Hydrodynamická kavitácia je nová, energeticky účinná technológia intenzifikácie procesov s potenciálom zvýšiť účinnosť, výnos a udržateľnosť v kľúčových rafinérskych operáciách. Vytváraním riadeného mikrorozmerného strihu, turbulencie a lokalizovaných tepelno-mechanických efektov - v rámci jednotiek CaviFlow® spoločnosti RAPTECH - môže hydrodynamická kavitácia zlepšiť miešanie, prenos hmoty a tepla, reakčnú kinetiku a úpravu surovín. Tento prehľad hodnotí možnosti integrácie hydrodynamickej kavitácie pri odsoľovaní surovej ropy, oneskorenom koksovaní, fluidnom katalytickom krakovaní, hydrogenačnej úprave, alkylácii a zušľachťovaní zvyškov s dôrazom na mechanistické poznatky, konfiguráciu zariadení a prevádzkové obmedzenia.
Nedávne praktické výsledky - vrátane miešania zvyškov a zušľachťovania - ukazujú merateľné prínosy pri miešaní ťažkého vykurovacieho oleja s alternatívnymi palivami. Kavitačne podporované miešanie HFO s 20 % FAME preukázalo zlepšenie viskozity, hustoty, obsahu usadenín a indexov stability, ako aj zníženie obsahu mačacích jemných častíc a mierne zlepšenie spotreby paliva. Tieto zistenia zdôrazňujú význam hydrodynamickej kavitácie nielen pre rafinérske procesy, ale aj pre sektor námorných palív, najmä v kontexte normy ISO 8217:2024, ktorá povoľuje námorné palivá obsahujúce až 100 % FAME. Výsledky odrážajú širší priemyselný trend smerom k nízkouhlíkovým, obnoviteľným a variabilnejším vstupným surovinám.
Celkovo hydrodynamická kavitácia a jednotky CaviFlow® spoločnosti RAPTECH predstavujú sľubnú cestu k zlepšeniu spracovateľnosti, zníženiu energetických požiadaviek a podpore prechodu k udržateľnejším rafinérskym a lodným palivovým systémom. Hoci väčšina údajov pochádza z laboratórnych a pilotných štúdií, vznikajúce demonštrácie - vrátane miešania zvyškov a modernizácie - zdôrazňujú potenciál hydrodynamickej kavitácie pre praktické priemyselné nasadenie.
1. Úvod
Rafinérske konverzné procesy sú kľúčové pri premene surovej ropy na dopravné palivá, petrochemické suroviny a vysokohodnotné produkty. Účinnosť a kvalita produktov sú často obmedzené heterogenitou vstupných surovín, deaktiváciou katalyzátorov, zanášaním a obmedzeniami prenosu hmoty. Rastúce využívanie ťažkých a veľmi ťažkých ropných olejov, ktoré predstavujú významnú časť vyťažiteľných svetových zásob, predstavuje ďalšie výzvy v dôsledku vysokej viskozity, nízkej hmotnosti API (< 20°) a zvýšeného obsahu asfalténov [1]. Tieto vlastnosti bránia prenosu tepla a hmoty, urýchľujú zanášanie a zvyšujú tvorbu koksu v tepelných a katalytických procesoch.
Hydrodynamická kavitácia sa stala apromitujúcou stratégiou intenzifikácie procesov. Vytvára kontrolované mikrobublinky, lokalizované horúce body, extrémny strih a tlakové gradienty, ktoré môžu zlepšiť chemické reakcie, disperziu fáz a prenos hmoty. V porovnaní s konvenčným mechanickým miešaním alebo chemickými prísadami predstavuje hydrodynamická kavitácia potenciálne energeticky účinný a nízkochemický prístup k riešeniu problematických miest v rafinérii [2]. Hydrodynamickú kavitáciu možno kombinovať s katalyzátormi, povrchovo aktívnymi látkami, miernymi oxidantmi (napr, H₂O₂, ozón) alebo UV žiarením na ďalšie zlepšenie účinnosti reakcie a čistejších výsledkov spracovania [2].
