Cavitația hidrodinamică este o tehnologie emergentă, eficientă din punct de vedere energetic, de intensificare a proceselor, care are potențialul de a spori eficiența, randamentul și durabilitatea operațiunilor cheie din rafinării. Prin generarea de forfecare, turbulențe și efecte termomecanice localizate controlate la microscală - în cadrul unităților RAPTECH CaviFlow® - Cavitația hidrodinamică poate îmbunătăți amestecarea, transferul de masă și căldură, cinetica reacțiilor și condiționarea materiilor prime. Această analiză evaluează oportunitățile de integrare a cavitației hidrodinamice în desalinizarea țițeiului, cocsificarea întârziată, cracarea catalitică fluidă, hidrotratarea, alchilarea și modernizarea reziduurilor, cu accent pe înțelegerea mecanismului, configurația echipamentelor și constrângerile operaționale.
Rezultatele practice recente - inclusiv amestecarea și modernizarea reziduurilor - demonstrează beneficii măsurabile în amestecarea păcurii grele cu combustibili alternativi. Amestecarea asistată de cavitație a HFO cu 20% FAME a arătat o îmbunătățire a indicilor de vâscozitate, densitate, conținut de sedimente și stabilitate, precum și o reducere a conținutului de cat-fines și îmbunătățiri modeste ale consumului de combustibil. Aceste constatări evidențiază relevanța cavitației hidrodinamice nu numai pentru procesele de rafinare, ci și pentru sectorul combustibililor marini/bunker, în special în contextul ISO 8217:2024, care permite utilizarea combustibililor marini care conțin până la 100% FAME. Rezultatele reflectă o tendință mai largă a industriei către materii prime cu emisii reduse de carbon, regenerabile și mai variabile.
În general, cavitația hidrodinamică și unitățile RAPTECH CaviFlow® reprezintă o cale promițătoare de îmbunătățire a prelucrabilității, de reducere a cerințelor energetice și de sprijinire a tranziției către sisteme de rafinării și de combustibili marini mai durabile. În timp ce majoritatea datelor provin din studii de laborator și la scară pilot, demonstrațiile emergente - inclusiv amestecarea și modernizarea reziduurilor - subliniază potențialul Cavitației Hidrodinamice pentru implementarea industrială practică.
1. Introducere
Procesele de conversie din rafinării sunt esențiale pentru transformarea țițeiului în combustibili pentru transport, materii prime petrochimice și produse cu valoare ridicată. Eficiența și calitatea produselor sunt adesea limitate de eterogenitatea materiilor prime, dezactivarea catalizatorilor, murdărirea și constrângerile legate de transferul de masă. Utilizarea din ce în ce mai frecventă a țițeiurilor grele și extra-gravide, care constituie o parte semnificativă a rezervelor mondiale recuperabile, prezintă provocări suplimentare din cauza vâscozității ridicate, a gravității API scăzute (<20°) și a conținutului ridicat de asfaltene [1]. Aceste proprietăți împiedică transferul de căldură și masă, accelerează murdărirea și sporesc formarea de cocs în procesele termice și catalitice.
Cavitația hidrodinamică a apărut ca o strategie de intensificare a proceselor. Aceasta generează microbulii controlate, puncte fierbinți localizate, forfecare extremă și gradienți de presiune, care pot spori reacțiile chimice, dispersia fazelor și transferul de masă. În comparație cu amestecarea mecanică convențională sau cu aditivii chimici, cavitația hidrodinamică reprezintă o abordare potențial eficientă din punct de vedere energetic și cu un nivel scăzut de substanțe chimice pentru abordarea blocajelor din rafinării [2]. Cavitația hidrodinamică poate fi combinată cu catalizatori, agenți tensioactivi, oxidanți ușori (de ex, H₂O₂, ozon) sau iradiere UV pentru a îmbunătăți în continuare eficiența reacției și rezultatele unei prelucrări mai curate [2].
