Abstrak Tulisan ini menyelidiki pervaporasi, proses pemisahan membran untuk menghilangkan komponen yang mengandung belerang dari bahan bakar jet. Untuk tujuan ini, satu jenis membran komersial dari PolyAn GmbH diterapkan. Pengaruh parameter reaksi penting dari proses pervaporasi, seperti suhu pakan, menyerap tekanan, dan menyerap suhu, pada pervaporasi karakteristik seperti mengukur fluks permeat dan faktor pengayaan diuji secara eksperimental. Bahan bakar dengan berbagai fraksi massa belerang yang diterapkan dan stabilitas jangka panjang dari membran yang digunakan telah dipelajari. Metode spektroskopi yang berbeda yang diterapkan untuk mengetahui hubungan antara kinerja membran dan sifat material membrane.

Fase Cair Desulfurisasi Bahan Bakar Jet Dengan Kombinasi Pervaporasi Dan Proses Adsorpsi Karena proses hidrodesulfurisasi konvensional bekerja di industri kilang tidak cocok untuk aplikasi sel bahan bakar mobile (misalnya unit daya tambahan, APUs), penelitian bertujuan untuk mengembangkan proses alternatif dan menentukan kelayakan teknisnya. Sejumlah besar proses dinilai sehubungan dengan aplikasi mereka dalam APUs sel bahan bakar. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses dua langkah menggabungkan pervaporasi dan adsorpsi adalah proses yang cocok untuk desulfurisasi on-board dari bahan bakar jet. Oleh karena itu, proses pervaporasi dengan adsorpsi selanjutnya dipilih untuk penyelidikan rinci. Enam bahan membran yang berbeda dan sepuluh bahan sorben disaring untuk memilih calon yang paling cocok. Percobaan laboratorium lebih lanjut dilakukan untuk mengoptimalkan kondisi operasi dan untuk mengumpulkan data untuk desain pilot plant. Kualitas bahan bakar jet yang berbeda dengan sampai 1675 ppmw sulfur dapat desulfurized ke level 10 ppmw. Tujuan untuk mengembangkan proses yang sesuai untuk desulfurisasi bahan bakar jet di APUS sel bahan bakar dengan demikian tercapai. Kesimpulan Dalam studi ini, tahap desulfurisasi cair bahan bakar jet dengan pervaporasi gabungan dan proses adsorpsi diperiksa. Enam bahan membran yang berbeda dan sepuluh bahan sorben disaring untuk memilih calon yang paling cocok. Pengujian di laboratorium telah dilakukan untuk mengoptimalkan kondisi operasi dan untuk mengumpulkan data untuk desain pilot plant. Akibatnya, kualitas bahan bakar jet yang berbeda dengan sampai 1675 belerang ppmw dapat desulfurized oleh pervaporasi dikombinasikan dan proses adsorpsi ke level 10 ppmw. Kerosene mengandung sampai 1675 ppmv Sulfur dapat desulfurized oleh multi-membran pemisahan dengan penurunan lebih dari 50% per langkah. Selanjutnya, proses penyerapan dengan regenerasi sorben terpadu mampu mengurangi kandungan sulfur dalam fraksi pra-perlakuan dari lebih dari 290 ppmw menjadi kurang dari 10 ppmw. Pada langkah selanjutnya proses gabungan pervaporasi dan adsorpsi untuk desulfurisasi kerosene akan terwujud sebagai pilot plant di kelas kW 5. Dalam kerjasama dengan produsen pesawat, usaha keras dilakukan untuk mengkomersilkan teknologi untuk aplikasi penerbangan.

Pendahuluan Sel bahan bakar yang cocok untuk on-board power supply di dalam pesawat terbang, kapal dan barang berat kendaraan. Penggunaan sistem sel bahan bakar di pesawat menawarkan kemungkinan untuk menyederhanakan tata letak pesawat. Sistem penting dalam pesawat, yaitu turbin gas unit daya bertenaga tambahan (APU) untuk suplai listrik, tangki bahan bakar sistem inerting dan tangki air, dapat digantikan oleh satu sistem tunggal, sistem sel bahan bakar. Limbah panas dari sistem sel bahan bakar dapat digunakan untuk melindungi es. Langkah-langkah ini mengurangi konsumsi bahan bakar jet, meningkatkan efisiensi pesawat dan mengijinkan operasi pada emisi rendah. Selain itu, biaya untuk investasi pesawat terkait, untuk perawatan pesawat dan