Mechanicky môže kavitácia vyvolať modifikácie uhľovodíkov na molekulárnej úrovni vrátane dezagregácie asfalténov, čiastočného štiepenia a zmien reologických vlastností, ktoré zlepšujú manipuláciu so surovinami a účinnosť reakcie [3]. Rozšírenie hydrodynamickej kavitácie do priemyselných prevádzok je náročné z dôvodu absencie štandardizovanej metódy na kvantifikáciu intenzity kavitácie v rôznych kvapalinách a vyžaduje vysoké kapitálové a prevádzkové náklady [1,4]. Dôkazy z laboratórnych a pilotných štúdií naznačujú, že hydrodynamická kavitácia môže zlepšiť spracovateľnosť a účinnosť, hoci priemyselné overovanie v plnom rozsahu je stále obmedzené.
Procesy s podporou hydrodynamickej kavitácie môžu ponúknuť prevádzkové a environmentálne výhody vrátane zníženej spotreby energie, zvýšeného výkonu a nižších emisií skleníkových plynov. Môžu dopĺňať konvenčné metódy zušľachťovania, ktoré sú často energeticky náročné a rd konštrukcie reaktorov. Kavitačné číslo bolo navrhnuté ako systematický parameter na optimalizáciu konštrukcie reaktora a prepojenie experimentálnych údajov s praktickými aplikáciami.
2. Možnosti vysokoúčinnej hydrodynamickej kavitácie
2.1 Odsoľovanie ropy (CDU)
Začlenenie hydrodynamickej kavitácie na vstupe do odsoľovača môže zlepšiť disperziu ropy a vody a odstránenie solí. Mikroturbulencia, strih a lokalizované kolísanie tlaku podporujú rozpad stabilných emulzií a vytvárajú jemné, rovnomerné kvapôčky, ktoré zlepšujú kontakt vody s olejom a urýchľujú koalescenciu. To môže mať za následok nižší obsah zvyškovej soli, zníženie zanášania a korózie a zlepšenie výkonu výmeny tepla [2]. Hydrodynamické kavitačné jednotky sa dajú implementovať ako kompaktné inline lišty s minimálnymi úpravami existujúcej odsoľovacej infraštruktúry.
2.2 Oneskorené koksovanie (DCU)
Použitie hydrodynamickej kavitácie na vákuový zvyšok pred koksovacími ohrievačmi môže zlepšiť homogenizáciu krmiva a vyvolať mierne účinky predúpravy. Strih, mikromiešanie a lokalizovaná tepelno-mechanická aktivácia podporujú čiastočnú dezagregáciu asfalténu a zníženie viskozity, čo umožňuje rovnomernejšie tepelné krakovanie [5,3]. V pilotných štúdiách sa zaznamenalo zlepšenie stability ohrievača, zníženie usadzovania koksu a mierne zvýšenie výťažkov kvapalných produktov, keď sa hydrodynamická kavitácia začlení pred koksovanie. Udržiavanie vhodnej intenzity kavitácie je nevyhnutné na to, aby sa zabránilo nadmernému predkrekovaniu, najmä pri vysoko aromatických alebo nestabilných surovinách [1,3]. Správny návrh systému hydrodynamickej kavitácie a optimalizácia prevádzkových podmienok sú preto rozhodujúce pre bezpečnú a efektívnu implementáciu.
2.3 Jednotka fluidného katalytického krakovania (FCCU)
Predúprava ťažkých surovín (napr, vákuový plynový olej alebo zvyšky) prostredníctvom hydrodynamickej kavitácie môže zvýšiť homogenizáciu krmiva a čiastočne narušiť agregáty bohaté na asfaltén a kovy, čo môže znížiť efektívne zaťaženie kontaminantmi, ktoré prispievajú k tvorbe CCR [6]. Intenzívny strih a mikromiešanie, ktoré vznikajú pri kavitácii, môžu tiež zlepšiť disperziu, prenos hmoty a celkovú reológiu krmiva, čo môže podporiť vyššiu účinnosť konverzie a znížiť tendenciu k zanášaniu. Tieto účinky boli preukázané v pilotnom meradle, ale doteraz nie sú verejne dostupné údaje potvrdzujúce realizáciu FCC v plnom rozsahu. Integrácia hydrodynamickej kavitácie pred jednotkou FCC si vyžaduje starostlivé projektovanie rozhrania vstrekovania krmiva vrátane tlaku, teploty, metalurgie a kompatibility s existujúcimi systémami predhrievania a distribúcie krmiva.
