienia, które mogą poprawić reakcje chemiczne, dyspersję faz i transfer masy. W porównaniu z konwencjonalnym mieszaniem mechanicznym lub dodatkami chemicznymi, kawitacja hydrodynamiczna stanowi potencjalnie energooszczędne i niskochemiczne podejście do rozwiązywania wąskich gardeł rafinerii [2]. Kawitacja hydrodynamiczna może być łączona z katalizatorami, środkami powierzchniowo czynnymi, łagodnymi utleniaczami (np, H₂O₂, ozon) lub promieniowaniem UV w celu dalszej poprawy wydajności reakcji i czystszych wyników przetwarzania [2].
Mechanicznie kawitacja może indukować modyfikacje węglowodorów na poziomie molekularnym, w tym dezagregację asfaltenów, częściowe pękanie i zmiany właściwości reologicznych, które poprawiają obsługę surowców i wydajność reakcji [3]. Skalowanie kawitacji hydrodynamicznej do operacji przemysłowych jest trudne ze względu na brak znormalizowanej metody ilościowego określania intensywności kawitacji w różnych płynach i wymaga wysokich kosztów kapitałowych i operacyjnych [1,4]. Dowody z badań laboratoryjnych i pilotażowych sugerują, że kawitacja hydrodynamiczna może poprawić przetwarzalność i wydajność, chociaż walidacja przemysłowa na pełną skalę pozostaje ograniczona.
Procesy wspomagane kawitacją hydrodynamiczną mogą oferować korzyści operacyjne i środowiskowe, w tym mniejsze zużycie energii, zwiększoną przepustowość i niższą emisję gazów cieplarnianych. Mogą one stanowić uzupełnienie konwencjonalnych metod uszlachetniania, które często są energochłonne i wymagają zastosowania reaktora o dużej pojemności. Liczba kawitacji została zaproponowana jako systematyczny parametr optymalizujący projekt reaktora i łączący dane eksperymentalne z praktycznymi zastosowaniami.
2. Możliwości kawitacji hydrodynamicznej o dużym wpływie
2.1 Odsalanie ropy naftowej (CDU)
Integracja kawitacji hydrodynamicznej na wlocie do odsalarki może poprawić dyspersję oleju i wody oraz usuwanie soli. Mikroturbulencje, ścinanie i miejscowe wahania ciśnienia sprzyjają rozpadowi stabilnych emulsji, generując drobne, jednolite kropelki, które poprawiają kontakt wody z olejem i przyspieszają koalescencję. Może to skutkować niższą zawartością soli resztkowej, zmniejszonym zanieczyszczeniem i korozją oraz lepszą wydajnością wymiany ciepła [2]. Jednostki kawitacji hydrodynamicznej można wdrożyć jako kompaktowe płozy liniowe przy minimalnych modyfikacjach istniejącej infrastruktury odsalania.
2.2 Opóźnione koksowanie (DCU)
Zastosowanie kawitacji hydrodynamicznej do pozostałości próżniowej przed podgrzewaczami koksowniczymi może poprawić homogenizację paszy i wywołać łagodne efekty wstępnej modernizacji. Ścinanie, mikromieszanie i miejscowa aktywacja termiczno-mechaniczna sprzyjają częściowej dezagregacji asfaltenów i zmniejszeniu lepkości, umożliwiając bardziej równomierne krakowanie termiczne [5,3]. Badania pilotażowe wykazały poprawę stabilności podgrzewacza, zmniejszenie osadzania się koksu i niewielki wzrost wydajności ciekłego produktu, gdy kawitacja hydrodynamiczna jest zintegrowana przed koksownikiem. Utrzymanie odpowiedniej intensywności kawitacji jest niezbędne, aby uniknąć nadmiernego wstępnego krakingu, szczególnie w przypadku wysoce aromatycznych lub niestabilnych wsadów [1,3]. Właściwy projekt systemu kawitacji hydrodynamicznej i optymalizacja warunków pracy mają zatem kluczowe znaczenie dla bezpiecznego i skutecznego wdrożenia.
2.3 Instalacja fluidalnego krakingu katalitycznego (FCCU)
Wstępne kondycjonowanie ciężkich wsadów (np, próżniowy olej napędowy lub pozostałości) za pomocą kawitacji hydrodynamicznej może poprawić homogenizację wsadu i częściowo rozbić agregaty bogate w asfalten i metale, potencjalnie obniżając efektywny ładunek zanieczyszczeń, który przyczynia się do powstawania CCR [6]. Intensywne ścinanie i mikromieszanie generowane przez kawitację może również poprawić dyspersję, przenoszenie masy i ogólną reologię wsadu, co może sprzyjać wyższej wydajności konwersji i zmniejszeniu tendencji do zanieczyszczania. Efekty te zostały wykazane w skali pilotażowej, ale żadne publicznie dostępne dane nie potwierdzają wdrożenia FCC na pełną skalę. Integracja kawitacji hydrodynamicznej przed jednostką FCC wymaga starannej inżynierii interfejsu wtrysku paszy, w tym ciśnienia, temperatury, metalurgii i kompatybilności z istniejącymi systemami podgrzewania i dystrybucji paszy.
