Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Riduzione degli NOx attraverso l'emulsificazione petrolio/acqua

Ossidi di azoto (NOx) sono noti per essere immediatamente pericolosi per la salute umana e ambientale. I motori diesel e a benzina stazionari e mobili e fissi contribuiscono in larga misura alle emissioni mondiali di NOx e le emissioni di anidride carbonica. L'emulsificazione del combustibile con acqua è un modo per ridurre le emissioni di NOx dei motori. L'emulsificazione ad ultrasuoni è un mezzo efficace per la generazione di emulsioni fini combustibile/acqua.

Auto e camion, aerei, aerei, generatori elettrici, carrelli elevatori, unità di climatizzazione e caldaie generano grandi quantità di particolato (PM) e di NOx dalla combustione di prodotti petroliferi. NOx si riferisce a miscele di ossido nitrico (NO) e biossido di azoto (NO2) così come N2O, NO3, N2O4 e N2O5. Ossido di azoto e biossido di azoto contribuire all'ozono di basso livello, allo smog, allo smog e sono pericolosi per l'ambiente e per l'uomo. La normativa ambientale affronta il problema delle emissioni di inquinanti atmosferici attraverso limiti di restringimento. Le emissioni del motore comprendono anche l'anidride solforosa (SO2) come risultato di composti di zolfo nel combustibile. Questo problema si riduce con l'idrodesolforazione o desolforazione assistita da ultrasuoni.

Funzionamento con emulsione acqua/benzina

Nel corso degli ultimi anni, molto lavoro è stato fatto sulla l'influenza dell'acqua sulle emissioni di NOx e dei livelli di emissione. Sono stati testati diversi rapporti volumetrici carburante/acqua da 1:1 a 19:1 per le proprietà di combustione. Nella maggior parte dei casi, per la stabilizzazione delle emulsioni è stato aggiunto da 1 a 2% di tensioattivo in volume.

Contesto della combustione

La combustione del combustibile genera energia termica e meccanica. La frazione meccanica può essere utilizzata per azionare pistoni o turbine per la propulsione o per la produzione di energia elettrica. Nella maggior parte dei motori, l'energia termica non viene utilizzata. Questo si traduce in una minore efficienza termodinamica.

Circa il 90% delle emissioni di NOx risultante dal processo di combustione del combustibile è NO. L'NO è formato principalmente dall'ossidazione dell'azoto atmosferico (N2). L'acqua aggiunta al combustibile abbassa la temperatura di combustione a causa dell'evaporazione dell'acqua. Quando l'acqua nell'emulsione acqua-carburante evapora, anche il carburante circostante viene vaporizzato. Questo aumenta la superficie del carburante. La temperatura più bassa e la migliore distribuzione del carburante stanno portando ad un minore formazione di NOx.

Emulsificazione ad ultrasuoni

L'introduzione dell'acqua nella combustione del combustibile ha dimostrato in molti lavori di abbassare il valore NOx emissioni. L'acqua può essere aggiunta formando un'emulsione carburante/acqua in due modi:

  • non stabilizzato: emulsificazione in linea dell'acqua nel carburante prima dell'iniezione
  • stabilizzato: produzione di un'emulsione stabile combustibile/acqua da utilizzare come alternativa di carburante drop-in

Canfield (1999) riassume il valore NOx mediante l'uso di acqua e di altri additivi:

  • emulsione non stabilizzata
    • acqua aggiunta vol%: dal 10 all'80%.
    • NOx riduzione di: dal 4 al 60%.
  • emulsione stabilizzata
    • acqua aggiunta vol%: dal 25 al 50%
    • NOx riduzione di: dal 22 all'83%.

Emulsione

Un'emulsione è una miscela di generalmente liquidi immiscibili (fasi), come l'olio e l'acqua. Durante il processo di emulsificazione, la fase dispersa (ad es. acqua) viene introdotta nella fase liquida (ad es. olio). Con l'applicazione di cesoiala dimensione delle particelle (= dimensione delle goccioline) della fase di dispersione è ridotta. Più piccole sono le dimensioni delle particelle, più stabile è l'emulsione generata. Un'ulteriore stabilità può essere raggiunta con l'introduzione di tensioattivi o stabilizzanti. Clicca sul grafico qui sopra per vedere i risultati del campione per l'emulsione ultrasonica del 10% di acqua in olio motore (Velocite 3, Mobil Oil, Amburgo, Germania). Questo studio è stato condotto da Behrend e Schubert (2000).