2.4 Hydrogenačné zariadenia (DHT, CNHT, NHT)
Hydrodynamická kavitácia s asistenciou predmiešavania vodíka a oleja môže zlepšiť disperziu H₂ a medzifázový kontakt, čím sa potenciálne zlepší odsírenie, odstránenie dusíka a nasýtenie olefínov [2,8]. Mikroturbulencia a strih zvyšujú dostupnú medzifázovú plochu, čím zmierňujú obmedzenia prenosu hmoty, ktoré znižujú účinnosť katalyzátora. Odporúča sa pilotné overovanie s cieľom optimalizovať intenzitu kavitácie, čas zdržania a integráciu modulu. Správne navrhnuté moduly hydrodynamickej kavitácie - tlakové klzné plochy s materiálmi kompatibilnými s podmienkami procesu - môžu podporiť vyššiu konverziu na jeden priechod a lepšiu životnosť katalyzátora.
2.5 Kaustická úprava leteckého paliva (JCTU )
Pri kaustickej úprave leteckého paliva hydrodynamická kavitácia zintenzívňuje kontakt medzi kaustickým roztokom a uhľovodíkmi, čím zlepšuje extrakciu merkaptánu a stabilitu produktu. Mikromiešanie a vysoká medzifázová obnova môžu znížiť spotrebu kaustika pri zachovaní alebo zvýšení výkonu sladenia. Inline hydrodynamické kavitačné systémy umožňujú priamu modernizáciu s minimálnym narušením procesu.
2.6 Alkylačné jednotky (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynamická kavitácia môže zlepšiť kontakt kyseliny s uhľovodíkom v alkylačných jednotkách, podporiť rovnomernejšie reakčné podmienky a potenciálne zlepšiť oktánové číslo a výťažok produktu [6]. Vysoký strih, mikroturbulencia a kolísanie tlaku urýchľujú reakcie katalyzované kyselinami. Realizácia si vyžaduje prísny výber materiálov, konštrukciu odolnú voči korózii a prísne bezpečnostné protokoly. Pred zavedením v plnom rozsahu sa odporúča overenie v pilotnom meradle.
2.7 Zušľachťovanie a zmiešavanie zvyškov
Hydrodynamická kavitácia môže podporiť zmiešavanie aj čiastočné zušľachťovanie ťažkých zvyškov a vákuových zvyškov zvýšením disperzie, znížením viskozity a zlepšením celkovej stability paliva.
Aplikácie pri modernizácii
Pri modernizácii kavitácia podporuje disagregáciu asfalténov, mierne krakovanie, zníženie viskozity, posun smerom k ľahším frakciám a minimalizáciu kalov [2-4]. Ukázalo sa, že úprava zvyškov s asistenciou hydrodynamickej kavitácie je pri pilotných prevádzkach nákladovo efektívnejšia ako akustická kavitácia a môže zlepšiť vlastnosti bitúmenu, odsírenie a stabilitu emulzie v aplikáciách, ako sú FCC suroviny, hydrogenačné zariadenia a lodné palivá [4,7,8]. Hoci väčšina uvádzaných prínosov pochádza z laboratórnych a pilotných meradiel, správna kontrola intenzity kavitácie a času zotrvania je rozhodujúca pre bezpečnú a účinnú implementáciu.
Aplikácie pri miešaní
Pri miešaní hydrodynamická kavitácia podporuje tvorbu jemných, stabilných disperzií medzi ťažkými olejmi a zložkami s nižšou viskozitou, ako je bionafta alebo pyrolýzne oleje. Vysoký strih a mikroturbulencie vznikajúce počas kavitácie zlepšujú miešateľnosť, znižujú náchylnosť na oddeľovanie fáz a zvyšujú homogenitu počas skladovania a manipulácie.