Din punct de vedere mecanic, cavitarea poate induce modificări la nivel molecular în hidrocarburi, inclusiv dezagregarea asfaltenelor, fisurarea parțială și modificări ale proprietăților reologice, care îmbunătățesc manipularea materiilor prime și eficiența reacției [3]. Extinderea cavitației hidrodinamice la operațiuni industriale este o provocare din cauza absenței unei metode standardizate de cuantificare a intensității cavitației în diferite fluide și necesită costuri ridicate de capital și operaționale [1,4]. Rezultatele studiilor de laborator și ale studiilor pilot sugerează că cavitarea hidrodinamică poate îmbunătăți procesabilitatea și eficiența, deși validarea industrială la scară largă rămâne limitată.
Procesele asistate de cavitarea hidrodinamică pot oferi beneficii operaționale și de mediu, inclusiv reducerea consumului de energie, creșterea randamentului și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Acestea pot completa metodele convenționale de îmbunătățire a calității, care sunt adesea energointensive și au modele de reactoare rd. Numărul de cavitare a fost propus ca parametru sistematic pentru optimizarea proiectării reactoarelor și pentru corelarea datelor experimentale cu aplicațiile practice.
2. Oportunități de cavitație hidrodinamică cu impact ridicat
2.1 Desalinizarea țițeiului (CDU)
Integrarea cavitației hidrodinamice la intrarea în desalinizator poate spori dispersia ulei-apă și eliminarea sării. Micro-turbulența, forfecarea și fluctuațiile de presiune localizate favorizează spargerea emulsiilor stabile, generând picături fine și uniforme care îmbunătățesc contactul apă-ulei și accelerează coalescența. Acest lucru poate duce la scăderea conținutului de sare reziduală, reducerea murdăririi și a coroziunii și îmbunătățirea performanței schimbului de căldură [2]. Unitățile de cavitație hidrodinamică pot fi implementate sub formă de patine compacte în linie cu modificări minime ale infrastructurii de desalinizare existente.
2.2 Cocsificare întârziată (DCU)
Aplicarea cavitației hidrodinamice la reziduurile vidate înainte de încălzitoarele de cocsificare poate îmbunătăți omogenizarea alimentului și poate induce efecte ușoare de pre-upgrading. Forfecarea, microamestecarea și activarea termomecanică localizată promovează dezagregarea parțială a asfaltenelor și reducerea vâscozității, permițând un cracare termică mai uniformă [5,3]. Studiile la scară pilot au raportat îmbunătățiri ale stabilității încălzitorului, reduceri ale depunerii de cocs și creșteri modeste ale randamentelor de produse lichide atunci când cavitarea hidrodinamică este integrată în amonte de cocsare. Menținerea intensității adecvate a cavitației este esențială pentru evitarea pre-cractării excesive, în special în cazul alimentărilor foarte aromatice sau instabile [1,3]. Prin urmare, proiectarea adecvată a sistemului de cavitație hidrodinamică și optimizarea condițiilor de funcționare sunt esențiale pentru o implementare sigură și eficientă.
2.3 Unitatea de cracare catalitică fluidă (FCCU)
Precondiționarea materiilor prime grele (de ex, motorină de vid sau reziduuri) prin intermediul cavitației hidrodinamice poate spori omogenizarea alimentării și poate distruge parțial agregatele bogate în asfaltene și metale, reducând potențial încărcătura efectivă de contaminanți care contribuie la formarea CCR [6]. Forfecarea intensă și microamestecul generat de cavitație pot îmbunătăți, de asemenea, dispersia, transferul de masă și reologia generală a alimentului, ceea ce poate contribui la creșterea eficienței conversiei și la reducerea tendințelor de murdărire. Aceste efecte au fost demonstrate la scară pilot, dar până în prezent nu există date disponibile publicului care să confirme implementarea FCC la scară reală. Integrarea cavitației hidrodinamice în amonte de o unitate FCC necesită o proiectare atentă a interfeței de injecție a alimentării, inclusiv presiunea, temperatura, metalurgia și compatibilitatea cu sistemele existente de preîncălzire și distribuție a alimentării.
