Hidrodinamična kavitacija je nastajajoča energetsko učinkovita tehnologija za intenziviranje procesov, ki lahko izboljša učinkovitost, donos in trajnost pri ključnih postopkih v rafinerijah. Z ustvarjanjem nadzorovanega mikrorazsežnega striženja, turbulence in lokaliziranih toplotno-mehanskih učinkov v enotah CaviFlow® podjetja RAPTECH lahko hidrodinamična kavitacija izboljša mešanje, prenos mase in toplote, reakcijsko kinetiko in kondicioniranje surovin. V tem pregledu so ovrednotene možnosti vključevanja hidrodinamične kavitacije pri razsoljevanju surove nafte, zakasnelem koksanju, fluidnem katalitskem krekingu, hidrotretiranju, alkilaciji in nadgradnji ostankov s poudarkom na razumevanju mehanike, konfiguraciji opreme in operativnih omejitvah.
Nedavni praktični rezultati - vključno z mešanjem in nadgradnjo ostankov - kažejo merljive koristi pri mešanju težkega kurilnega olja z alternativnimi gorivi. Kavitacijsko podprto mešanje HFO z 20 % FAME je pokazalo izboljšano viskoznost, gostoto, vsebnost usedlin in kazalnike stabilnosti, pa tudi manjše količine mačjih fines in skromno izboljšanje porabe goriva. Te ugotovitve poudarjajo pomen hidrodinamične kavitacije ne le za postopke v rafinerijah, temveč tudi za sektor goriv za pomorski promet/bunkerje, zlasti v okviru standarda ISO 8217:2024, ki dovoljuje goriva za pomorski promet, ki vsebujejo do 100 % FAME. Rezultati odražajo širši industrijski trend v smeri nizkoogljičnih, obnovljivih in bolj spremenljivih surovin.
Na splošno hidrodinamična kavitacija in enote CaviFlow® podjetja RAPTECH predstavljajo obetavno pot za izboljšanje predelovalnosti, zmanjšanje energetskih zahtev in podporo prehodu na bolj trajnostne sisteme rafinerij in ladijskih goriv. Čeprav večina podatkov izvira iz laboratorijskih in pilotnih študij, pa nastajajoče demonstracije - vključno z mešanjem in nadgradnjo ostankov - poudarjajo potencial hidrodinamične kavitacije za praktično uporabo v industriji.
1. Uvod
Procesi pretvorbe v rafinerijah so osrednjega pomena za pretvorbo surove nafte v transportna goriva, petrokemične surovine in izdelke visoke vrednosti. Učinkovitost in kakovost izdelkov pogosto omejujejo heterogenost surovin, deaktivacija katalizatorja, obraščanje in omejitve prenosa mase. Vedno večja uporaba težkih in zelo težkih surove nafte, ki predstavljajo znaten del obnovljivih svetovnih rezerv, predstavlja dodatne izzive zaradi visoke viskoznosti, nizke teže API (<20°) in povečane vsebnosti asfaltena [1]. Te lastnosti ovirajo prenos toplote in mase, pospešujejo obraščanje in povečujejo nastajanje koksa v termičnih in katalitičnih procesih.
Hidrodinamična kavitacija se je pojavila kot strategija za intenziviranje procesov. Ustvarja nadzorovane mikrobublinice, lokalizirane vroče točke, ekstremne strižne in tlačne gradiente, ki lahko izboljšajo kemijske reakcije, fazno disperzijo in prenos mase. V primerjavi z običajnim mehanskim mešanjem ali kemičnimi dodatki je hidrodinamična kavitacija potencialno energetsko učinkovit in nizko kemičen pristop k odpravljanju ozkih grl v rafinerijah [2]. Hidrodinamično kavitacijo je mogoče kombinirati s katalizatorji, površinsko aktivnimi snovmi, blagimi oksidanti (npr, H₂O₂, ozon) ali UV-obsevanjem za nadaljnje izboljšanje učinkovitosti reakcij in čistejših rezultatov predelave [2].