Nezávislé testovanie v laboratóriách Bureau Veritas a dátových fyzikách tieto zlepšenia potvrdilo. V tabuľke 1 je zhrnuté porovnanie HFO 380 zmiešaného s 20 % bionafty (FAME) pomocou konvenčného ručného miešania (HD) a miešania s kavitačnou asistenciou (CF) so systémom CaviFlow® spoločnosti RAPTECH. Metóda s asistenciou kavitácie priniesla merateľné zlepšenie hustoty, viskozity, obsahu síry, obsahu popola, úrovne sedimentov a stredného indexu stability (MSI) a zároveň znížila koncentráciu mačacích jemných častíc. Testovanie motorov spoločnosťou FVTR GmbH navyše zaznamenalo mierne (~1 %) zníženie spotreby paliva pri zmesi HFO - 20 % FAME upravenej kavitáciou.
V závislosti od veľkosti plavidla, prevádzkového profilu a ceny paliva sa takéto zlepšenia vlastností môžu premietnuť do významných prevádzkových výhod v námornom sektore, kde ťažký vykurovací olej zostáva dominantným zdrojom energie.
Tabuľka 1. Porovnanie HFO 380 zmiešaného s 20 % bionafty (FAME) pomocou konvenčného ručného miešania (HD) a miešania s kavitačnou asistenciou (CF).
(1) Ťažké oleje s °API < 22.3 sa zvyčajne klasifikujú ako "ťažký vykurovací olej".
(2) Hoci sa teplota vzplanutia znížila, obe zmesi zostávajú vysoko nad minimálnymi limitmi ISO 8217 pre zvyškové lodné palivá, čo zabezpečuje súlad s bezpečnostnými predpismi.
3. Záver
Hydrodynamická kavitácia predstavuje univerzálny nástroj na intenzifikáciu procesov, ktorý je schopný riešiť niekoľko pretrvávajúcich výziev v rafinácii ropy vrátane heterogenity vstupných surovín, obmedzení prenosu hmoty, zanášania a spracovania zvyškov s vysokou viskozitou. Hydrodynamická kavitácia ponúka možnosti zlepšenia disperzie, reakčnej rovnomernosti a prevádzkovej stability pri súčasnom potenciálnom znížení spotreby energie a vplyvu na životné prostredie. Sľubné výsledky preukázané pri zušľachťovaní zvyškov a miešaní s asistenciou kavitácie - najmä lepšia manipulácia a stabilita zmesí HFO-FAME - zdôrazňujú význam hydrodynamickej kavitácie pri prechode rafinérskeho aj námorného/zásobníkového palivového sektora na rozmanitejšie a obnoviteľné palivové prúdy. Zavedenie normy ISO 8217:2024 [9], ktorá umožňuje používanie lodných palív obsahujúcich až 100 % FAME, ďalej zvyšuje potrebu technológií, ktoré dokážu stabilizovať zmesi ťažkých ropných frakcií s alternatívnymi palivami. Schopnosť hydrodynamickej kavitácie znižovať viskozitu, zlepšovať stabilitu fáz a zmierňovať problémy so sedimentmi a kontaminantmi ju stavia do pozície praktického pomocníka v tejto rozvíjajúcej sa krajine.
Úspešné priemyselné prijatie bude závisieť od:
Hoci súčasné dôkazy sú prevažne v pilotnom meradle, hydrodynamickou kavitáciou asistované spracovanie ťažkého oleja a miešanie palív ukazujú povzbudivé cesty na zvýšenie účinnosti rafinérií, umožnenie integrácie alternatívnych palív a podporu širších cieľov dekarbonizácie a udržateľnosti [4]. Tieto výhody sú priamo uplatniteľné v sektore námorných palív/palív do zásobníkov, pričom poskytujú zlepšenie prevádzky, životného prostredia a kvality paliva.
Autor: Mgr: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencie
Nedávne praktické výsledky - vrátane miešania zvyškov a zušľachťovania - ukazujú merateľné prínosy pri miešaní ťažkého vykurovacieho oleja s alternatívnymi palivami. Kavitačne podporované miešanie HFO s 20 % FAME preukázalo zlepšenie viskozity, hustoty, obsahu usadenín a indexov stability, ako aj zníženie obsahu mačacích jemných častíc a mierne zlepšenie spotreby paliva. Tieto zistenia zdôrazňujú význam hydrodynamickej kavitácie nielen pre rafinérske procesy, ale aj pre sektor námorných palív, najmä v kontexte normy ISO 8217:2024, ktorá povoľuje námorné palivá obsahujúce až 100 % FAME. Výsledky odrážajú širší priemyselný trend smerom k nízkouhlíkovým, obnoviteľným a variabilnejším vstupným surovinám.