2.4 Hidrotratamentere (DHT, CNHT, NHT)
Preamestecarea hidrogen-ulei asistată de cavitație hidrodinamică poate îmbunătăți dispersia H₂ și contactul interfacial, sporind potențial desulfurarea, eliminarea azotului și saturarea olefinelor [2,8]. Micro-turbulența și forfecarea cresc suprafața interfacială disponibilă, atenuând limitările transferului de masă care reduc eficacitatea catalizatorului. Validarea pilotului este recomandată pentru a optimiza severitatea cavitației, timpul de rezidență și integrarea modulului. Modulele de cavitație hidrodinamică proiectate în mod corespunzător - patine rezistente la presiune cu materiale compatibile cu condițiile de proces - pot permite o conversie per trecere mai mare și o mai mare longevitate a catalizatorului.
2.5 Tratarea caustică a combustibilului pentru avioane (JCTU)
În tratarea caustică a combustibilului pentru avioane, cavitația hidrodinamică intensifică contactul dintre soluția caustică și hidrocarburi, îmbunătățind extracția mercaptanilor și stabilitatea produsului. Microamestecarea și reînnoirea interfacială ridicată pot reduce consumul de soluție caustică, menținând sau îmbunătățind performanța de îndulcire. Sistemele de cavitație hidrodinamică în linie permit modernizarea directă cu întreruperea minimă a procesului.
2.6 Unități de alchilare (H₂SO₄ ALKY)
Cavitația hidrodinamică poate spori contactul acid-hidrocarburi în unitățile de alchilare, favorizând condiții de reacție mai uniforme și îmbunătățind potențial cifra octanică și randamentul produsului [6]. Forfecarea ridicată, micro-turbulența și fluctuațiile de presiune accelerează reacțiile catalizate de acid. Implementarea necesită o selecție riguroasă a materialelor, o proiectare rezistentă la coroziune și protocoale de siguranță stricte. Se recomandă validarea la scară pilot înainte de adoptarea la scară largă.
2.7 Îmbunătățirea și amestecarea reziduurilor
Cavitația hidrodinamică poate sprijini atât amestecarea, cât și îmbunătățirea parțială a reziduurilor grele și a reziduurilor de vid prin sporirea dispersiei, reducerea vâscozității și îmbunătățirea stabilității generale a combustibilului.
Aplicații de modernizare
Pentru modernizare, cavitarea promovează dezagregarea asfaltenelor, fisurarea ușoară, reducerea vâscozității, trecerea la fracțiuni mai ușoare și minimizarea nămolului [2-4]. Tratamentul reziduurilor asistat de cavitație hidrodinamică s-a dovedit a fi mai rentabil decât cavitația acustică pentru operațiunile la scară pilot și poate îmbunătăți proprietățile bitumului, desulfurarea și stabilitatea emulsiei în aplicații precum materii prime FCC, hidrotratamente și combustibili marini [4,7,8]. În timp ce majoritatea beneficiilor raportate provin de la scări de laborator și pilot, controlul adecvat al intensității cavitației și al timpului de rezidență este esențial pentru o implementare sigură și eficientă.
Aplicații de amestecare
În operațiunile de amestecare, cavitația hidrodinamică promovează formarea de dispersii fine și stabile între uleiurile grele și componentele cu vâscozitate redusă, cum ar fi biomotorina sau uleiurile de piroliză. Forfecarea ridicată și micro-turbulența generate în timpul cavitării îmbunătățesc miscibilitatea, reduc tendința de separare a fazelor și sporesc omogenitatea în timpul depozitării și manipulării.
Testele independente efectuate la Bureau Veritas și în laboratoarele de fizică a datelor au confirmat aceste îmbunătățiri. Tabelul 1 rezumă o comparație între HFO 380 amestecat cu 20% biodiesel (FAME) folosind amestecarea manuală convențională (HD) și amestecarea asistată de cavitare (CF) cu sistemul CaviFlow® de la RAPTECH. Metoda asistată de cavitare a produs îmbunătățiri măsurabile în ceea ce privește densitatea, vâscozitatea, conținutul de sulf, conținutul de cenușă, nivelurile de sedimente și indicele mediu de stabilitate (MSI), reducând în același timp concentrația de cat-fines. Testarea motoarelor de către FVTR GmbH a raportat, de asemenea, o reducere modestă (~1%) a consumului de combustibil pentru amestecul HFO-20% FAME tratat prin cavitare.