Mehanistično lahko kavitacija povzroči spremembe na molekularni ravni v ogljikovodikih, vključno z dezagregacijo asfaltena, delnim drobljenjem in spremembami reoloških lastnosti, kar izboljša ravnanje s surovinami in učinkovitost reakcij [3]. Razširitev hidrodinamične kavitacije na industrijske dejavnosti je zahtevna, ker ni standardizirane metode za količinsko opredelitev intenzivnosti kavitacije v različnih tekočinah, kar zahteva visoke investicijske in operativne stroške [1,4]. Dokazi iz laboratorijskih in pilotnih študij kažejo, da lahko hidrodinamična kavitacija izboljša procesnost in učinkovitost, čeprav je industrijska validacija v polnem obsegu še vedno omejena.
Postopki s hidrodinamično kavitacijo imajo lahko operativne in okoljske prednosti, vključno z manjšo porabo energije, večjo prepustnostjo in manjšimi emisijami toplogrednih plinov. Dopolnjujejo lahko konvencionalne metode nadgradnje, ki so pogosto energetsko intenzivne in rd zasnove reaktorjev. Kavitacijsko število je bilo predlagano kot sistematični parameter za optimizacijo zasnove reaktorja in povezovanje eksperimentalnih podatkov s praktično uporabo.
2. Priložnosti za hidrodinamično kavitacijo z velikim učinkom
2.1 Odsoljevanje surove nafte (CDU )
Z vključitvijo hidrodinamične kavitacije na vhodu v razsoljevalnik lahko izboljšamo disperzijo olja in vode ter odstranjevanje soli. Mikroturbulenca, striženje in lokalna nihanja tlaka spodbujajo razpad stabilnih emulzij, pri čemer nastajajo drobne, enakomerne kapljice, ki izboljšajo stik vode z oljem in pospešijo koalescenco. To lahko povzroči manjšo vsebnost preostale soli, manjše obraščanje in korozijo ter izboljšano učinkovitost toplotne izmenjave [2]. Enote za hidrodinamično kavitacijo se lahko izvedejo kot kompaktni inline polža z minimalnimi spremembami obstoječe infrastrukture za razsoljevanje.
2.2 Odloženo koksanje (DCU)
Z uporabo hidrodinamične kavitacije za vakuumski ostanek pred grelniki koksanja lahko izboljšamo homogenizacijo krme in povzročimo blage učinke predhodne obdelave. Striženje, mikromešanje in lokalizirana toplotno-mehanska aktivacija spodbujajo delno dezagregacijo asfaltena in zmanjšanje viskoznosti, kar omogoča enakomernejše termično krekiranje [5,3]. Pilotne študije so poročale o izboljšanju stabilnosti grelnika, zmanjšanju odlaganja koksa in skromnem povečanju izkoristka tekočih proizvodov, če se hidrodinamična kavitacija vključi pred koksanjem. Vzdrževanje ustrezne intenzivnosti kavitacije je bistvenega pomena za preprečevanje prekomernega predhodnega krekinga, zlasti pri zelo aromatičnih ali nestabilnih surovinah [1,3]. Ustrezna zasnova sistema hidrodinamične kavitacije in optimizacija pogojev delovanja sta zato ključnega pomena za varno in učinkovito izvajanje.
2.3 Enota za tekočinsko katalitično krekiranje (FCCU)
Predpriprava težkih surovin (npr, vakuumsko plinsko olje ali ostanki) s hidrodinamično kavitacijo lahko poveča homogenizacijo krme in delno razbije agregate, bogate z asfaltenom in kovinami, kar lahko zmanjša efektivno obremenitev z onesnaževali, ki prispevajo k nastanku CCR [6]. Intenzivno striženje in mikromešanje, ki ga povzroča kavitacija, lahko izboljša tudi disperzijo, prenos mase in splošno reologijo krme, kar lahko pripomore k večji učinkovitosti pretvorbe in zmanjšanju težnje po obraščanju. Ti učinki so bili dokazani v pilotnem obsegu, vendar doslej ni javno dostopnih podatkov, ki bi potrjevali izvajanje FCC v polnem obsegu. Vključitev hidrodinamične kavitacije pred enoto FCC zahteva skrbno načrtovanje vmesnika za vbrizgavanje krme, vključno s tlakom, temperaturo, metalurgijo in združljivostjo z obstoječimi sistemi za predgrevanje in distribucijo krme.