Celkovo hydrodynamická kavitácia a jednotky CaviFlow® spoločnosti RAPTECH predstavujú sľubnú cestu k zlepšeniu spracovateľnosti, zníženiu energetických požiadaviek a podpore prechodu k udržateľnejším rafinérskym a lodným palivovým systémom. Hoci väčšina údajov pochádza z laboratórnych a pilotných štúdií, vznikajúce demonštrácie - vrátane miešania zvyškov a modernizácie - zdôrazňujú potenciál hydrodynamickej kavitácie pre praktické priemyselné nasadenie.
1. Úvod
Rafinérske konverzné procesy sú kľúčové pri premene surovej ropy na dopravné palivá, petrochemické suroviny a vysokohodnotné produkty. Účinnosť a kvalita produktov sú často obmedzené heterogenitou vstupných surovín, deaktiváciou katalyzátorov, zanášaním a obmedzeniami prenosu hmoty. Rastúce využívanie ťažkých a veľmi ťažkých ropných olejov, ktoré predstavujú významnú časť vyťažiteľných svetových zásob, predstavuje ďalšie výzvy v dôsledku vysokej viskozity, nízkej hmotnosti API (< 20°) a zvýšeného obsahu asfalténov [1]. Tieto vlastnosti bránia prenosu tepla a hmoty, urýchľujú zanášanie a zvyšujú tvorbu koksu v tepelných a katalytických procesoch.
Hydrodynamická kavitácia sa stala apromitujúcou stratégiou intenzifikácie procesov. Vytvára kontrolované mikrobublinky, lokalizované horúce body, extrémny strih a tlakové gradienty, ktoré môžu zlepšiť chemické reakcie, disperziu fáz a prenos hmoty. V porovnaní s konvenčným mechanickým miešaním alebo chemickými prísadami predstavuje hydrodynamická kavitácia potenciálne energeticky účinný a nízkochemický prístup k riešeniu problematických miest v rafinérii [2]. Hydrodynamickú kavitáciu možno kombinovať s katalyzátormi, povrchovo aktívnymi látkami, miernymi oxidantmi (napr, H₂O₂, ozón) alebo UV žiarením na ďalšie zlepšenie účinnosti reakcie a čistejších výsledkov spracovania [2].
Mechanicky môže kavitácia vyvolať modifikácie uhľovodíkov na molekulárnej úrovni vrátane dezagregácie asfalténov, čiastočného štiepenia a zmien reologických vlastností, ktoré zlepšujú manipuláciu so surovinami a účinnosť reakcie [3]. Rozšírenie hydrodynamickej kavitácie do priemyselných prevádzok je náročné z dôvodu absencie štandardizovanej metódy na kvantifikáciu intenzity kavitácie v rôznych kvapalinách a vyžaduje vysoké kapitálové a prevádzkové náklady [1,4]. Dôkazy z laboratórnych a pilotných štúdií naznačujú, že hydrodynamická kavitácia môže zlepšiť spracovateľnosť a účinnosť, hoci priemyselné overovanie v plnom rozsahu je stále obmedzené.
Procesy s podporou hydrodynamickej kavitácie môžu ponúknuť prevádzkové a environmentálne výhody vrátane zníženej spotreby energie, zvýšeného výkonu a nižších emisií skleníkových plynov. Môžu dopĺňať konvenčné metódy zušľachťovania, ktoré sú často energeticky náročné a rd konštrukcie reaktorov. Kavitačné číslo bolo navrhnuté ako systematický parameter na optimalizáciu konštrukcie reaktora a prepojenie experimentálnych údajov s praktickými aplikáciami.
2. Možnosti vysokoúčinnej hydrodynamickej kavitácie
2.1 Odsoľovanie ropy (CDU)
Začlenenie hydrodynamickej kavitácie na vstupe do odsoľovača môže zlepšiť disperziu ropy a vody a odstránenie solí. Mikroturbulencia, strih a lokalizované kolísanie tlaku podporujú rozpad stabilných emulzií a vytvárajú jemné, rovnomerné kvapôčky, ktoré zlepšujú kontakt vody s olejom a urýchľujú koalescenciu. To môže mať za následok nižší obsah zvyškovej soli, zníženie zanášania a korózie a zlepšenie výkonu výmeny tepla [2]. Hydrodynamické kavitačné jednotky sa dajú implementovať ako kompaktné inline lišty s minimálnymi úpravami existujúcej odsoľovacej infraštruktúry.