În funcție de dimensiunea navei, profilul operațional și prețul combustibilului, astfel de îmbunătățiri ale proprietăților se pot traduce în beneficii operaționale semnificative în sectorul maritim, unde păcura grea rămâne o sursă de energie dominantă.
Tabelul 1. Comparație între HFO 380 amestecat cu 20% biodiesel (FAME) folosind amestecarea manuală convențională (HD) și amestecarea asistată de cavitare (CF).
(1) Uleiurile grele cu °API < 22.3 sunt clasificate de obicei ca "păcură grea".
(2) Deși punctul de aprindere a scăzut, ambele amestecuri rămân cu mult peste limitele minime ISO 8217 pentru combustibilii marini reziduali, asigurând conformitatea cu reglementările de siguranță.
3. Concluzie
Cavitația hidrodinamică reprezintă un instrument versatil de intensificare a procesului, capabil să abordeze mai multe provocări persistente în rafinarea petrolului, inclusiv eterogenitatea materiilor prime, limitările transferului de masă, murdărirea și prelucrarea reziduurilor cu vâscozitate ridicată. În desalinizarea țițeiului, unitățile de conversie termică și catalitică, tratarea caustică și alchilarea, cavitația hidrodinamică oferă posibilitatea de a îmbunătăți dispersia, uniformitatea reacției și stabilitatea operațională, reducând în același timp consumul de energie și impactul asupra mediului.
Rezultatele promițătoare demonstrate pentru îmbunătățirea reziduurilor și amestecarea asistată de cavitație - în special manipularea și stabilitatea îmbunătățită a amestecurilor HFO-FAME - subliniază relevanța cavitației hidrodinamice pe măsură ce atât sectorul rafinării, cât și cel al combustibililor marini/bunker fac tranziția către fluxuri de combustibili mai diverse și mai regenerabile. Introducerea standardului ISO 8217:2024 [9], care permite utilizarea combustibililor marini care conțin până la 100% FAME, amplifică și mai mult nevoia de tehnologii care pot stabiliza amestecurile de fracțiuni petroliere grele cu combustibili alternativi. Capacitatea cavitației hidrodinamice de a reduce vâscozitatea, de a îmbunătăți stabilitatea fazei și de a atenua problemele legate de sedimente și contaminanți o poziționează ca un instrument practic în acest peisaj în evoluție.
Adoptarea industrială de succes va depinde de:
Deși dovezile actuale sunt predominant la scară pilot, tratarea uleiurilor grele și amestecarea combustibililor asistate de cavitație hidrodinamică demonstrează căile încurajatoare pentru creșterea eficienței rafinăriilor, permițând integrarea combustibililor alternativi și susținând obiective mai largi de decarbonizare și durabilitate [4]. Aceste beneficii sunt direct aplicabile sectorului combustibilului maritim/bunker, oferind îmbunătățiri operaționale, de mediu și ale calității combustibilului.
Autor: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referințe
Rezultatele practice recente - inclusiv amestecarea și modernizarea reziduurilor - demonstrează beneficii măsurabile în amestecarea păcurii grele cu combustibili alternativi. Amestecarea asistată de cavitație a HFO cu 20% FAME a arătat o îmbunătățire a indicilor de vâscozitate, densitate, conținut de sedimente și stabilitate, precum și o reducere a conținutului de cat-fines și îmbunătățiri modeste ale consumului de combustibil. Aceste constatări evidențiază relevanța cavitației hidrodinamice nu numai pentru procesele de rafinare, ci și pentru sectorul combustibililor marini/bunker, în special în contextul ISO 8217:2024, care permite utilizarea combustibililor marini care conțin până la 100% FAME. Rezultatele reflectă o tendință mai largă a industriei către materii prime cu emisii reduse de carbon, regenerabile și mai variabile.