operasi dapat dikurangi. APUs didorong oleh turbin gas konvensional beroperasi pada efisiensi sekitar 15% atas dasar [1], sementara APU berdasarkan autothermal reformasi solar atau bensin di kombinasi dengan Fuel Cell Elektrolit Polimer (PEFC) dapat mencapai sistem efisiensi hingga 3637% [2,3] Sebagian besar sel bahan bakar yang tersedia saat ini menggunakan hidrogen sebagai sumber bahan bakar. Namun, hidrogen melimpah di alam semesta tidak muncul secara alami dalam bentuk yang langsung dapat digunakan. Solusi populer untuk produksi hidrogen mungkin akan dicapai melalui reformasi pembawa hidrogen. Untuk mengoperasikan sel bahan bakar dengan bahan bakar yang tersedia di kapal, bahan bakar diubah menjadi gas yang kaya hidrogen dengan proses katalitik reforming [4,5]. Karena kedua katalis dalam reformis dan dalam sel bahan bakar yang dinonaktifkan oleh senyawa belerang yang terkandung dalam bahan bakar, bahan bakar cair harus desulfurized ke level maksimal 10 ppmw (parts per million by weight) sulfur [4, 6,7]. Minyak tanah penerbangan komersial digunakan di seluruh dunia adalah standar dalam bentuk Jet A dan Jet A-1, yang diperbolehkan mengandung sampai 3000 senyawa belerang ppmw [8,9]. Sebuah analisis sampel bahan bakar menunjukkan bahwa bahan bakar jet dengan kandungan sulfur total mulai dari 300 sampai 700 ppmw telah dipasarkan di Eropa. On-board desulfurisasi Oleh karena itu diperlukan untuk penggunaan unit sel bahan bakar daya tambahan (APUs) dalam pesawat terbang. Dalam industri minyak bumi, bahan bakar rendah sulfur sering diperoleh dengan hydrocracking atau hydrotreating proses, disebut hidrodesulfurisasi (HDS). Senyawa belerang diubah menjadi hidrogen sulfida, yang kemudian dipisahkan oleh Streaming amina [10,11]. Namun, metode konvensional sangat nyaman untuk mengurangi senyawa sulfur ke tingkat yang diinginkan dalam sistem sel bahan bakar mobile dengan berbagai kapasitas kW 5-10 [12], karena perbaikan efisiensi hidrodesulfurisasi dibatasi oleh kondisi operasi yang semakin parah dan meningkat biaya. Selain itu, hidrodesulfurisasi tidak cocok untuk aplikasi mobile karena kebutuhan daur ulang hidrogen, yang tidak mungkin dengan syngas [10,11]. Dalam kilang selain hidrodesulfurisasi hanya proses S-Zorb, proses penyerapan baru yang dikembangkan oleh Conoco Pillips, digunakan secara komersial [13]. Dengan cara yang sama seperti hidrodesulfurisasi konvensional, proses S-Zorb perlu bersepeda hidrogen dalam reaktor, sehingga tidak berlaku untuk APUs sel bahan bakar baik. Oleh karena itu, proses desulfurisasi baru dikembangkan diperlukan untuk aplikasi ini. Untuk tujuan ini, sejumlah besar proses yang dijelaskan dalam literatur dinilai sehubungan dengan aplikasi mereka dalam APUs sel bahan bakar dan tiga proses berpotensi cocok dipilih: pervaporasi, adsorpsi dan hidrodesulfurisasi dengan prasaturasi [12,14]. Sebuah pendekatan yang sangat menjanjikan menggabungkan proses pervaporasi dan adsorpsi disajikan dalam makalah ini. Process design Desulfurisasi dengan metode distilasi fraksional telah diteliti dalam pekerjaan sebelumnya [12]. Ini adalah proses termal yang memisahkan aliran rendah sulfur bahan bakar dari bahan bakar jet primer. Residu diperkaya dengan spesies belerang dikembalikan ke tangki pesawat [12]. Sejak distilasi termal dilakukan pada suhu tinggi dari 200 C, upaya sedang dilakukan untuk mengembangkan proses desulfurisasi alternatif dengan pervaporasi dioperasikan pada suhu operasi ringan 70-135 C. Desulfurisasi dengan pervaporasi merupakan proses ekstrak aromatik dari hidrokarbon alifatik dengan transportasi difusi pelarut melalui membran non-porous. Penguapan parsial terjadi sebagai akibat dari vakum, sementara membran bertindak sebagai penghalang sulfur selektif antara