2.2 Oneskorené koksovanie (DCU)
Použitie hydrodynamickej kavitácie na vákuový zvyšok pred koksovacími ohrievačmi môže zlepšiť homogenizáciu krmiva a vyvolať mierne účinky predúpravy. Strih, mikromiešanie a lokalizovaná tepelno-mechanická aktivácia podporujú čiastočnú dezagregáciu asfalténu a zníženie viskozity, čo umožňuje rovnomernejšie tepelné krakovanie [5,3]. V pilotných štúdiách sa zaznamenalo zlepšenie stability ohrievača, zníženie usadzovania koksu a mierne zvýšenie výťažkov kvapalných produktov, keď sa hydrodynamická kavitácia začlení pred koksovanie. Udržiavanie vhodnej intenzity kavitácie je nevyhnutné na to, aby sa zabránilo nadmernému predkrekovaniu, najmä pri vysoko aromatických alebo nestabilných surovinách [1,3]. Správny návrh systému hydrodynamickej kavitácie a optimalizácia prevádzkových podmienok sú preto rozhodujúce pre bezpečnú a efektívnu implementáciu.
2.3 Jednotka fluidného katalytického krakovania (FCCU)
Predúprava ťažkých surovín (napr, vákuový plynový olej alebo zvyšky) prostredníctvom hydrodynamickej kavitácie môže zvýšiť homogenizáciu krmiva a čiastočne narušiť agregáty bohaté na asfaltén a kovy, čo môže znížiť efektívne zaťaženie kontaminantmi, ktoré prispievajú k tvorbe CCR [6]. Intenzívny strih a mikromiešanie, ktoré vznikajú pri kavitácii, môžu tiež zlepšiť disperziu, prenos hmoty a celkovú reológiu krmiva, čo môže podporiť vyššiu účinnosť konverzie a znížiť tendenciu k zanášaniu. Tieto účinky boli preukázané v pilotnom meradle, ale doteraz nie sú verejne dostupné údaje potvrdzujúce realizáciu FCC v plnom rozsahu. Integrácia hydrodynamickej kavitácie pred jednotkou FCC si vyžaduje starostlivé projektovanie rozhrania vstrekovania krmiva vrátane tlaku, teploty, metalurgie a kompatibility s existujúcimi systémami predhrievania a distribúcie krmiva.
2.4 Hydrogenačné zariadenia (DHT, CNHT, NHT)
Hydrodynamická kavitácia s asistenciou predmiešavania vodíka a oleja môže zlepšiť disperziu H₂ a medzifázový kontakt, čím sa potenciálne zlepší odsírenie, odstránenie dusíka a nasýtenie olefínov [2,8]. Mikroturbulencia a strih zvyšujú dostupnú medzifázovú plochu, čím zmierňujú obmedzenia prenosu hmoty, ktoré znižujú účinnosť katalyzátora. Odporúča sa pilotné overovanie s cieľom optimalizovať intenzitu kavitácie, čas zdržania a integráciu modulu. Správne navrhnuté moduly hydrodynamickej kavitácie - tlakové klzné plochy s materiálmi kompatibilnými s podmienkami procesu - môžu podporiť vyššiu konverziu na jeden priechod a lepšiu životnosť katalyzátora.
2.5 Kaustická úprava leteckého paliva (JCTU )
Pri kaustickej úprave leteckého paliva hydrodynamická kavitácia zintenzívňuje kontakt medzi kaustickým roztokom a uhľovodíkmi, čím zlepšuje extrakciu merkaptánu a stabilitu produktu. Mikromiešanie a vysoká medzifázová obnova môžu znížiť spotrebu kaustika pri zachovaní alebo zvýšení výkonu sladenia. Inline hydrodynamické kavitačné systémy umožňujú priamu modernizáciu s minimálnym narušením procesu.