În general, cavitația hidrodinamică și unitățile RAPTECH CaviFlow® reprezintă o cale promițătoare de îmbunătățire a prelucrabilității, de reducere a cerințelor energetice și de sprijinire a tranziției către sisteme de rafinării și de combustibili marini mai durabile. În timp ce majoritatea datelor provin din studii de laborator și la scară pilot, demonstrațiile emergente - inclusiv amestecarea și modernizarea reziduurilor - subliniază potențialul Cavitației Hidrodinamice pentru implementarea industrială practică.
1. Introducere
Procesele de conversie din rafinării sunt esențiale pentru transformarea țițeiului în combustibili pentru transport, materii prime petrochimice și produse cu valoare ridicată. Eficiența și calitatea produselor sunt adesea limitate de eterogenitatea materiilor prime, dezactivarea catalizatorilor, murdărirea și constrângerile legate de transferul de masă. Utilizarea din ce în ce mai frecventă a țițeiurilor grele și extra-gravide, care constituie o parte semnificativă a rezervelor mondiale recuperabile, prezintă provocări suplimentare din cauza vâscozității ridicate, a gravității API scăzute (<20°) și a conținutului ridicat de asfaltene [1]. Aceste proprietăți împiedică transferul de căldură și masă, accelerează murdărirea și sporesc formarea de cocs în procesele termice și catalitice.
Cavitația hidrodinamică a apărut ca o strategie de intensificare a proceselor. Aceasta generează microbulii controlate, puncte fierbinți localizate, forfecare extremă și gradienți de presiune, care pot spori reacțiile chimice, dispersia fazelor și transferul de masă. În comparație cu amestecarea mecanică convențională sau cu aditivii chimici, cavitația hidrodinamică reprezintă o abordare potențial eficientă din punct de vedere energetic și cu un nivel scăzut de substanțe chimice pentru abordarea blocajelor din rafinării [2]. Cavitația hidrodinamică poate fi combinată cu catalizatori, agenți tensioactivi, oxidanți ușori (de ex, H₂O₂, ozon) sau iradiere UV pentru a îmbunătăți în continuare eficiența reacției și rezultatele unei prelucrări mai curate [2].
Din punct de vedere mecanic, cavitarea poate induce modificări la nivel molecular în hidrocarburi, inclusiv dezagregarea asfaltenelor, fisurarea parțială și modificări ale proprietăților reologice, care îmbunătățesc manipularea materiilor prime și eficiența reacției [3]. Extinderea cavitației hidrodinamice la operațiuni industriale este o provocare din cauza absenței unei metode standardizate de cuantificare a intensității cavitației în diferite fluide și necesită costuri ridicate de capital și operaționale [1,4]. Rezultatele studiilor de laborator și ale studiilor pilot sugerează că cavitarea hidrodinamică poate îmbunătăți procesabilitatea și eficiența, deși validarea industrială la scară largă rămâne limitată.
Procesele asistate de cavitarea hidrodinamică pot oferi beneficii operaționale și de mediu, inclusiv reducerea consumului de energie, creșterea randamentului și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Acestea pot completa metodele convenționale de îmbunătățire a calității, care sunt adesea energointensive și au modele de reactoare rd. Numărul de cavitare a fost propus ca parametru sistematic pentru optimizarea proiectării reactoarelor și pentru corelarea datelor experimentale cu aplicațiile practice.
2. Oportunități de cavitație hidrodinamică cu impact ridicat
2.1 Desalinizarea țițeiului (CDU)
Integrarea cavitației hidrodinamice la intrarea în desalinizator poate spori dispersia ulei-apă și eliminarea sării. Micro-turbulența, forfecarea și fluctuațiile de presiune localizate favorizează spargerea emulsiilor stabile, generând picături fine și uniforme care îmbunătățesc contactul apă-ulei și accelerează coalescența. Acest lucru poate duce la scăderea conținutului de sare reziduală, reducerea murdăririi și a coroziunii și îmbunătățirea performanței schimbului de căldură [2]. Unitățile de cavitație hidrodinamică pot fi implementate sub formă de patine compacte în linie cu modificări minime ale infrastructurii de desalinizare existente.
