הפחתת תחמוצות חנקן על ידי תחליב שמן/מים

תחמוצות חנקן (NO_x) ידועים כמסוכנים באופן מיידי לבריאות האדם והסביבה. מנועי דיזל ובנזין ניידים ונייחים תורמים במידה רבה ל-NO העולמי_x פליטת. תחליב של הדלק עם מים היא דרך להפחית את NO_x פליטת מנועים. התחליב העל-קולי הוא אמצעי יעיל לייצור תחליב דלק/מים בגודל עדין.

מכוניות ומשאיות, מטוסים, גנרטורים חשמליים, מלגזות, יחידות מיזוג אוויר ודוודים מייצרים כמויות גדולות של חומר חלקיקי (PM) ולא_x על ידי בעירה של מוצרי נפט. לא_x מתייחס לתערובות של תחמוצת החנקן (NO) וחנקן דו-חמצני (NO₂) וכן N₂הו, לא₃נ',₂O₄ ו-N₂O₅. תחמוצת החנקן וחנקן דו-חמצני לתרום אוזון ברמה נמוכה, ערפיח ומסוכנים לסביבה ולבני אדם. רגולציה סביבתית מטפלת בפליטות מזהמי אוויר על ידי הידוק גבולות. פליטת המנועים כוללת גם גופרית דו-חמצנית (SO₂) כתוצאה מתרכובות גופרית בדלק. בעיה זו מופחתת על ידי hydrodesulfurization או דה-גופרית בסיוע אולטרה-סאונד.

פועל על תחליב דלק/מים

בשנים האחרונות נעשתה עבודה רבה בנושא השפעת המים על NO_x רמות פליטה. יחסי דלק:מים נפחיים שונים מ-1:1 עד 19:1 נבדקו לתכונות בעירה. ברוב המקרים, 1 עד 2 אחוז פעילי שטח נפח נוסף לייצוב תחליב.

רקע על בעירה

שריפת הדלק מייצרת אנרגיה תרמית ומכנית. החלק המכני יכול לשמש להנעת בוכנות או טורבינות להנעה או לייצור חשמל. ברוב המנועים, האנרגיה התרמית אינה מנוצלת. התוצאה היא יעילות תרמודינמית נמוכה יותר.

כ-90% מה-NO_x כתוצאה מתהליך שריפת הדלק הוא לא. NO נוצר בעיקר על ידי חמצון של חנקן אטמוספרי (N₂). מים המוספים לדלק מורידים את טמפרטורת הבעירה עקב אידוי מים. כאשר המים בתחליב הדלק-מים מתאדים, גם הדלק שמסביב מתאדה. זה מגדיל את שטח הפנים של הדלק. הטמפרטורה הנמוכה יותר וחלוקת הדלק הטובה יותר מובילים ל היווצרות נמוכה יותר של NO_x.

תחליב קולי

החדרת מים לשריפת הדלק הוכחה בעבודות רבות כ להוריד את ה-NO_x פליטת. ניתן להוסיף את המים על ידי יצירת תחליב דלק/מים בשתי דרכים:

• לא מיוצב: תחליב מוטבע של מים לתוך הדלק לפני הזרקה
• התייצב: ייצור תחליב דלק/מים יציב שישמש כתחליף דלק טיפתי

קנפילד (1999) מסכם את ה"לא"_x הפחתה על ידי שימוש במים ותוספים אחרים:

• תחליב לא מיוצב
  • תוספת מים%: 10% עד 80%
  • לא_x הפחתה על ידי: 4 עד 60%
• תחליב מיוצב
  • תוספת מים נפח%: 25% עד 50%
  • לא_x הפחתה על ידי: 22% עד 83%

אמולסיה

תחליב הוא תערובת של בדרך כלל נוזלים בלתי ניתנים לערבוב (שלבים), כגון שמן ומים. במהלך תהליך התחלוב, שלב הפיזור (למשל מים) מוכנס לשלב הנוזלי (למשל שמן). על ידי יישום של גזירה גבוההגודל החלקיקים (= גודל טיפה) של שלב הפיזור מצטמצם., ככל שגודל החלקיקים קטן יותר, כך האמולסיה שנוצרת יציבה יותר. יציבות נוספת יכולה להיות מושגת על ידי הכנסת חומרים פעילי שטח או מייצבים. לחץ על הגרפיקה למעלה כדי לראות תוצאות מדגם עבור תחליב קולי של 10% מים בשמן מנוע (Velocite 3, Mobil Oil, המבורג גרמניה). מחקר זה נערך על ידי ברנד ושוברט (2000).