2.6 Alkylačné jednotky (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynamická kavitácia môže zlepšiť kontakt kyseliny s uhľovodíkom v alkylačných jednotkách, podporiť rovnomernejšie reakčné podmienky a potenciálne zlepšiť oktánové číslo a výťažok produktu [6]. Vysoký strih, mikroturbulencia a kolísanie tlaku urýchľujú reakcie katalyzované kyselinami. Realizácia si vyžaduje prísny výber materiálov, konštrukciu odolnú voči korózii a prísne bezpečnostné protokoly. Pred zavedením v plnom rozsahu sa odporúča overenie v pilotnom meradle.
2.7 Zušľachťovanie a zmiešavanie zvyškov
Hydrodynamická kavitácia môže podporiť zmiešavanie aj čiastočné zušľachťovanie ťažkých zvyškov a vákuových zvyškov zvýšením disperzie, znížením viskozity a zlepšením celkovej stability paliva.
Aplikácie pri modernizácii
Pri modernizácii kavitácia podporuje disagregáciu asfalténov, mierne krakovanie, zníženie viskozity, posun smerom k ľahším frakciám a minimalizáciu kalov [2-4]. Ukázalo sa, že úprava zvyškov s asistenciou hydrodynamickej kavitácie je pri pilotných prevádzkach nákladovo efektívnejšia ako akustická kavitácia a môže zlepšiť vlastnosti bitúmenu, odsírenie a stabilitu emulzie v aplikáciách, ako sú FCC suroviny, hydrogenačné zariadenia a lodné palivá [4,7,8]. Hoci väčšina uvádzaných prínosov pochádza z laboratórnych a pilotných meradiel, správna kontrola intenzity kavitácie a času zotrvania je rozhodujúca pre bezpečnú a účinnú implementáciu.
Aplikácie pri miešaní
Pri miešaní hydrodynamická kavitácia podporuje tvorbu jemných, stabilných disperzií medzi ťažkými olejmi a zložkami s nižšou viskozitou, ako je bionafta alebo pyrolýzne oleje. Vysoký strih a mikroturbulencie vznikajúce počas kavitácie zlepšujú miešateľnosť, znižujú náchylnosť na oddeľovanie fáz a zvyšujú homogenitu počas skladovania a manipulácie.
Nezávislé testovanie v laboratóriách Bureau Veritas a dátových fyzikách tieto zlepšenia potvrdilo. V tabuľke 1 je zhrnuté porovnanie HFO 380 zmiešaného s 20 % bionafty (FAME) pomocou konvenčného ručného miešania (HD) a miešania s kavitačnou asistenciou (CF) so systémom CaviFlow® spoločnosti RAPTECH. Metóda s asistenciou kavitácie priniesla merateľné zlepšenie hustoty, viskozity, obsahu síry, obsahu popola, úrovne sedimentov a stredného indexu stability (MSI) a zároveň znížila koncentráciu mačacích jemných častíc. Testovanie motorov spoločnosťou FVTR GmbH navyše zaznamenalo mierne (~1 %) zníženie spotreby paliva pri zmesi HFO - 20 % FAME upravenej kavitáciou.
V závislosti od veľkosti plavidla, prevádzkového profilu a ceny paliva sa takéto zlepšenia vlastností môžu premietnuť do významných prevádzkových výhod v námornom sektore, kde ťažký vykurovací olej zostáva dominantným zdrojom energie.
Tabuľka 1. Porovnanie HFO 380 zmiešaného s 20 % bionafty (FAME) pomocou konvenčného ručného miešania (HD) a miešania s kavitačnou asistenciou (CF).
| Parameter | Jednotka | Prelínanie (HD) | Miešanie (CF) | Zlepšenie (%) |
|---|---|---|---|---|
| Hustota pri 50 °C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinematická viskozita pri 50 °C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Obsah síry | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Obsah popola | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Bod nalievania | °C | -15 | -15 | 0 |
| Bod vzplanutia (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Celkový potenciál sedimentov | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Celkový existujúci sediment | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Index strednej stability (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Cat Fines (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Ťažké oleje s °API < 22.3 sa zvyčajne klasifikujú ako "ťažký vykurovací olej".
