Reducción de NOx por emulsificación de aceite/agua

Óxidos de nitrógeno (NO_x) son conocidos por su peligrosidad inmediata para la salud humana y medioambiental. Los motores diésel y de gasolina móviles y fijos contribuyen en gran medida al aumento mundial de las emisiones de NO_x . La emulsificación del combustible con agua es una forma de reducir las emisiones de NO_x de los motores. La emulsificación ultrasónica es un medio eficaz para generar emulsiones de combustible/agua de tamaño fino.

Coches y camiones, aviones, generadores eléctricos, carretillas elevadoras, aparatos de aire acondicionado y calderas generan grandes cantidades de partículas (PM) y NO_x por la combustión de productos derivados del petróleo. NO_x se refiere a las mezclas de óxido nítrico (NO) y dióxido nítrico (NO₂), así como N₂O, NO₃, N₂O₄ y N₂O₅. Óxido nítrico y dióxido nítrico contribuyen al ozono de bajo nivel, el smog y son peligrosos para el medio ambiente y los seres humanos. La normativa medioambiental aborda las emisiones de contaminantes atmosféricos mediante límites más estrictos. Las emisiones de los motores también incluyen el dióxido de azufre (SO₂) como consecuencia de los compuestos de azufre presentes en el combustible. Este problema se reduce mediante la hidrodesulfuración o desulfuración asistida por ultrasonidos.

Funcionamiento con emulsión de agua/combustible

En los últimos años se ha trabajado mucho sobre la influencia del agua en el NO_x niveles de emisión. Se han ensayado diversas relaciones volumétricas de combustible:agua de 1:1 a 19:1 para comprobar las propiedades de combustión. En la mayoría de los casos, se añadió entre un 1 y un 2 por ciento de volumen de tensioactivo para estabilizar la emulsión.

Antecedentes de la combustión

La combustión del combustible genera energía térmica y mecánica. La fracción mecánica puede utilizarse para accionar pistones o turbinas para propulsión o generación de electricidad. En la mayoría de los motores, la energía térmica no se utiliza. El resultado es un menor rendimiento termodinámico.

Aproximadamente el 90% de los NO_x resultante del proceso de combustión del combustible es el NO. El NO se forma principalmente por la oxidación del nitrógeno atmosférico (N₂). El agua añadida al combustible reduce la temperatura de combustión debido a la evaporación del agua. Cuando el agua de la emulsión de combustible y agua se evapora, el combustible circundante también se vaporiza. Esto aumenta la superficie del combustible. La menor temperatura y la mejor distribución del combustible conducen a un menor formación de NO_x.

Emulsificación ultrasónica

En muchos trabajos se ha demostrado que la introducción de agua en la combustión del combustible reducir el NO_x emisiones. El agua puede añadirse formando una emulsión de combustible/agua de dos maneras:

• desestabilizado: emulsificación en línea del agua en el combustible antes de la inyección
• estabilizado: fabricación de una emulsión estable de combustible y agua que se utilizará como combustible alternativo de sustitución rápida

Canfield (1999) resume los valores de NO_x reducción mediante el uso de agua y otros aditivos:

• emulsión no estabilizada
  • agua añadida vol%: 10 a 80%
  • No_x reducción por: Del 4 al 60%.
• emulsión estabilizada
  • agua añadida vol%: 25 a 50%
  • No_x reducción por: 22 a 83%.

emulsión

Una emulsión es una mezcla de generalmente líquidos inmiscibles (fases), como el aceite y el agua. Durante el proceso de emulsificación, la fase dispersa (por ejemplo, el agua) se introduce en la fase líquida (por ejemplo, el aceite). Mediante la aplicación de fuerzas de alto cizallamentoEl tamaño de partícula (= tamaño de gota) de la fase dispersa se reduce. Cuanto menor sea el tamaño de las partículas, más estable será la emulsión generada. Se puede conseguir una estabilidad adicional mediante la introducción de tensioactivos o estabilizadores. Haga clic en el gráfico de arriba para ver los resultados de la emulsificación ultrasónica de un 10% de agua en aceite de motor (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburgo, Alemania). Este estudio fue realizado por Behrend y Schubert (2000).

ultrasonidos

Cuando se sonican líquidos a alta intensidad, las ondas sonoras propagadas en el medio generan ciclos fluctuantes de alta presión (compresión) y de baja presión (rarefacción), cuyo ritmo depende de su frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o ambientes de baja presión dentro del líquido. Cuando estas burbujas han aumentado su tamaño hasta un volumen en que ya no pueden absorber más energía, colapsarán violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión, se alcanzan localmente temperaturas (aprox., 5000 K) y presiones (aprox., 2000 atm) muy elevadas. La implosión de las burbuja de cavitación también produce la propulsión de corrientes de líquidos a una velocidad de hasta 280 m/s.

Se ha demostrado que los ultrasonidos generan emulsiones muy homogéneas de agua en aceite (w/o) y aceite en agua (o/w) por el alto cizallamiento cavitacional. Como los parámetros de la ultrasonicación son bien controlables, el tamaño y la distribución de las partículas son bien ajustable y repetible. Normalmente, el ultrasonido se aplica en un reactor de celda de flujo. Por lo tanto, la emulsión puede en línea continua. Por esta razón, la ultrasonicación puede utilizarse para la fabricación de emulsiones estabilizadas y no estabilizadas.

La tabla siguiente muestra las capacidades generales de procesamiento para distintos niveles de potencia ultrasónica.

Desgasificación y antiespumado por ultrasonidos

Los ultrasonidos también ayudan a reducir la cantidad de burbujas de aire en la mezcla de emulsión. La imagen de la derecha muestra el efecto (imágenes de avance de 5 segundos de izquierda a derecha) de la ultrasonicación sobre el contenido de burbujas. Como las variaciones en el contenido de burbujas provocan fluctuaciones en el momento de la inyección, a desgasificación, desaireación y antiespumación mediante ultrasonidos mejora el rendimiento del motor.

Equipos de proceso por ultrasonidos

Hielscher es el proveedor líder de dispositivos ultrasónicos de alta capacidaden todo el mundo. Como Hielscher fabrica procesadores ultrasónicos de hasta 16 kW potencia por dispositivo individualhay sin límite en el tamaño de las plantas o capacidad de procesamiento. Se están utilizando grupos de varios sistemas de 16 kW para la fabricación de grandes volúmenes de combustibles drop-in. Tratamiento industrial del combustible no necesita mucha energía ultrasónica. La necesidad real de energía puede determinarse utilizando un procesador ultrasónico de 1 kW a escala de banco. Todos los resultados de estos ensayos de banco pueden ser fácilmente escalable.

Costes de la ultrasonicación

La ultrasonicación es una tecnología de procesamiento eficaz. Los costes del procesado por ultrasonidos se derivan principalmente de la inversión
para dispositivos ultrasónicos, costes de servicios y mantenimiento. La extraordinaria eficiencia energética (véase gráfico) de los dispositivos ultrasónicos de Hielscher contribuye a reducir los costes de los servicios públicos.

Referencias

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Efectos de la combustión de emulsiones diésel-agua en los NO_x Emisiones, en: Tesis de máster presentada en la escuela de posgrado de la Universidad de Florida, 1999.