אולטרסאונד

בעת הסוניק נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול המתפשטים לתוך המדיה הנוזלית גורמים לסירוגין למחזורי לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (rarefaction), עם קצב בהתאם לתדר. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים קוליים בעוצמה גבוהה יוצרים בועות ואקום קטנות או חללים בנוזל. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו הן כבר לא יכולות לספוג אנרגיה, הן קורסות באלימות במהלך מחזור לחץ גבוה. תופעה זו נקראת קוויטציה. במהלך הקריסה מגיעים לטמפרטורות גבוהות מאוד (כ-5,000K) וללחצים (כ-2,000ATM) באופן מקומי. קריסת בועת הקוויטציה גורמת גם לסילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה.

אולטרסאונד הוכח כמייצר תחליבים הומוגניים מאוד של מים בשמן (w/o) ושמן במים (o/w) על ידי גזירה קוויטציונית גבוהה. כמו הפרמטרים של ultrasonication ניתנים לשליטה היטב, גודל החלקיקים ואת ההפצה הוא היטב מתכוונן וחוזר על עצמו. בדרך כלל, האולטרסאונד מוחל בכור תאי זרימה. לכן, תחליב יכול להיות מיוצר ברציפות בשורה. מסיבה זו, ultrasonication יכול לשמש להכנת תחליבים מיוצבים ולא מיוצבים.

הטבלה הבאה מציגה יכולות עיבוד כלליות עבור רמות כוח קוליות שונות.

נטרול גזים על-קולי והקצפה

אולטרסאונד עוזר גם להפחית את כמות בועות האוויר בתערובת האמולסיה. התמונה מימין מציגה את ההשפעה (5 שניות. תמונות התקדמות משמאל לימין) של אולטרה-סוניקציה על תוכן הבועה. מכיוון ששינויים בתכולת הבועות גורמים לתנודות בתזמון ההזרקה, הסרת גזים, נטרול ונטרול על ידי ultrasonication משפר את ביצועי המנוע.

ציוד תהליך קולי

Hielscher הוא ספק מוביל של מכשירים קוליים בעלי קיבולת גבוההעולמי. כמו Hielscher עושה מעבדים קוליים של עד 16kW מתח לכל מכשיר בודדיש, אין הגבלה בגודל הצמח או יכולת עיבוד. אשכולות של מספר מערכות 16kW משמשים לייצור כמויות גדולות של דלקים טיפה. עיבוד דלק תעשייתי לא צריך הרבה אנרגיה קולית. ניתן לקבוע את דרישת האנרגיה בפועל באמצעות מעבד קולי 1kW בקנה מידה עליון. כל התוצאות מניסויים כאלה יכולות להיות ניתן להרחבה בקלות.

עלויות של Ultrasonication

Ultrasonication היא טכנולוגיית עיבוד יעילה. עלויות עיבוד אולטראסוניות נובעות בעיקר מההשקעה
עבור מכשירים קוליים, עלויות השירות ותחזוקה. המצטיינים התייעלות אנרגטית (ראה תרשים) של מכשירים קוליים Hielscher מסייע להפחית את עלויות השירות.

ספרות

בהרנד, א., שוברט, ח. (2000)השפעת צמיגות פאזה רציפה על תחליב על ידי אולטרסאונד, בתוך: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.:

קנפילד, א', ג'. (1999): השפעות שריפת תחליב דיזל-מים על מנוע דיזל NO_x פליטות, בתוך: עבודת מאסטר שהוצגה בפני בית הספר לתארים מתקדמים של אוניברסיטת פלורידה, 1999.