2.4 Hidrotretiranje (DHT, CNHT, NHT)
Hidrodinamično kavitacijsko podprto predhodno mešanje vodika in olja lahko izboljša disperzijo H₂ in medfazni stik, kar lahko izboljša razžveplanje, odstranjevanje dušika in nasičenje olefinov [2,8]. Mikroturbulenca in striženje povečata razpoložljivo medfazno površino, kar ublaži omejitve prenosa mase, ki zmanjšujejo učinkovitost katalizatorja. Za optimizacijo jakosti kavitacije, časa zadrževanja in integracije modulov je priporočljivo pilotno preverjanje. Ustrezno zasnovani moduli hidrodinamične kavitacije - tlačno ocenjeni drsniki z materiali, združljivimi s procesnimi pogoji - lahko omogočijo večjo pretvorbo na prehod in daljšo življenjsko dobo katalizatorja.
2.5 Jedka obdelava reaktivnega goriva (JCTU)
Hidrodinamična kavitacija pri jedki obdelavi reaktivnega goriva okrepi stik med jedko raztopino in ogljikovodiki ter izboljša ekstrakcijo merkaptana in stabilnost izdelka. Mikromešanje in visoka medfazna obnovitev lahko zmanjšata porabo kavstičnega sredstva, hkrati pa ohranita ali izboljšata učinkovitost sladkanja. Inline hidrodinamični kavitacijski sistemi omogočajo enostavno naknadno vgradnjo z minimalnimi motnjami v procesu.
2.6 Alkilacijske enote (H₂SO₄ ALKY)
Hidrodinamična kavitacija lahko poveča stik kisline in ogljikovodika v alkilacijskih enotah, kar spodbuja enakomernejše reakcijske pogoje ter potencialno izboljša oktansko število in izkoristek produkta [6]. Visok strižni tok, mikroturbulenca in nihanje tlaka pospešujejo reakcije, ki jih katalizirajo kisline. Izvedba zahteva strogo izbiro materialov, proti koroziji odporno zasnovo in stroge varnostne protokole. Pred uvedbo v polnem obsegu je priporočljivo preverjanje na pilotni ravni.
2.7 Nadgradnja in mešanje ostankov
Hidrodinamična kavitacija lahko podpira mešanje in delno nadgradnjo težkih ostankov in ostankov v vakuumu, saj poveča disperzijo, zmanjša viskoznost in izboljša splošno stabilnost goriva.
Uporaba pri nadgradnji
Pri nadgradnji kavitacija spodbuja disagregacijo asfaltena, blago krekiranje, zmanjšanje viskoznosti, prehod k lažjim frakcijam in zmanjšanje blata [2-4]. Obdelava ostankov s hidrodinamično kavitacijo se je izkazala za stroškovno učinkovitejšo od akustične kavitacije pri pilotnih operacijah in lahko izboljša lastnosti bitumna, razžveplanje in stabilnost emulzije pri uporabi, kot so surovine za FCC, hidrotretiranje in goriva za plovila [4,7,8]. Čeprav večina poročanih koristi izhaja iz laboratorijskih in pilotnih meritev, je za varno in učinkovito izvajanje ključnega pomena ustrezen nadzor intenzivnosti kavitacije in časa zadrževanja.
Uporaba pri mešanju
Pri mešanju hidrodinamična kavitacija spodbuja nastanek finih, stabilnih disperzij med težkimi olji in komponentami z nižjo viskoznostjo, kot so biodizel ali pirolizna olja. Visoka strižna sila in mikroturbulenca, ki nastajata med kavitacijo, izboljšata mešanje, zmanjšata nagnjenost k ločevanju faz ter izboljšata homogenost med skladiščenjem in rokovanjem.