Ultrasuono


Nel caso di liquidi sonori ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel liquido si traducono in cicli alternati di alta (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con frequenze variabili a seconda della frequenza. Durante il ciclo a bassa pressione, onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (ca. 5.000K) e pressioni (ca. 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione produce anche getti di liquido fino a 280m/s di velocità.

E' stato dimostrato che gli ultrasuoni generano emulsioni molto omogenee di acqua in olio (senza) e olio in acqua (senza) e olio in acqua (o/n) dal cesoia ad alto taglio cavitazionale. Come i parametri di ultrasonicazione sono ben controllabili, la dimensione delle particelle e la distribuzione è ben controllabile. regolabile e ripetibile. Tipicamente, l'ultrasuono viene applicato in un reattore a cellule di flusso. Pertanto, l'emulsione può essere fatto continuamente in linea. Per questo motivo, l'ecografia può essere utilizzata per la produzione di emulsioni stabilizzate e non stabilizzate.

La tabella seguente mostra le capacità generali di lavorazione per vari livelli di potenza ultrasonica.

Portata
Potenza richiesta
100 a 400L/h
1kW, ad esempio UIP1000hd
400 a 1600L/ora
4kW, ad esempio UIP4000
1.5 a 6,5m³/ora
16kW, ad es. UIP16000
10 a 40m³/ora
96kW, ad es. 6xUIP16000
100 a 400m³/ora
960kW, ad es. 60xUIP16000

Degasaggio e schiumatura ad ultrasuoniDegasaggio ad ultrasuoni dell'olio con un processore ad ultrasuoni UP200S (200 Watt).

Gli ultrasuoni aiutano anche a ridurre la quantità di bolle d'aria nella miscela di emulsione. L'immagine a destra mostra l'effetto (5 secondi di avanzamento delle immagini da sinistra a destra) dell'ultrasonicazione sul contenuto della bolla. Poiché le variazioni del contenuto della bolla causano fluttuazioni nei tempi di iniezione, un degassificazione, disaerazione e schiumatura con l'ultrasuoni migliora le prestazioni del motore.

Apparecchiature di processo ad ultrasuoni

Hielscher è il fornitore leader di dispositivi a ultrasuoni ad alta capacitàin tutto il mondo. Come Hielscher fa processori ad ultrasuoni fino a 16kW potenza per singolo dispositivoc'è nessuna limitazione delle dimensioni dell'impianto o capacità di lavorazione. Per la produzione di grandi volumi di carburanti drop-in vengono utilizzati cluster di diversi sistemi da 16 kW. Lavorazione industriale del combustibile non ha bisogno di molta energia ultrasonica. L'effettivo fabbisogno energetico può essere determinato utilizzando un processore ad ultrasuoni da 1kW in una bilancia da banco. Tutti i risultati di tali prove da banco possono essere produzione su scala industriale.

Costi dell'ultrasonicazione

L'efficienza energetica complessiva è importante per l'ultrasuoni dei liquidi. L'efficienza descrive quanta potenza viene trasmessa dalla spina al liquido. I nostri dispositivi di sonicazione hanno un'efficienza complessiva di oltre l'80%.L'ultrasonicazione è una tecnologia di elaborazione efficace. I costi di lavorazione ad ultrasuoni derivano principalmente dall'investimento
per i dispositivi a ultrasuoni, i costi di utilità e di manutenzione. L'eccezionale efficienza energetica (vedi tabella) dei dispositivi ad ultrasuoni Hielscher aiuta a ridurre i costi di utilità.

Richiesta di altre informazioni!

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Letteratura

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influenza della viscosità a fase continua sull'emulsificazione ad ultrasuoni, in: Ecografia Sonochimica 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C., C. (1999): Effetti della combustione dell'emulsione acqua-diesel su motori diesel NOx Emissioni, dentro: Tesi di Master presentata alla scuola di laurea dell'Università della Florida, 1999.