dua tahap: retentate fase cair dan fase uap meresap [14-16]. Molekul-molekul sulfur dapat ditarik melalui membran dan terkonsentrasi di aliran permeat (resapan) jika aromatik istimewa menyebar melalui polimer. Konsep lainnya adalah dengan menggunakan membran yang memperkaya kandungan sulfur dalam sisi retentate oleh efek sebaliknya. Tidak dapat diharapkan bahwa pervaporasi akan secara drastis mengurangi kandungan sulfur dalam minyak tanah sampai ke tingkat yang diperlukan dari 10 ppmw dan di bawah. Ini karena itu mengarah pada desain proses multi-tahap yang menggabungkan pervaporasi dan proses adsorpsi, yaitu predesulfurization dan desulfurisasi baik [12]. Aliran proses sederhana secara skematis diperlihatkan pada Gambar. 1. Mempekerjakan konsep desulfurisasi konsentrasi sulfur dari kerosen diharapkan akan berkurang menjadi 10 ppmw. Dalam pendekatan ini, bahan bakar cair pertama dipanaskan sampai suhu yang diinginkan dan kemudian dimasukkan ke dalam bagian membran pervaporasi yang diterapkan untuk mengurangi kandungan sulfur ke tingkat yang relatif rendah. Selanjutnya, bahan bakar cair pradesulfurized selanjutnya dirawat oleh fixed-bed terintegrasi adsorpsi, sedangkan residu dengan konten yang diperkaya belerang disalurkan kembali ke tangki bahan bakar pesawat. Desulfurisasi oleh adsorpsi adalah teknologi yang menggunakan adsorben padat untuk senyawa organosulfur selektif mengadsorpsi dari aliran bahan bakar kilang. Desulfurisasi adsorptif hanya mempekerjakan adsorpsi fisik di mana senyawa organosulfur tetap berada di permukaan sorben padat dalam bentuk asli. Regenerasi sorben dilakukan dengan pembilasan adsorben bekas dengan desorbent mengakibatkan arus organosulfur sangat terkonsentrasi senyawa [10,11]. Proses adsorpsi dilakukan dalam kondisi ringan dan tidak ada H2 dikonsumsi. Hal ini diantisipasi bahwa belerang dapat dihapus untuk tingkat ultraclean dari 10 ppmw atau bahkan lebih rendah. Penyelidikan lebih lanjut diperlukan untuk memverifikasi bahwa proses ini cocok untuk sistem sel bahan bakar ponsel dioperasikan dengan bahan bakar jet:1. Sistem ini harus mampu desulfurize bahan bakar jet dari 3000 ppmw sulfur ke level 10

ppmw. 2. Adsorben yang digunakan dalam unit adsorpsi harus dapat dibuat ulang dengan kelembaban udara bebas bukan hidrogen murni, karena tidak ada hidrogen murni tersedia dalam sistem APU. 3. Sebuah upscale proses diperlukan untuk menunjukkan bahwa proses tersebut secara teknis layak. Untuk memverifikasi penerapan teknis APUs sel bahan bakar, proses pertama kali diteliti pada skala laboratorium dan kemudian pada skala pilot plant. 3. Experimental section 3.1. Eksperimental bahan bakar dan analisis Karena pendekatan desulfurisasi direncanakan akan digunakan di pesawat terbang, karya ini ke terutama dengan berbagai jenis bahan bakar jet komersial. Yang pertama adalah Jet komersial A1, yang dibeli dari Deutschland GmbH Total di Aachen-Merzbrck Bandara di Jerman. Jet A-1 dikelompokkan menjadi bahan bakar Jet A-1 A dan Jet A-1 B karena mereka disampaikan secara terpisah dengan kandungan sulfur yang berbeda dari 564 ppmw dan 712 ppmw, masing-masing. Bahan bakar dengan kandungan sulfur tertinggi yang tersedia (disebut Jet bahan bakar HS) adalah sebagian kecil minyak tanah dari kilang Spergau di Jerman, yang dialihkan dari aliran bahan bakar sebelum langkah desulfurisasi di kilang. Jet A-1 bahan bakar yang mengandung sulfur 3000 ppmw