Te izboljšave so potrdili neodvisni preizkusi v laboratorijih Bureau Veritas in data-physics. Preglednica 1 povzema primerjavo HFO 380, zmešanega z 20-odstotnim biodizlom (FAME) z običajnim ročnim mešanjem (HD) in kavitacijsko podprtim mešanjem (CF) s sistemom CaviFlow® podjetja RAPTECH. Metoda s kavitacijsko pomočjo je prinesla merljive izboljšave gostote, viskoznosti, vsebnosti žvepla, vsebnosti pepela, ravni usedlin in srednjega indeksa stabilnosti (MSI), hkrati pa je zmanjšala koncentracijo mačjih fines. Testiranje motorjev, ki ga je opravila družba FVTR GmbH, je pokazalo tudi skromno (~1 %) zmanjšanje porabe goriva pri mešanici HFO-20 % FAME, obdelani s kavitacijo.
Glede na velikost plovila, profil delovanja in ceno goriva lahko takšne izboljšave lastnosti pomenijo pomembne operativne koristi v pomorskem sektorju, kjer težko kurilno olje ostaja prevladujoč vir energije.
Tabela 1. Primerjava mešanice HFO 380 z 20-odstotnim biodizlom (FAME) z uporabo običajnega ročnega mešanja (HD) in mešanja s pomočjo kavitacije (CF).
(1) Težka olja s °API < 22.3 se običajno uvrščajo med "težka kurilna olja".
(2) Čeprav se je plamenišče znižalo, obe mešanici ostajata precej nad minimalnimi mejnimi vrednostmi ISO 8217 za preostala goriva za plovila, kar zagotavlja skladnost z varnostnimi predpisi.
3. Zaključek
Hidrodinamična kavitacija predstavlja vsestransko orodje za intenzifikacijo procesov, s katerim je mogoče obravnavati več stalnih izzivov pri rafiniranju nafte, vključno s heterogenostjo surovin, omejitvami prenosa mase, zamašitvijo in predelavo ostankov z visoko viskoznostjo. Hidrodinamična kavitacija ponuja možnosti za izboljšanje disperzije, enakomernosti reakcij in stabilnosti delovanja pri razsoljevanju surove nafte, toplotnih in katalitskih pretvorbenih enotah, obenem pa lahko zmanjša porabo energije in vpliv na okolje. Obetavni rezultati, ki so bili prikazani pri nadgradnji ostankov in kavitacijsko podprtem mešanju - zlasti izboljšano ravnanje in stabilnost mešanic HFO-FAME - poudarjajo pomembnost hidrodinamične kavitacije pri prehodu sektorja rafiniranja in sektorja goriv za pomorski sektor k bolj raznolikim in obnovljivim tokovom goriv. Uvedba standarda ISO 8217:2024 [9], ki omogoča uporabo ladijskih goriv, ki vsebujejo do 100 % FAME, še povečuje potrebo po tehnologijah, ki lahko stabilizirajo mešanice težkih naftnih frakcij z alternativnimi gorivi. Zmožnost hidrodinamične kavitacije, da zmanjša viskoznost, izboljša fazno stabilnost ter ublaži težave z usedlinami in onesnaževali, jo uvršča med praktične pripomočke v tem razvijajočem se okolju.
Uspešna industrijska uporaba bo odvisna od:
Čeprav so trenutni dokazi večinoma pilotni, sta obdelava težkega olja in mešanje goriva s pomočjo hidrodinamične kavitacije spodbudni poti za povečanje učinkovitosti rafinerij, omogočanje vključevanja alternativnih goriv ter podpiranje širših ciljev dekarbonizacije in trajnosti [4]. Te prednosti se neposredno uporabljajo v sektorju pomorskega goriva/goriva za bunkerje, saj zagotavljajo izboljšanje delovanja, okolja in kakovosti goriva.
Avtor: dr: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Reference
Nedavni praktični rezultati - vključno z mešanjem in nadgradnjo ostankov - kažejo merljive koristi pri mešanju težkega kurilnega olja z alternativnimi gorivi. Kavitacijsko podprto mešanje HFO z 20 % FAME je pokazalo izboljšano viskoznost, gostoto, vsebnost usedlin in kazalnike stabilnosti, pa tudi manjše količine mačjih fines in skromno izboljšanje porabe goriva. Te ugotovitve poudarjajo pomen hidrodinamične kavitacije ne le za postopke v rafinerijah, temveč tudi za sektor goriv za pomorski promet/bunkerje, zlasti v okviru standarda ISO 8217:2024, ki dovoljuje goriva za pomorski promet, ki vsebujejo do 100 % FAME. Rezultati odražajo širši industrijski trend v smeri nizkoogljičnih, obnovljivih in bolj spremenljivih surovin.