2.4 Hydrorafinatory (DHT, CNHT, NHT)
Kawitacja hydrodynamiczna wspomagana wstępnym mieszaniem wodoru z olejem może poprawić dyspersję H₂ i kontakt międzyfazowy, potencjalnie zwiększając odsiarczanie, usuwanie azotu i nasycanie olefin [2,8]. Mikroturbulencja i ścinanie zwiększają dostępną powierzchnię międzyfazową, łagodząc ograniczenia transferu masy, które zmniejszają skuteczność katalizatora. Zalecana jest walidacja pilotażowa w celu optymalizacji nasilenia kawitacji, czasu przebywania i integracji modułu. Odpowiednio zaprojektowane moduły kawitacji hydrodynamicznej - płozy z materiałami zgodnymi z warunkami procesu - mogą zapewnić wyższą konwersję na przejście i dłuższą żywotność katalizatora.
2.5 Ob róbka kaustyczna paliwa odrzutowego(JCTU)
W obróbce kaustycznej paliwa odrzutowego kawitacja hydrodynamiczna intensyfikuje kontakt między roztworem kaustycznym a węglowodorami, poprawiając ekstrakcję merkaptanów i stabilność produktu. Mikromieszanie i wysoka odnowa międzyfazowa mogą zmniejszyć zużycie żrącego roztworu przy jednoczesnym utrzymaniu lub zwiększeniu wydajności słodzenia. Systemy kawitacji hydrodynamicznej Inline umożliwiają prostą modernizację przy minimalnym zakłóceniu procesu.
2.6 Jednostki alkilacji (H₂SO₄ ALKY)
Kawitacja hydrodynamiczna może poprawić kontakt kwas-węglowodór w jednostkach alkilacji, promując bardziej jednolite warunki reakcji i potencjalnie poprawiając liczbę oktanową i wydajność produktu [6]. Wysokie ścinanie, mikroturbulencja i wahania ciśnienia przyspieszają reakcje katalizowane kwasem. Wdrożenie wymaga rygorystycznego doboru materiałów, konstrukcji odpornej na korozję i ścisłych protokołów bezpieczeństwa. Kawitacja hydrodynamiczna może wspierać zarówno mieszanie, jak i częściową modernizację ciężkich pozostałości i pozostałości próżniowych poprzez zwiększenie dyspersji, zmniejszenie lepkości i poprawę ogólnej stabilności paliwa.
Zastosowania do uszlachetniania
W przypadku uszlachetniania kawitacja promuje dezagregację asfaltenów, łagodne pękanie, zmniejszenie lepkości, przesunięcie w kierunku lżejszych frakcji i minimalizację osadów [2-4]. Wykazano, że obróbka pozostałości wspomagana kawitacją hydrodynamiczną jest bardziej opłacalna niż kawitacja akustyczna w operacjach na skalę pilotażową i może poprawić właściwości bitumu, odsiarczanie i stabilność emulsji w zastosowaniach takich jak surowce FCC, hydrorafinacje i paliwa morskie [4,7,8]. Podczas gdy większość zgłaszanych korzyści pochodzi ze skali laboratoryjnej i pilotażowej, właściwa kontrola intensywności kawitacji i czasu przebywania ma kluczowe znaczenie dla bezpiecznego i skutecznego wdrożenia.
Zastosowania mieszania
W operacjach mieszania kawitacja hydrodynamiczna sprzyja tworzeniu drobnych, stabilnych dyspersji między ciężkimi olejami i składnikami o niższej lepkości, takimi jak biodiesel lub oleje pirolityczne. Wysokie ścinanie i mikroturbulencje generowane podczas kawitacji poprawiają mieszalność, zmniejszają skłonność do separacji faz i zwiększają jednorodność podczas przechowywania i przenoszenia.
Niezależne testy w Bureau Veritas i laboratoriach fizyki danych potwierdziły te ulepszenia. Tabela 1 podsumowuje porównanie HFO 380 zmieszanego z 20% biodieslem (FAME) przy użyciu konwencjonalnego mieszania ręcznego (HD) i mieszania wspomaganego kawitacją (CF) z systemem CaviFlow® firmy RAPTECH. Metoda wspomagana kawitacją przyniosła wymierną poprawę gęstości, lepkości, zawartości siarki, zawartości popiołu, poziomu osadów i średniego wskaźnika stabilności (MSI), jednocześnie zmniejszając stężenie katalizatorów. Testy silnikowe przeprowadzone przez FVTR GmbH dodatkowo wykazały niewielką (~1%) redukcję zużycia paliwa dla mieszanki HFO-20% FAME poddanej obróbce kawitacyjnej.
W zależności od wielkości statku, profilu operacyjnego i cen paliwa, takie ulepszenia właściwości mogą przełożyć się na znaczące korzyści operacyjne w sektorze morskim, gdzie ciężki olej opałowy pozostaje dominującym źródłem energii.