2.2 Cocsificare întârziată (DCU)
Aplicarea cavitației hidrodinamice la reziduurile vidate înainte de încălzitoarele de cocsificare poate îmbunătăți omogenizarea alimentului și poate induce efecte ușoare de pre-upgrading. Forfecarea, microamestecarea și activarea termomecanică localizată promovează dezagregarea parțială a asfaltenelor și reducerea vâscozității, permițând un cracare termică mai uniformă [5,3]. Studiile la scară pilot au raportat îmbunătățiri ale stabilității încălzitorului, reduceri ale depunerii de cocs și creșteri modeste ale randamentelor de produse lichide atunci când cavitarea hidrodinamică este integrată în amonte de cocsare. Menținerea intensității adecvate a cavitației este esențială pentru evitarea pre-cractării excesive, în special în cazul alimentărilor foarte aromatice sau instabile [1,3]. Prin urmare, proiectarea adecvată a sistemului de cavitație hidrodinamică și optimizarea condițiilor de funcționare sunt esențiale pentru o implementare sigură și eficientă.
2.3 Unitatea de cracare catalitică fluidă (FCCU)
Precondiționarea materiilor prime grele (de ex, motorină de vid sau reziduuri) prin intermediul cavitației hidrodinamice poate spori omogenizarea alimentării și poate distruge parțial agregatele bogate în asfaltene și metale, reducând potențial încărcătura efectivă de contaminanți care contribuie la formarea CCR [6]. Forfecarea intensă și microamestecul generat de cavitație pot îmbunătăți, de asemenea, dispersia, transferul de masă și reologia generală a alimentului, ceea ce poate contribui la creșterea eficienței conversiei și la reducerea tendințelor de murdărire. Aceste efecte au fost demonstrate la scară pilot, dar până în prezent nu există date disponibile publicului care să confirme implementarea FCC la scară reală. Integrarea cavitației hidrodinamice în amonte de o unitate FCC necesită o proiectare atentă a interfeței de injecție a alimentării, inclusiv presiunea, temperatura, metalurgia și compatibilitatea cu sistemele existente de preîncălzire și distribuție a alimentării.
2.4 Hidrotratamentere (DHT, CNHT, NHT)
Preamestecarea hidrogen-ulei asistată de cavitație hidrodinamică poate îmbunătăți dispersia H₂ și contactul interfacial, sporind potențial desulfurarea, eliminarea azotului și saturarea olefinelor [2,8]. Micro-turbulența și forfecarea cresc suprafața interfacială disponibilă, atenuând limitările transferului de masă care reduc eficacitatea catalizatorului. Validarea pilotului este recomandată pentru a optimiza severitatea cavitației, timpul de rezidență și integrarea modulului. Modulele de cavitație hidrodinamică proiectate în mod corespunzător - patine rezistente la presiune cu materiale compatibile cu condițiile de proces - pot permite o conversie per trecere mai mare și o mai mare longevitate a catalizatorului.
2.5 Tratarea caustică a combustibilului pentru avioane (JCTU)
În tratarea caustică a combustibilului pentru avioane, cavitația hidrodinamică intensifică contactul dintre soluția caustică și hidrocarburi, îmbunătățind extracția mercaptanilor și stabilitatea produsului. Microamestecarea și reînnoirea interfacială ridicată pot reduce consumul de soluție caustică, menținând sau îmbunătățind performanța de îndulcire. Sistemele de cavitație hidrodinamică în linie permit modernizarea directă cu întreruperea minimă a procesului.