Na splošno hidrodinamična kavitacija in enote CaviFlow® podjetja RAPTECH predstavljajo obetavno pot za izboljšanje predelovalnosti, zmanjšanje energetskih zahtev in podporo prehodu na bolj trajnostne sisteme rafinerij in ladijskih goriv. Čeprav večina podatkov izvira iz laboratorijskih in pilotnih študij, pa nastajajoče demonstracije - vključno z mešanjem in nadgradnjo ostankov - poudarjajo potencial hidrodinamične kavitacije za praktično uporabo v industriji.
1. Uvod
Procesi pretvorbe v rafinerijah so osrednjega pomena za pretvorbo surove nafte v transportna goriva, petrokemične surovine in izdelke visoke vrednosti. Učinkovitost in kakovost izdelkov pogosto omejujejo heterogenost surovin, deaktivacija katalizatorja, obraščanje in omejitve prenosa mase. Vedno večja uporaba težkih in zelo težkih surove nafte, ki predstavljajo znaten del obnovljivih svetovnih rezerv, predstavlja dodatne izzive zaradi visoke viskoznosti, nizke teže API (<20°) in povečane vsebnosti asfaltena [1]. Te lastnosti ovirajo prenos toplote in mase, pospešujejo obraščanje in povečujejo nastajanje koksa v termičnih in katalitičnih procesih.
Hidrodinamična kavitacija se je pojavila kot strategija za intenziviranje procesov. Ustvarja nadzorovane mikrobublinice, lokalizirane vroče točke, ekstremne strižne in tlačne gradiente, ki lahko izboljšajo kemijske reakcije, fazno disperzijo in prenos mase. V primerjavi z običajnim mehanskim mešanjem ali kemičnimi dodatki je hidrodinamična kavitacija potencialno energetsko učinkovit in nizko kemičen pristop k odpravljanju ozkih grl v rafinerijah [2]. Hidrodinamično kavitacijo je mogoče kombinirati s katalizatorji, površinsko aktivnimi snovmi, blagimi oksidanti (npr, H₂O₂, ozon) ali UV-obsevanjem za nadaljnje izboljšanje učinkovitosti reakcij in čistejših rezultatov predelave [2].
Mehanistično lahko kavitacija povzroči spremembe na molekularni ravni v ogljikovodikih, vključno z dezagregacijo asfaltena, delnim drobljenjem in spremembami reoloških lastnosti, kar izboljša ravnanje s surovinami in učinkovitost reakcij [3]. Razširitev hidrodinamične kavitacije na industrijske dejavnosti je zahtevna, ker ni standardizirane metode za količinsko opredelitev intenzivnosti kavitacije v različnih tekočinah, kar zahteva visoke investicijske in operativne stroške [1,4]. Dokazi iz laboratorijskih in pilotnih študij kažejo, da lahko hidrodinamična kavitacija izboljša procesnost in učinkovitost, čeprav je industrijska validacija v polnem obsegu še vedno omejena.
Postopki s hidrodinamično kavitacijo imajo lahko operativne in okoljske prednosti, vključno z manjšo porabo energije, večjo prepustnostjo in manjšimi emisijami toplogrednih plinov. Dopolnjujejo lahko konvencionalne metode nadgradnje, ki so pogosto energetsko intenzivne in rd zasnove reaktorjev. Kavitacijsko število je bilo predlagano kot sistematični parameter za optimizacijo zasnove reaktorja in povezovanje eksperimentalnih podatkov s praktično uporabo.
2. Priložnosti za hidrodinamično kavitacijo z velikim učinkom
2.1 Odsoljevanje surove nafte (CDU )
Z vključitvijo hidrodinamične kavitacije na vhodu v razsoljevalnik lahko izboljšamo disperzijo olja in vode ter odstranjevanje soli. Mikroturbulenca, striženje in lokalna nihanja tlaka spodbujajo razpad stabilnih emulzij, pri čemer nastajajo drobne, enakomerne kapljice, ki izboljšajo stik vode z oljem in pospešijo koalescenco. To lahko povzroči manjšo vsebnost preostale soli, manjše obraščanje in korozijo ter izboljšano učinkovitost toplotne izmenjave [2]. Enote za hidrodinamično kavitacijo se lahko izvedejo kot kompaktni inline polža z minimalnimi spremembami obstoječe infrastrukture za razsoljevanje.