akan diperiksa dalam studi lebih lanjut [17]. Komposisi senyawa sulfur, kandungan aromatik dan kerapatan bahan bakar yang digunakan ditunjukkan pada Tabel 1. Analisis kuantitatif kandungan sulfur total dalam sampleswas bahan bakar asli dan diperlakukan dilakukan dengan menggunakan Mitsubishi TS-100 analyzer jejak belerang dengan dekomposisi oksidatif dan detektor fluoresensi ultraviolet. Uraian metode sepenuhnya bersertifikat dapat ditemukan di bawah ASTM-D543 atau ISO / DIS 20846 standar [18]. S-sensitif kromatografi gas dengan detektor fotometri nyala berdenyut (PDPF) digunakan (GC Varian CP-3800) untuk menentukan kandungan senyawa belerang individu [19]. 3.2. Pervaporation experiments Percobaan pervaporasi awal dilakukan pada skala laboratorium. Kelayakan teknis dan ekonomis adalah masalah jelas penting yang harus ditangani oleh pilot plant yang dibuat secara khusus. Dua proses pervaporasi berbeda diselidiki. Seperti disebutkan sebelumnya, penghapusan belerang dapat diwujudkan dengan pengayaan belerang di sisi permeat atau di samping retentate tergantung pada selektivitas membran. Kombinasi kedua proses pervaporasi juga sebuah konsep menarik yang akan dibahas kemudian. Seperti disebutkan sebelumnya, penghapusan belerang dapat diwujudkan dengan pengayaan belerang di sisi permeat atau di samping retentate tergantung pada selektivitas membran. Kombinasi kedua proses pervaporasi juga sebuah konsep menarik yang akan dibahas kemudian.

Percobaan pervaporasi dilakukan pada suhu operasi hingga 140 C dalam tes rig dirancang di laboratorium seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Setup melibatkan dievakuasi dan kental merembes dengan umpan dipanaskan terdiri dari membran sel, pompa cairan aliran rendah, tangki pakan, elemen pemanas, wadah kondensat, dll. Khas polimer membran yang terbuat dari poliuretan, poliolefin terfluorinasi, polyesterimides atau polyimides dengan kelompok sulfonil [16]. Sangat penting untuk memilih membran dengan selektivitas tinggi dan juga permeabilitas tinggi. Sayangnya, kedua sifat biasanya cenderung antagonis. Enam membran komersial atau dibuat secara khusus disaring dalam percobaan pervaporasi kami sehubungan dengan selektivitas dan permeabilitas, yang digambarkan sebagai pemisahan faktor dan fluks permeat "dalam tulisan ini N, masing-masing. Rincian dari membran diuraikan dalam Tabel 2 berikut.

3.2.1. Experimental procedure Sebagai langkah awal pertama, minyak tanah dipanaskan sampai suhu yang diinginkan dan dipompa sekitar sirkuit. Kemudian, dengan vakum yang bekerja pada sisi permeat minyak tanah ditarik melalui membran. Setelah menembus terbentuk selama pemanasan sampai periode telah dihapus, percobaan dimulai dengan mengukur fluks massa permeat. Ketika jumlah yang cukup menyerap telah dikumpulkan, perangkap kondensat telah dihapus dari kontainer nitrogen cair. Permeat yang datang melalui membran adalah sampel untuk analisis sulfur. Percobaan biasanya berlangsung antara 1 dan 3 jam mengumpulkan sampel beberapa berkala. Jet A-1 A, Jet A-1 B dan Jet bahan bakar HS dipekerjakan dalam percobaan laboratorium skala. Kondisi operasi di mana kinerja membran optimal yang menarik khususnya. Oleh karena itu, serangkaian percobaan dijadwalkan untuk membran yang menjanjikan untuk mengoptimalkan suhu pakan, tekanan permeat, dan masalah apapun lebih lanjut yang berpotensi dapat mempengaruhi kinerja membrane. 3.3. Adsorption experiments Percobaan adsorpsi dilakukan pada skala laboratorium pada tekanan atmosfer dalam reaktor aliran fixed-bed. Seperti diilustrasikan dalam Gambar. 3, setup terdiri dari tank pakan, pipa dan alat kelengkapan, pengendali aliran cairan, dll. Dalam penelitian ini, kapasitas adsorpsi dan stabilitas regenerasi dan daya tahan merupakan aspek penting untuk dievaluasi untuk serangkaian bahan adsorpsi. Upaya awal dimaksudkan untuk mengidentifikasi adsorben yang paling efektif dan menganalisis kinerja mereka dan potensi regenerasi. Dalam percobaan penyaringan luas efektivitas sepuluh adsorben komersial dan baru dikembangkan yang berbeda dibandingkan, lihat Tabel 3. 3.3.1. Experimental procedure Awalnya, adsorben yang dimuat di dalam reaktor dan diaktifkan pada suhu moderat dalam gas pretreatment. Suhu yang diinginkan dan gas digunakan untuk aktivasi berbeda untuk setiap adsorben, seperti diuraikan pada Tabel 3. Setelah pengobatan aktivasi dari adsorben selesai, bahan bakar jet itu melewati tempat adsorpsi menggunakan pengontrol aliran Mini cair pada laju aliran yang diinginkan. Sampel dikumpulkan dalam limbah secara berkala sampai Waktu terobosan dicapai, titik waktu yang tergantung pada dinamika adsorpsi dan masalah lainnya. Kapasitas regeneratif diperiksa dengan menggunakan ayunan termal sederhana. Para adsorben, yang jenuh dengan senyawa belerang, dipanaskan semalam untuk suhu tinggi di bawah aliran gas dalam tabung perapian. Suhu regenerasi dan gas pengobatan, seperti diuraikan dalam Tabel 3, yang telah ditetapkan berdasarkan sifat yang berbeda dari sorbents. Selama proses regenerasi, di satu sisi, bahan bakar cair yang tidak diobati di kolom reaksi pertama menguap di sekitar 200 C dan aliran dengan aliran sekitarnya sampai dikondensasikan dalam perangkap kondensat. Dalam aplikasi industri, bahan bakar yang kental dapat dikembalikan ke tangki untuk digunakan lebih lanjut. Di sisi