2.6 Unități de alchilare (H₂SO₄ ALKY)
Cavitația hidrodinamică poate spori contactul acid-hidrocarburi în unitățile de alchilare, favorizând condiții de reacție mai uniforme și îmbunătățind potențial cifra octanică și randamentul produsului [6]. Forfecarea ridicată, micro-turbulența și fluctuațiile de presiune accelerează reacțiile catalizate de acid. Implementarea necesită o selecție riguroasă a materialelor, o proiectare rezistentă la coroziune și protocoale de siguranță stricte. Se recomandă validarea la scară pilot înainte de adoptarea la scară largă.
2.7 Îmbunătățirea și amestecarea reziduurilor
Cavitația hidrodinamică poate sprijini atât amestecarea, cât și îmbunătățirea parțială a reziduurilor grele și a reziduurilor de vid prin sporirea dispersiei, reducerea vâscozității și îmbunătățirea stabilității generale a combustibilului.
Aplicații de modernizare
Pentru modernizare, cavitarea promovează dezagregarea asfaltenelor, fisurarea ușoară, reducerea vâscozității, trecerea la fracțiuni mai ușoare și minimizarea nămolului [2-4]. Tratamentul reziduurilor asistat de cavitație hidrodinamică s-a dovedit a fi mai rentabil decât cavitația acustică pentru operațiunile la scară pilot și poate îmbunătăți proprietățile bitumului, desulfurarea și stabilitatea emulsiei în aplicații precum materii prime FCC, hidrotratamente și combustibili marini [4,7,8]. În timp ce majoritatea beneficiilor raportate provin de la scări de laborator și pilot, controlul adecvat al intensității cavitației și al timpului de rezidență este esențial pentru o implementare sigură și eficientă.
Aplicații de amestecare
În operațiunile de amestecare, cavitația hidrodinamică promovează formarea de dispersii fine și stabile între uleiurile grele și componentele cu vâscozitate redusă, cum ar fi biomotorina sau uleiurile de piroliză. Forfecarea ridicată și micro-turbulența generate în timpul cavitării îmbunătățesc miscibilitatea, reduc tendința de separare a fazelor și sporesc omogenitatea în timpul depozitării și manipulării.
Testele independente efectuate la Bureau Veritas și în laboratoarele de fizică a datelor au confirmat aceste îmbunătățiri. Tabelul 1 rezumă o comparație între HFO 380 amestecat cu 20% biodiesel (FAME) folosind amestecarea manuală convențională (HD) și amestecarea asistată de cavitare (CF) cu sistemul CaviFlow® de la RAPTECH. Metoda asistată de cavitare a produs îmbunătățiri măsurabile în ceea ce privește densitatea, vâscozitatea, conținutul de sulf, conținutul de cenușă, nivelurile de sedimente și indicele mediu de stabilitate (MSI), reducând în același timp concentrația de cat-fines. Testarea motoarelor de către FVTR GmbH a raportat, de asemenea, o reducere modestă (~1%) a consumului de combustibil pentru amestecul HFO-20% FAME tratat prin cavitare.
În funcție de dimensiunea navei, profilul operațional și prețul combustibilului, astfel de îmbunătățiri ale proprietăților se pot traduce în beneficii operaționale semnificative în sectorul maritim, unde păcura grea rămâne o sursă de energie dominantă.
Tabelul 1. Comparație între HFO 380 amestecat cu 20% biodiesel (FAME) folosind amestecarea manuală convențională (HD) și amestecarea asistată de cavitare (CF).
| Parametru | Unitate | Blending (HD) | Amestecare (CF) | Îmbunătățire (%) |
|---|---|---|---|---|
| Densitate la 50°C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Vâscozitate cinematică la 50°C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Conținut de sulf | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Conținutul de cenușă | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Punct de turnare | °C | -15 | -15 | 0 |
| Punct de aprindere (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Potențial sedimentar total | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Sedimente totale Existent | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Indicele mediu de stabilitate (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Finisaje pentru pisici (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Uleiurile grele cu °API < 22.3 sunt clasificate de obicei ca "păcură grea".
(2) Deși punctul de aprindere a scăzut, ambele amestecuri rămân cu mult peste limitele minime ISO 8217 pentru combustibilii marini reziduali, asigurând conformitatea cu reglementările de siguranță.