2.2 Odloženo koksanje (DCU)
Z uporabo hidrodinamične kavitacije za vakuumski ostanek pred grelniki koksanja lahko izboljšamo homogenizacijo krme in povzročimo blage učinke predhodne obdelave. Striženje, mikromešanje in lokalizirana toplotno-mehanska aktivacija spodbujajo delno dezagregacijo asfaltena in zmanjšanje viskoznosti, kar omogoča enakomernejše termično krekiranje [5,3]. Pilotne študije so poročale o izboljšanju stabilnosti grelnika, zmanjšanju odlaganja koksa in skromnem povečanju izkoristka tekočih proizvodov, če se hidrodinamična kavitacija vključi pred koksanjem. Vzdrževanje ustrezne intenzivnosti kavitacije je bistvenega pomena za preprečevanje prekomernega predhodnega krekinga, zlasti pri zelo aromatičnih ali nestabilnih surovinah [1,3]. Ustrezna zasnova sistema hidrodinamične kavitacije in optimizacija pogojev delovanja sta zato ključnega pomena za varno in učinkovito izvajanje.
2.3 Enota za tekočinsko katalitično krekiranje (FCCU)
Predpriprava težkih surovin (npr, vakuumsko plinsko olje ali ostanki) s hidrodinamično kavitacijo lahko poveča homogenizacijo krme in delno razbije agregate, bogate z asfaltenom in kovinami, kar lahko zmanjša efektivno obremenitev z onesnaževali, ki prispevajo k nastanku CCR [6]. Intenzivno striženje in mikromešanje, ki ga povzroča kavitacija, lahko izboljša tudi disperzijo, prenos mase in splošno reologijo krme, kar lahko pripomore k večji učinkovitosti pretvorbe in zmanjšanju težnje po obraščanju. Ti učinki so bili dokazani v pilotnem obsegu, vendar doslej ni javno dostopnih podatkov, ki bi potrjevali izvajanje FCC v polnem obsegu. Vključitev hidrodinamične kavitacije pred enoto FCC zahteva skrbno načrtovanje vmesnika za vbrizgavanje krme, vključno s tlakom, temperaturo, metalurgijo in združljivostjo z obstoječimi sistemi za predgrevanje in distribucijo krme.
2.4 Hidrotretiranje (DHT, CNHT, NHT)
Hidrodinamično kavitacijsko podprto predhodno mešanje vodika in olja lahko izboljša disperzijo H₂ in medfazni stik, kar lahko izboljša razžveplanje, odstranjevanje dušika in nasičenje olefinov [2,8]. Mikroturbulenca in striženje povečata razpoložljivo medfazno površino, kar ublaži omejitve prenosa mase, ki zmanjšujejo učinkovitost katalizatorja. Za optimizacijo jakosti kavitacije, časa zadrževanja in integracije modulov je priporočljivo pilotno preverjanje. Ustrezno zasnovani moduli hidrodinamične kavitacije - tlačno ocenjeni drsniki z materiali, združljivimi s procesnimi pogoji - lahko omogočijo večjo pretvorbo na prehod in daljšo življenjsko dobo katalizatorja.
2.5 Jedka obdelava reaktivnega goriva (JCTU)
Hidrodinamična kavitacija pri jedki obdelavi reaktivnega goriva okrepi stik med jedko raztopino in ogljikovodiki ter izboljša ekstrakcijo merkaptana in stabilnost izdelka. Mikromešanje in visoka medfazna obnovitev lahko zmanjšata porabo kavstičnega sredstva, hkrati pa ohranita ali izboljšata učinkovitost sladkanja. Inline hidrodinamični kavitacijski sistemi omogočajo enostavno naknadno vgradnjo z minimalnimi motnjami v procesu.