(2) Hoci sa teplota vzplanutia znížila, obe zmesi zostávajú vysoko nad minimálnymi limitmi ISO 8217 pre zvyškové lodné palivá, čo zabezpečuje súlad s bezpečnostnými predpismi.
3. Záver
Hydrodynamická kavitácia predstavuje univerzálny nástroj na intenzifikáciu procesov, ktorý je schopný riešiť niekoľko pretrvávajúcich výziev v rafinácii ropy vrátane heterogenity vstupných surovín, obmedzení prenosu hmoty, zanášania a spracovania zvyškov s vysokou viskozitou. Hydrodynamická kavitácia ponúka možnosti zlepšenia disperzie, reakčnej rovnomernosti a prevádzkovej stability pri súčasnom potenciálnom znížení spotreby energie a vplyvu na životné prostredie. Sľubné výsledky preukázané pri zušľachťovaní zvyškov a miešaní s asistenciou kavitácie - najmä lepšia manipulácia a stabilita zmesí HFO-FAME - zdôrazňujú význam hydrodynamickej kavitácie pri prechode rafinérskeho aj námorného/zásobníkového palivového sektora na rozmanitejšie a obnoviteľné palivové prúdy. Zavedenie normy ISO 8217:2024 [9], ktorá umožňuje používanie lodných palív obsahujúcich až 100 % FAME, ďalej zvyšuje potrebu technológií, ktoré dokážu stabilizovať zmesi ťažkých ropných frakcií s alternatívnymi palivami. Schopnosť hydrodynamickej kavitácie znižovať viskozitu, zlepšovať stabilitu fáz a zmierňovať problémy so sedimentmi a kontaminantmi ju stavia do pozície praktického pomocníka v tejto rozvíjajúcej sa krajine.
Úspešné priemyselné prijatie bude závisieť od:
- Presnej kontroly intenzity kavitácie s cieľom vyvážiť zvýšenie účinnosti s integritou zariadenia.
- Zabezpečenia kompatibility s vysokoteplotnými, korozívnymi alebo vysokoviskóznymi procesnými tokmi.
- Integrácia modulov HC do existujúcich konfigurácií rafinérií bez narušenia riadenia kritických procesov.
Hoci súčasné dôkazy sú prevažne v pilotnom meradle, hydrodynamickou kavitáciou asistované spracovanie ťažkého oleja a miešanie palív ukazujú povzbudivé cesty na zvýšenie účinnosti rafinérií, umožnenie integrácie alternatívnych palív a podporu širších cieľov dekarbonizácie a udržateľnosti [4]. Tieto výhody sú priamo uplatniteľné v sektore námorných palív/palív do zásobníkov, pričom poskytujú zlepšenie prevádzky, životného prostredia a kvality paliva.
Autor: Mgr: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencie
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Zušľachťovanie ťažkej ropy: Odomknutie budúcich dodávok palív. 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 (Riadená hydrodynamická kavitácia): A Review of Recent Advances and Perspectives for Greener Processing (Prehľad najnovších pokrokov a perspektívy ekologickejšieho spracovania). 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 (Súčasný stav výskumu mechanizmu kavitačných účinkov pri spracovaní kvapalných ropných produktov - prehľad a návrhy na ďalší výskum). 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. Experimental study on viscosity reduction of heavy oil by hydrogen donors using a cavitating jet (Experimentálna štúdia zníženia viskozity ťažkého oleja pomocou donorov vodíka s použitím kavitačnej trysky). RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Application of Cavitation in Oil Processing (Aplikácia kavitácie pri spracovaní ropy): An Overview of Mechanisms and Results of Treatment (Prehľad mechanizmov a výsledkov spracovania). ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. A systematic comparison of various upgrading techniques for heavy oil (Systematické porovnanie rôznych techník úpravy ťažkej ropy). Journal of Petroleum Science and Engineering, 2017, 156, 623-632. DOI: 10.1016/j.petrol.2017.05.014.
- Cako, E.; Wang, Z.; Castro-Muñoz, R.; Rayaroth, M. P.; Boczkaj, G. Cavitation based cleaner technologies for biodiesel production and processing of hydrocarbon streams: A perspective on key fundamentals, missing process data and economic feasibility - A review. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- Pracovná skupina pre palivá CIMAC. Usmernenie CIMAC: Morské palivá obsahujúce FAME - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