lain, spesies belerang fisik teradsorpsi dikeluarkan dari permukaan sorben sampai batas yang cukup sehingga menyebabkan oksidasi belerang atau pengurangan pada suhu tinggi. Sebuah proses regenerasi dengan adsorpsi berikutnya dinotasikan sebagai siklus desulfurisasi adsorptif. Beberapa siklus dilakukan berturut-turut untuk membuktikan kemampuan untuk memproduksi percobaan. Setelah kandidat yang menjanjikan telah diidentifikasi, percobaan lebih bertahap dilakukan untuk mengevaluasi kinerja desulfurisasi dengan kualitas bahan bakar yang berbeda. Selain itu, dampak dari adsorpsi-regenerasi kondisi operasi, ukuran partikel adsorben dan dimensi tempat tidur pada kinerja adsorpsi diperiksa untuk mencapai kinerja yang optimal atas tempat tidur adsorben yang dipilih. Pada langkah terakhir, proses itu ditingkatkan di laboratorium untuk mengevaluasi kelayakan dan membangun keyakinan penuh. 4. Results and discussion 4.1. Pervaporation Dalam penelitian ini, permeasi n fluks "dihitung dengan pembobotan permeat relatif terhadap permukaan luar membran. Faktor pemisahan ditentukan sebagai (Cs) Pakan = Per / (Cs). Ini menunjukkan rasio antara fraksi berat komponen belerang pulih dalam menyerap dan fraksi berat komponen belerang memasuki proses. Faktor pemisahan diukur bersama dengan fluks permeat yang sesuai untuk lima membran yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 4. Membran M1, M-2 dan M-4 ditampilkan pengurangan belerang dalam menyerap tidak lebih dari 20% pada fluks permeat signifikan minimal 1 kg/hm2. Perilaku pervaporasi terbaik diperoleh dengan membran poliuretan M-3 untuk mengobati Jet A-1 A. Tergantung pada kondisi operasi, faktor pemisahan 0,40-0,60 dapat dicapai dengan fluks permeat yang sesuai dari 1,00 kg / jam m2 sampai dengan 5,64 kg / jam m2. Oleh karena itu, membran M-3 dipilih untuk analisa lebih lanjut dalam percobaan permeasi. Selain itu, membran M-6 juga dianggap sebagai kandidat yang menjanjikan. Faktor pemisahan berjumlah sekitar 0,5 dengan fluks permeat dari 0,93-3,08 kg / jam m2. Sebuah versi baru dari membran M-6, yang hanya berbeda dalam ketebalan dari versi pertama, sedang dalam pembangunan dalam rangka meningkatkan fluks permeat. Dibandingkan dengan fraksi ringan 50% dengan metode distilasi, hampir sama pengurangan kandungan sulfur dapat dicapai melalui membran M-3, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5. Selain itu. komposisi besar permeat dan fraksi ringan 50% adalah sebanding. 72% dari kandungan sulfur dalam permeat yang rendah mendidih thiophenes dan thiophenes teralkilasi, sementara 70% dari kandungan sulfur dalam fraksi ringan 50% berasal dari distilasi terdeteksi sebagai thiophenes dan thiophenes teralkilasi. Dalam rentang dipelajari untuk membran M-3, yaitu 50 C