2.6 Alkilacijske enote (H₂SO₄ ALKY)
Hidrodinamična kavitacija lahko poveča stik kisline in ogljikovodika v alkilacijskih enotah, kar spodbuja enakomernejše reakcijske pogoje ter potencialno izboljša oktansko število in izkoristek produkta [6]. Visok strižni tok, mikroturbulenca in nihanje tlaka pospešujejo reakcije, ki jih katalizirajo kisline. Izvedba zahteva strogo izbiro materialov, proti koroziji odporno zasnovo in stroge varnostne protokole. Pred uvedbo v polnem obsegu je priporočljivo preverjanje na pilotni ravni.
2.7 Nadgradnja in mešanje ostankov
Hidrodinamična kavitacija lahko podpira mešanje in delno nadgradnjo težkih ostankov in ostankov v vakuumu, saj poveča disperzijo, zmanjša viskoznost in izboljša splošno stabilnost goriva.
Uporaba pri nadgradnji
Pri nadgradnji kavitacija spodbuja disagregacijo asfaltena, blago krekiranje, zmanjšanje viskoznosti, prehod k lažjim frakcijam in zmanjšanje blata [2-4]. Obdelava ostankov s hidrodinamično kavitacijo se je izkazala za stroškovno učinkovitejšo od akustične kavitacije pri pilotnih operacijah in lahko izboljša lastnosti bitumna, razžveplanje in stabilnost emulzije pri uporabi, kot so surovine za FCC, hidrotretiranje in goriva za plovila [4,7,8]. Čeprav večina poročanih koristi izhaja iz laboratorijskih in pilotnih meritev, je za varno in učinkovito izvajanje ključnega pomena ustrezen nadzor intenzivnosti kavitacije in časa zadrževanja.
Uporaba pri mešanju
Pri mešanju hidrodinamična kavitacija spodbuja nastanek finih, stabilnih disperzij med težkimi olji in komponentami z nižjo viskoznostjo, kot so biodizel ali pirolizna olja. Visoka strižna sila in mikroturbulenca, ki nastajata med kavitacijo, izboljšata mešanje, zmanjšata nagnjenost k ločevanju faz ter izboljšata homogenost med skladiščenjem in rokovanjem.
Te izboljšave so potrdili neodvisni preizkusi v laboratorijih Bureau Veritas in data-physics. Preglednica 1 povzema primerjavo HFO 380, zmešanega z 20-odstotnim biodizlom (FAME) z običajnim ročnim mešanjem (HD) in kavitacijsko podprtim mešanjem (CF) s sistemom CaviFlow® podjetja RAPTECH. Metoda s kavitacijsko pomočjo je prinesla merljive izboljšave gostote, viskoznosti, vsebnosti žvepla, vsebnosti pepela, ravni usedlin in srednjega indeksa stabilnosti (MSI), hkrati pa je zmanjšala koncentracijo mačjih fines. Testiranje motorjev, ki ga je opravila družba FVTR GmbH, je pokazalo tudi skromno (~1 %) zmanjšanje porabe goriva pri mešanici HFO-20 % FAME, obdelani s kavitacijo.
Glede na velikost plovila, profil delovanja in ceno goriva lahko takšne izboljšave lastnosti pomenijo pomembne operativne koristi v pomorskem sektorju, kjer težko kurilno olje ostaja prevladujoč vir energije.
Tabela 1. Primerjava mešanice HFO 380 z 20-odstotnim biodizlom (FAME) z uporabo običajnega ročnega mešanja (HD) in mešanja s pomočjo kavitacije (CF).
| Parameter | Enota | Mešanje (HD) | Mešanje (CF) | Izboljšanje (%) |
|---|---|---|---|---|
| Gostota pri 50 °C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinematična viskoznost pri 50 °C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Vsebnost žvepla | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Vsebina pepela | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Točka nalivanja | °C | -15 | -15 | 0 |
| Plamenišče (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Skupni potencial sedimentov | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Skupni sediment Obstoječi | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Povprečni indeks stabilnosti (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Cat Fines (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Težka olja s °API < 22.3 se običajno uvrščajo med "težka kurilna olja".
