Reducción de NOx mediante la emulsificación de aceite/agua

Se sabe que los óxidos de nitrógeno (NO_x) representan un peligro inmediato para la salud humana y el medio ambiente. Los motores diésel y de gasolina, tanto móviles como estacionarios, contribuyen en gran medida a las emisiones mundiales 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 método eficaz para generar emulsiones de combustible/agua con gotas de pequeño tamaño.

Los automóviles y camiones, las aeronaves, los generadores eléctricos, las carretillas elevadoras, los equipos de aire acondicionado y las calderas generan grandes cantidades de material particulado (PM) y NO_x mediante la combustión de productos derivados del petróleo. NO_x designa mezclas de óxido nítrico (NO) y dióxido nítrico (NO₂) así como N₂O, NO₃, N₂O₄ y N₂O₅. El óxido nítrico y el dióxido nítrico contribuyen a la formación de ozono a baja altura y esmog y son peligrosos para el medio ambiente y las personas. La normativa medioambiental aborda las emisiones de contaminantes atmosféricos mediante límites más estrictos. Las emisiones de los motores también incluyen dióxido de azufre (SO₂) debido a los compuestos de azufre presentes en el combustible. Este problema se reduce mediante la hidrodesulfuración o la desulfuración asistida por ultrasonidos.

Funcionamiento con una emulsión de combustible/agua

En los últimos años se han realizado numerosos estudios sobre la influencia del agua en los niveles de emisión de NO_x . Se han evaluado las propiedades de combustión de diversas relaciones volumétricas combustible:agua, desde 1:1 hasta 19:1. En la mayoría de los casos se añadió entre 1 y 2 por ciento en volumen de tensioactivo para estabilizar la emulsión.

Fundamentos de la combustión

La combustión del combustible genera energía térmica y mecánica. La fracción mecánica puede utilizarse para accionar pistones o turbinas para la propulsión o la generación de electricidad. En la mayoría de los motores, la energía térmica no se aprovecha. Esto da lugar a una menor eficiencia termodinámica.

Aproximadamente el 90% de los NO_x generados en el proceso de combustión del combustible corresponde a 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 su evaporación. Cuando el agua de la emulsión de combustible/agua se evapora, el combustible que la rodea también se vaporiza. Esto aumenta la superficie del combustible. La menor temperatura y la mejor distribución del combustible dan lugar a una menor formación de NO_x.

Emulsificación ultrasónica

Numerosos estudios han demostrado que introducir agua en la combustión del combustible permite reducir los NO_x emitidos. El agua puede añadirse formando una emulsión de combustible/agua de dos maneras:

• sin estabilizar: emulsificación en línea del agua en el combustible antes de la inyección
• estabilizada: fabricación de una emulsión estable de combustible/agua para utilizarla como combustible alternativo de sustitución directa

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

• emulsión sin estabilizar
  • agua añadida vol%: 10 a 80%
  • Reducción de NO_x en: 4 a 60%
• emulsión estabilizada
  • agua añadida vol%: 25 a 50%
  • Reducción de NO_x en: 22 a 83%

Emulsión

Una emulsión es una mezcla de líquidos generalmente inmiscibles (fases), como el aceite y el agua. Durante el proceso de emulsificación, la fase dispersa (p. ej., agua) se introduce en la fase líquida (p. ej., aceite). Mediante la aplicación de un intenso cizallamiento, se reduce el tamaño de las partículas (= tamaño de las gotas) de la fase dispersa. Cuanto menor es el tamaño de las partículas, más estable es la emulsión generada. Puede conseguirse una mayor estabilidad mediante la incorporación de tensioactivos o estabilizantes. Haga clic en el gráfico de arriba para ver ejemplos de 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

Al sonicar líquidos con intensidades elevadas, las ondas sonoras que se propagan por el medio líquido producen ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), cuya tasa de repetición depende de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o cavidades en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas muy elevadas (aprox. 5.000K) y presiones muy altas (aprox. 2.000atm). La implosión de la burbuja de cavitación también produce chorros de líquido con velocidades de hasta 280 m/s.

Se ha demostrado que los ultrasonidos generan emulsiones muy homogéneas de agua en aceite (w/o) y de aceite en agua (o/w) gracias al intenso cizallamiento producido por la cavitación. Como los parámetros de la sonicación pueden controlarse con precisión, el tamaño de las partículas y su distribución son ajustables y reproducibles. Normalmente, los ultrasonidos se aplican en un reactor con celda de flujo. Por tanto, la emulsión puede producirse de forma continua en línea. Por este motivo, la sonicación puede utilizarse para fabricar emulsiones estabilizadas y sin estabilizar.

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

Desgasificación y eliminación de espuma por ultrasonidos

Los ultrasonidos también ayudan a reducir la cantidad de burbujas de aire en la mezcla emulsionada. La imagen de la derecha muestra el efecto de la sonicación sobre el contenido de burbujas (imágenes de la evolución: 5sec., de izquierda a derecha). Como las variaciones en el contenido de burbujas provocan fluctuaciones en el momento de la inyección, la desgasificación, desaireación y eliminación de espuma mediante sonicación mejora el rendimiento del motor.

Equipos de procesamiento ultrasónico

Hielscher es el proveedor líder de equipos ultrasónicos de alta capacidad, a escala mundial. Dado que Hielscher fabrica procesadores ultrasónicos de hasta 16 kW de potencia por equipo, no hay límites en cuanto al tamaño de la planta o la capacidad de procesamiento. Se utilizan conjuntos de varios sistemas de 16 kW para fabricar grandes volúmenes de combustibles de sustitución directa. El procesamiento industrial de combustibles no requiere mucha energía ultrasónica. La demanda real de energía puede determinarse utilizando un procesador ultrasónico de 1 kW a escala de laboratorio de sobremesa. Todos los resultados de estos ensayos de sobremesa pueden escalarse fácilmente.

Costes de la sonicación

La sonicación es una tecnología de procesamiento eficaz. Los costes del procesamiento ultrasónico se deben principalmente a la inversión
en equipos ultrasónicos, los costes de los suministros y el mantenimiento. La excelente eficiencia energética (véase el gráfico) de los equipos ultrasónicos de Hielscher ayuda a reducir los costes de los suministros.

Bibliografía

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.