Smanjenje NOx emulzifikacijom ulja/vode

Dušikovi oksidi (BR_x) poznato je da su neposredno opasni po zdravlje ljudi i okoliša. Mobilni i stacionarni dizel i benzinski motori u velikoj mjeri doprinose svjetskom NO_x emisije. Emulgiranje goriva vodom je način da se smanji NO_x emisije motora. Ultrazvučna emulzifikacija je efikasno sredstvo za stvaranje finih emulzija goriva/vode.

Automobili i kamioni, avioni, električni generatori, viljuškari, klima uređaji i kotlovi proizvode velike količine čestica (PM) i NO_x sagorevanjem naftnih derivata. NO_x odnosi se na mješavine dušikovog oksida (NO) i dušikovog dioksida (NO₂) kao i N₂O, NE₃, N₂O₄ i N₂O₅. Dušikov oksid i dušikov dioksid doprinose niskom nivou ozona, smogu i opasni su po životnu sredinu i ljude. Ekološka regulativa se bavi emisijom zagađivača u vazduh pooštravanje granica. Emisije motora također uključuju sumpor dioksid (SO₂) kao rezultat jedinjenja sumpora u gorivu. Ovaj problem se smanjuje hidrodesulfurizacijom ili Odsumporavanje uz pomoć ultrazvuka.

Rad na emulziji goriva/vode

Posljednjih godina dosta je urađeno na tom području uticaj vode na NO_x nivoi emisije. Različiti zapreminski odnosi gorivo:voda od 1:1 do 19:1 su testirani na svojstva sagorevanja. U većini slučajeva, 1 do 2 volumna postotka surfaktanta je dodano za stabilizaciju emulzije.

Pozadina o sagorijevanju

Sagorevanjem goriva nastaje toplotna i mehanička energija. Mehanička frakcija se može koristiti za pogon klipova ili turbina za pogon ili proizvodnju električne energije. U većini motora toplinska energija se ne koristi. Ovo rezultira nižom termodinamičkom efikasnošću.

Pribl. 90% NO_x rezultat procesa sagorevanja goriva je NE. NO prvenstveno nastaje oksidacijom atmosferskog dušika (N₂). Voda dodana gorivu snižava temperaturu sagorevanja zbog isparavanja vode. Kada voda u emulziji gorivo-voda ispari, okolno gorivo također isparava. Ovo povećava površinu goriva. Niža temperatura i bolja distribucija goriva dovode do a niže stvaranje NO_x.

Ultrazvučna emulzifikacija

Uvođenje vode u sagorijevanje goriva pokazalo se u mnogim radovima smanji NO_x emisije. Voda se može dodati formiranjem emulzije gorivo/voda na dva načina:

• nestabilizirano: inline emulgiranje vode u gorivo prije ubrizgavanja
• stabilizirano: proizvodnju stabilne emulzije gorivo/voda koja će se koristiti kao alternativa gorivu

Canfield (1999) rezimira NO_x smanjenje upotrebom vode i drugih aditiva:

• nestabilizovana emulzija
  • dodana voda vol%: 10 do 80%
  • br_x smanjenje za: 4 do 60%
• stabilizovana emulzija
  • dodana voda vol%: 25 do 50%
  • br_x smanjenje za: 22 do 83%

Emulzija

Emulzija je općenito mješavina tečnosti koje se ne mešaju (faze), kao što su ulje i voda. Tokom procesa emulgiranja, disperzna faza (npr. voda) se uvodi u tečnu fazu (npr. ulje). Primjenom od visoki smicanje, veličina čestica (= veličina kapljice) disperzne faze je smanjena. Što je manja veličina čestica, to je stabilnija stvorena emulzija. Dodatna stabilnost se može postići uvođenjem surfaktanata ili stabilizatora. Kliknite na gornju grafiku da vidite rezultate uzoraka za ultrazvučnu emulzifikaciju 10% vode u motornom ulju (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg Njemačka). Ovu studiju je sprovela Behrend i Schubert (2000).

Ultrazvuk

Prilikom ultrazvučne obrade tekućina visokog intenziteta, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju naizmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), sa brzinama koje zavise od frekvencije. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mehuriće ili praznine u tečnosti. Kada mjehurići dostignu zapreminu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, oni se snažno kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen se naziva kavitacija. Tokom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5.000 K) i pritisci (cca. 2.000 atm). Implozija kavitacionog mjehura također rezultira mlazovima tekućine brzine do 280 m/s.

Dokazano je da ultrazvuk stvara vrlo homogene emulzije vode u ulju (w/o) i ulja u vodi (o/w) po visoko kavitacijsko smicanje. Kako se parametri ultrazvučne obrade mogu dobro kontrolirati, veličina čestica i distribucija su dobro podesiv i ponovljiv. Obično se ultrazvuk primjenjuje u reaktoru s protočnim ćelijama. Dakle, emulzija može biti izrađuje se kontinuirano u liniji. Iz tog razloga, ultrazvuk se može koristiti za izradu stabiliziranih i nestabiliziranih emulzija.

Tabela ispod prikazuje opšte kapacitete obrade za različite nivoe ultrazvučne snage.

Ultrazvučno otplinjavanje i otpjenjenje

Ultrazvuk takođe pomaže smanjiti količinu zračnih mjehurića u mešavini emulzije. Slika sa desne strane pokazuje efekat (slike napretka od 5 sekundi s leva na desno) ultrazvučne obrade na sadržaj mehurića. Kako varijacije u sadržaju mjehurića uzrokuju fluktuacije u vremenu ubrizgavanja, a otplinjavanje, odzračivanje i penjenje ultrazvukom poboljšava performanse motora.

Ultrazvučna procesna oprema

Hielscher je vodeći dobavljač ultrazvučnih uređaja visokog kapaciteta, širom svijeta. Kao što Hielscher proizvodi ultrazvučne procesore do 16kW snage po jednom uređaju, postoji nema ograničenja u veličini biljke ili kapacitet obrade. Grupe od nekoliko sistema od 16kW koriste se za proizvodnju velikih količina ubrizganih goriva. Industrijska prerada goriva ne treba mnogo ultrazvučne energije. Stvarna potreba za energijom može se odrediti korištenjem ultrazvučnog procesora od 1kW u stolnoj skali. Svi rezultati iz ovakvih bench-top ispitivanja mogu biti lako se povećava.

Troškovi ultrazvučne obrade

Ultrazvuk je efikasna tehnologija obrade. Troškovi ultrazvučne obrade uglavnom su rezultat ulaganja
za ultrazvučne uređaje, komunalne troškove i održavanje. Izvanredan energetske efikasnosti (vidi grafikon) od Hielscher ultrazvučnih uređaja pomaže u smanjenju komunalnih troškova.

Književnost

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Utjecaj viskoznosti kontinuirane faze na emulzifikaciju ultrazvukom, u: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Efekti sagorijevanja emulzije dizel-voda na dizel motor NO_x Emisije, u: Master rad predstavljen na postdiplomskim studijama Univerziteta Florida, 1999.