(2) Čeprav se je plamenišče znižalo, obe mešanici ostajata precej nad minimalnimi mejnimi vrednostmi ISO 8217 za preostala goriva za plovila, kar zagotavlja skladnost z varnostnimi predpisi.
3. Zaključek
Hidrodinamična kavitacija predstavlja vsestransko orodje za intenzifikacijo procesov, s katerim je mogoče obravnavati več stalnih izzivov pri rafiniranju nafte, vključno s heterogenostjo surovin, omejitvami prenosa mase, zamašitvijo in predelavo ostankov z visoko viskoznostjo. Hidrodinamična kavitacija ponuja možnosti za izboljšanje disperzije, enakomernosti reakcij in stabilnosti delovanja pri razsoljevanju surove nafte, toplotnih in katalitskih pretvorbenih enotah, obenem pa lahko zmanjša porabo energije in vpliv na okolje. Obetavni rezultati, ki so bili prikazani pri nadgradnji ostankov in kavitacijsko podprtem mešanju - zlasti izboljšano ravnanje in stabilnost mešanic HFO-FAME - poudarjajo pomembnost hidrodinamične kavitacije pri prehodu sektorja rafiniranja in sektorja goriv za pomorski sektor k bolj raznolikim in obnovljivim tokovom goriv. Uvedba standarda ISO 8217:2024 [9], ki omogoča uporabo ladijskih goriv, ki vsebujejo do 100 % FAME, še povečuje potrebo po tehnologijah, ki lahko stabilizirajo mešanice težkih naftnih frakcij z alternativnimi gorivi. Zmožnost hidrodinamične kavitacije, da zmanjša viskoznost, izboljša fazno stabilnost ter ublaži težave z usedlinami in onesnaževali, jo uvršča med praktične pripomočke v tem razvijajočem se okolju.
Uspešna industrijska uporaba bo odvisna od:
- Natančnega nadzora intenzivnosti kavitacije za uravnoteženje povečanja učinkovitosti z integriteto opreme.
- Zagotavljanje združljivosti z visokotemperaturnimi, korozivnimi ali visokoviskoznimi procesnimi tokovi.
- Vključevanje modulov HC v obstoječe konfiguracije rafinerij brez motenj pri nadzoru kritičnih procesov.
Čeprav so trenutni dokazi večinoma pilotni, sta obdelava težkega olja in mešanje goriva s pomočjo hidrodinamične kavitacije spodbudni poti za povečanje učinkovitosti rafinerij, omogočanje vključevanja alternativnih goriv ter podpiranje širših ciljev dekarbonizacije in trajnosti [4]. Te prednosti se neposredno uporabljajo v sektorju pomorskega goriva/goriva za bunkerje, saj zagotavljajo izboljšanje delovanja, okolja in kakovosti goriva.
Avtor: dr: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Reference
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Nadgradnja težkega olja: Omogočanje prihodnje oskrbe z gorivom. Petroleum Science and Technology, 2016, 34(4), 303-308. DOI: 10.1080/10916466.2015.1136949.
- Panda, D.; Saharan, V. K.; Manickam, S. Controlled Hydrodynamic Cavitation: A Review of Recent Advances and Perspectives for Greener Processing (Pregled najnovejših dosežkov in možnosti za okolju prijaznejšo predelavo). 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 (Trenutno stanje raziskav mehanizma učinkov kavitacije pri obdelavi tekočih naftnih derivatov - pregled in predlogi za nadaljnje raziskave). 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 (Eksperimentalna študija o zmanjšanju viskoznosti težkega olja s pomočjo donorjev vodika z uporabo kavitacijskega curka). RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Application of Cavitation in Oil Processing (Uporaba kavitacije pri predelavi nafte): An Overview of Mechanisms and Results of Treatment (Pregled mehanizmov in rezultatov obdelave). ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. A systematic comparison of various upgrading techniques for heavy oil (Sistematična primerjava različnih tehnik nadgradnje težke nafte). 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: Pregled: pogled na ključne osnove, manjkajoče podatke o procesu in ekonomsko izvedljivost. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- Delovna skupina CIMAC za goriva. CIMAC Guideline (Smernice CIMAC): ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