3. Concluzie
Cavitația hidrodinamică reprezintă un instrument versatil de intensificare a procesului, capabil să abordeze mai multe provocări persistente în rafinarea petrolului, inclusiv eterogenitatea materiilor prime, limitările transferului de masă, murdărirea și prelucrarea reziduurilor cu vâscozitate ridicată. În desalinizarea țițeiului, unitățile de conversie termică și catalitică, tratarea caustică și alchilarea, cavitația hidrodinamică oferă posibilitatea de a îmbunătăți dispersia, uniformitatea reacției și stabilitatea operațională, reducând în același timp consumul de energie și impactul asupra mediului.
Rezultatele promițătoare demonstrate pentru îmbunătățirea reziduurilor și amestecarea asistată de cavitație - în special manipularea și stabilitatea îmbunătățită a amestecurilor HFO-FAME - subliniază relevanța cavitației hidrodinamice pe măsură ce atât sectorul rafinării, cât și cel al combustibililor marini/bunker fac tranziția către fluxuri de combustibili mai diverse și mai regenerabile. Introducerea standardului ISO 8217:2024 [9], care permite utilizarea combustibililor marini care conțin până la 100% FAME, amplifică și mai mult nevoia de tehnologii care pot stabiliza amestecurile de fracțiuni petroliere grele cu combustibili alternativi. Capacitatea cavitației hidrodinamice de a reduce vâscozitatea, de a îmbunătăți stabilitatea fazei și de a atenua problemele legate de sedimente și contaminanți o poziționează ca un instrument practic în acest peisaj în evoluție.
Adoptarea industrială de succes va depinde de:
- Controlul precis al intensității cavitației pentru a echilibra creșterea eficienței cu integritatea echipamentului.
- Asigurarea compatibilității cu fluxurile de proces cu temperatură ridicată, corozive sau cu vâscozitate ridicată.
- Integrarea modulelor HC în configurațiile existente ale rafinăriilor fără a perturba controlul proceselor critice.
Deși dovezile actuale sunt predominant la scară pilot, tratarea uleiurilor grele și amestecarea combustibililor asistate de cavitație hidrodinamică demonstrează căile încurajatoare pentru creșterea eficienței rafinăriilor, permițând integrarea combustibililor alternativi și susținând obiective mai largi de decarbonizare și durabilitate [4]. Aceste beneficii sunt direct aplicabile sectorului combustibilului maritim/bunker, oferind îmbunătățiri operaționale, de mediu și ale calității combustibilului.
Autor: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referințe
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Îmbunătățirea uleiului greu: Deblocarea viitoarei rezerve de combustibil. Petroleum Science and Technology, 2016, 34(4), 303-308. DOI: 10.1080/10916466.2015.1136949.
- Panda, D.; Saharan, V. K.; Manickam, S. Cavitație hidrodinamică controlată: O revizuire a progreselor recente și a perspectivelor pentru o prelucrare mai ecologică. Procese, 2020, 8, 220. DOI: 10.3390/pr8020220.
- Kuimov, D.; Minkin, M.; Yurov, A.; Lukyanov, A. Stadiul actual al cercetării privind mecanismul efectelor de cavitație în tratarea produselor petroliere lichide - Revizuire și propuneri pentru continuarea cercetării. Fluide, 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. Studiu experimental privind reducerea vâscozității uleiului greu de către donatorii de hidrogen utilizând un jet de cavitație. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Aplicarea cavitației în prelucrarea petrolului: O prezentare generală a mecanismelor și a rezultatelor tratamentului. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. O comparație sistematică a diferitelor tehnici de modernizare pentru petrolul greu. 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. Tehnologii mai curate bazate pe cavitație pentru producția de biodiesel și prelucrarea fluxurilor de hidrocarburi: O perspectivă asupra fundamentelor cheie, date de proces lipsă și fezabilitate economică - O revizuire. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- Grupul de lucru CIMAC Fuels. Linia directoare CIMAC: Combustibili marini care conțin FAME - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