Tabela 1. Porównanie HFO 380 zmieszanego z 20% biodieslem (FAME) przy użyciu konwencjonalnego mieszania ręcznego (HD) i mieszania wspomaganego kawitacją (CF). c 3s5b1r3e5a6k
| Parametr | Jednostka | Blending (HD) | Mieszanie (CF) | Poprawa (%) |
|---|---|---|---|---|
| Gęstość w 50°C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Lepkość kinematyczna w 50°C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Zawartość siarki | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Zawartość popiołu | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Pour Point | °C | -15 | -15 | 0 |
| Temperatura zapłonu (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Całkowity potencjał osadów | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Całkowity osad Istniejący | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Średni wskaźnik stabilności (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Grzywny dla kotów (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Oleje ciężkie o °API < 22.3 są zwykle klasyfikowane jako "ciężki olej opałowy".
(2) Chociaż temperatura zapłonu spadła, obie mieszanki pozostają znacznie powyżej minimalnych limitów ISO 8217 dla resztkowych paliw żeglugowych, zapewniając zgodność z przepisami bezpieczeństwa.
3. Wnioski Kawitacja hydrodynamiczna
stanowi wszechstronne narzędzie intensyfikacji procesu, które może sprostać kilku stałym wyzwaniom w rafinacji ropy naftowej, w tym niejednorodności surowca, ograniczeniom transferu masy, zanieczyszczeniom i przetwarzaniu pozostałości o wysokiej lepkości. W przypadku odsalania ropy naftowej, jednostek konwersji termicznej i katalitycznej, obróbki kaustycznej i alkilacji, kawitacja hydrodynamiczna oferuje możliwości poprawy dyspersji, jednorodności reakcji i stabilności operacyjnej, jednocześnie potencjalnie zmniejszając zużycie energii i wpływ na środowisko.
Obiecujące wyniki wykazane w zakresie uszlachetniania pozostałości i mieszania wspomaganego kawitacją - w szczególności lepsza obsługa i stabilność mieszanin HFO-FAME - podkreślają znaczenie kawitacji hydrodynamicznej, ponieważ zarówno sektor rafineryjny, jak i morski/bunkrowy przechodzą w kierunku bardziej zróżnicowanych i odnawialnych strumieni paliw. Wprowadzenie normy ISO 8217:2024 [9], umożliwiającej stosowanie paliw żeglugowych zawierających do 100% FAME, dodatkowo zwiększa zapotrzebowanie na technologie, które mogą stabilizować mieszaniny ciężkich frakcji ropy naftowej z paliwami alternatywnymi. Zdolność kawitacji hydrodynamicznej do zmniejszania lepkości, poprawy stabilności faz i łagodzenia kwestii związanych z osadami i zanieczyszczeniami pozycjonuje ją jako praktyczny czynnik umożliwiający w tym ewoluującym krajobrazie.
Pomyślne przyjęcie przemysłowe będzie zależeć od:
- Precyzyjnej kontroli intensywności kawitacji w celu zrównoważenia wzrostu wydajności z integralnością sprzętu.
- Zapewnienie kompatybilności z wysokotemperaturowymi, korozyjnymi lub o wysokiej lepkości strumieniami procesowymi.
- Integracja modułów HC z istniejącymi konfiguracjami rafineryjnymi bez zakłócania krytycznej kontroli procesu.
Chociaż obecne dowody dotyczą głównie skali pilotażowej, wspomagana kawitacją hydrodynamiczną obróbka ciężkiego oleju i mieszanie paliw wykazują zachęcające ścieżki zwiększania wydajności rafinerii, umożliwiając integrację paliw alternatywnych i wspierając szersze cele dekarbonizacji i zrównoważonego rozwoju [4]. Korzyści te mają bezpośrednie zastosowanie w sektorze paliw morskich/bunkrowych, zapewniając poprawę operacyjną, środowiskową i jakości paliwa.
Autor: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencje
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Ulepszanie ciężkiego oleju: Odblokowanie przyszłych dostaw paliwa. 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: Przegląd najnowszych osiągnięć i perspektyw dla bardziej ekologicznego przetwarzania. 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. Eksperymentalne badanie zmniejszenia lepkości ciężkiego oleju przez dawców wodoru za pomocą strumienia kawitacyjnego. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Application of Cavitation in Oil Processing: Przegląd mechanizmów i wyników leczenia. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. Systematyczne porównanie różnych technik uszlachetniania ciężkiej ropy naftowej. 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. Czystsze technologie oparte na kawitacji do produkcji biodiesla i przetwarzania strumieni węglowodorów: Perspektywa kluczowych podstaw, brakujących danych procesowych i wykonalności ekonomicznej - przegląd. Ultradźwięki Sonochemia, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- Grupa robocza ds. paliw CIMAC. Wytyczne CIMAC: Paliwa żeglugowe zawierające FAME - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
