NOx-შემცირება ზეთის/წყლის ემულსიფიკაციით

აზოტის ოქსიდები (NO_x) ცნობილია, როგორც ადამიანისა და გარემოს ჯანმრთელობისთვის პირდაპირი საფრთხე. მობილური და სტაციონარული დიზელისა და ბენზინის ძრავები მნიშვნელოვნად ზრდიან NO_x გამონაბოლქვს მსოფლიო მასშტაბით. საწვავის ემულსიფიკაცია წყლით არის ძრავების NO_x გამონაბოლქვის შემცირების გზა. ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია საწვავის/წყლის წვრილწვეთოვანი ემულსიების წარმოქმნის ეფექტური საშუალებაა.

მანქანები და სატვირთოები, თვითმფრინავები, ელექტრო გენერატორები, ფორკლიფტები, საჰაერო კონდიციონერები და ქვაბები წარმოქმნიან ნაწილაკების (PM) და NO_x დიდ რაოდენობას ნავთობპროდუქტების წვის შედეგად. NO_x გულისხმობს აზოტის ოქსიდის (NO) და აზოტის დიოქსიდის (NO₂) ნარევებს, ასევე N₂O, NO₃, N₂O₄ და N₂O₅. აზოტის ოქსიდი და აზოტის დიოქსიდი ხელს უწყობენ მიწისპირა ოზონისა და სმოგის წარმოქმნას და საზიანოა გარემოსა და ადამიანებისთვის. გარემოსდაცვითი რეგულაციები მიმართულია ჰაერის დამაბინძურებელი გამონაბოლქვისკენ ლიმიტების გამკაცრებით. ძრავის გამონაბოლქვი ასევე შეიცავს გოგირდის დიოქსიდს (SO₂) საწვავში არსებული გოგირდის ნაერთების გამო. ეს პრობლემა მცირდება ჰიდროდესულფურიზაციით ან ულტრაბგერით ხელშეწყობილი დესულფურიზაციით.

საწვავის/წყლის ემულსიაზე მუშაობა

ბოლო წლებში, ბევრი მუშაობა ჩატარდა წყლის გავლენაზე NO_x გამონაბოლქვის დონეებზე. სხვადასხვა საწვავი:წყალი მოცულობითი თანაფარდობები 1:1-დან 19:1-მდე გამოიყენებოდა წვის თვისებების შესამოწმებლად. უმეტეს შემთხვევაში, ემულსიის სტაბილიზაციისთვის დაემატა 1-დან 2 მოცულობით პროცენტამდე ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება.

ძირითადი ინფორმაცია წვის შესახებ

საწვავის წვა წარმოქმნის თერმულ და მექანიკურ ენერგიას. მექანიკური ნაწილი შეიძლება გამოყენებულ იქნას დგუშების ან ტურბინების მოსაძრავად პროპულსიისთვის ან ელექტროენერგიის წარმოებისთვის. უმეტეს ძრავებში, თერმული ენერგია არ გამოიყენება. ეს იწვევს თერმოდინამიკური ეფექტურობის დაქვეითებას.

დაახლოებით 90% NO_x , რომელიც მიიღება საწვავის წვის პროცესის შედეგად, არის NO. NO ძირითადად წარმოიქმნება ატმოსფერული აზოტის (N₂) ჟანგვის შედეგად. საწვავში დამატებული წყალი ამცირებს წვის ტემპერატურას წყლის აორთქლების გამო. როდესაც საწვავ-წყლის ემულსიაში არსებული წყალი აორთქლდება, მის გარშემო არსებული საწვავიც აორთქლდება. ეს ზრდის საწვავის ზედაპირის ფართობს. დაბალი ტემპერატურა და საწვავის უკეთესი განაწილება იწვევს NO_x.

ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია

მრავალ ნაშრომში ნაჩვენებია, რომ საწვავის წვის პროცესში წყლის დამატება ამცირებს NO_x გამონაბოლქვს. წყალი შეიძლება დაემატოს საწვავის/წყლის ემულსიის ფორმირებით ორი გზით:

• არასტაბილიზებული: წყლის ინლაინ ემულსიფიკაცია საწვავში ინექციამდე
• სტაბილიზებული: სტაბილური საწვავის/წყლის ემულსიის წარმოება, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნეს არსებული საწვავის პირდაპირ შემცვლელად

Canfield (1999) აჯამებს NO_x შემცირებას წყლისა და სხვა დამატებების გამოყენებით:

• არასტაბილიზებული ემულსია
  • დამატებული წყალი vol%: 10-დან 80%-მდე
  • NO_x შემცირება: 4-დან 60%-მდე
• სტაბილიზებული ემულსია
  • დამატებული წყალი vol%: 25-დან 50%-მდე
  • NO_x შემცირება: 22-დან 83%-მდე

ემულსია

ემულსია არის ზოგადად ურთიერთშეურევადი სითხეების (ფაზების) ნარევი, როგორიცაა ზეთი და წყალი. ემულსიფიკაციის პროცესის დროს, დისპერსიული ფაზა (მაგ. წყალი) შეჰყავთ სითხის ფაზაში (მაგ. ზეთი). მაღალი ძვრისგამოყენებით, დისპერსიული ფაზის ნაწილაკების ზომა (= წვეთების ზომა) მცირდება. რაც უფრო მცირეა ნაწილაკების ზომა, მით უფრო სტაბილურია წარმოქმნილი ემულსია. დამატებითი სტაბილურობა შეიძლება მიღწეულ იქნეს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ან სტაბილიზატორების შეყვანით. დააწკაპუნეთ ზემოთ მოცემულ გრაფიკაზე რომ იხილოთ მაგალითური შედეგები 10% წყლის ულტრაბგერითი ემულსიფიკაციისთვის ძრავის ზეთში (Velocite 3, Mobil Oil, ჰამბურგი, გერმანია). ეს კვლევა ჩაატარა Behrend and Schubert (2000).

ულტრაბგერა

როდესაც სითხეებს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით ამუშავებენ, თხევად გარემოში გავრცელებული ბგერითი ტალღები იწვევს მაღალი წნევისა (შეკუმშვის) და დაბალი წნევის (გაიშვიათების) მონაცვლე ციკლებს, რომელთა სიხშირეც ბგერის სიხშირეზეა დამოკიდებული. დაბალი წნევის ციკლის დროს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები სითხეში ქმნის მცირე ვაკუუმურ ბუშტებს ან ღრუებს. როდესაც ბუშტები აღწევს მოცულობას, რომლის დროსაც მათ ენერგიის შთანთქმა აღარ შეუძლია, ისინი მაღალი წნევის ციკლის დროს მკვეთრად კოლაფსირდება. ამ მოვლენას კავიტაცია ეწოდება. კოლაფსის დროს ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა (დაახლოებით 5,000K) და წნევა (დაახლოებით 2,000atm). კავიტაციული ბუშტის კოლაფსი ასევე წარმოქმნის სითხის ჭავლებს, რომელთა სიჩქარე 280m/s-მდე აღწევს.

დადასტურებულია, რომ ულტრაბგერა წარმოქმნის ძალიან ჰომოგენურ ემულსიებს წყლის ზეთში (w/o) და ზეთის წყალში (o/w) მაღალი კავიტაციული ძვრისგამოყენებით. რადგან ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრები კარგად კონტროლდება, ნაწილაკების ზომა და განაწილება კარგად რეგულირებადი და გამეორებადია. ჩვეულებრივ, ულტრაბგერა გამოიყენება გამდინარე კამერის მქონე რეაქტორში. ამიტომ, ემულსია შეიძლება წარმოიქმნას უწყვეტად ინლაინ. ამ მიზეზით, ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოყენებულ იქნეს სტაბილიზებული და არასტაბილიზებული ემულსიების წარმოებისთვის.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი აჩვენებს ზოგად დამუშავების შესაძლებლობებს სხვადასხვა ულტრაბგერითი სიმძლავრის დონეებისთვის.

ულტრაბგერითი დეგაზაცია და ქაფის მოცილება

ულტრაბგერა ასევე ეხმარება ჰაერის ბუშტების რაოდენობის შემცირებას ემულსიის ნარევში. მარჯვნივ მოცემული სურათი აჩვენებს ულტრაბგერითი დამუშავების გავლენას ბუშტების შემცველობაზე (მარცხნიდან მარჯვნივ ნაჩვენებია ცვლილებები 5წმ ინტერვალებით). რადგან ბუშტების შემცველობის ცვლილებები იწვევს შეფრქვევის მომენტის ცვალებადობას, დეგაზაცია, დეაერაცია და ქაფის მოცილება ულტრაბგერითი დამუშავებით აუმჯობესებს ძრავის წარმადობას.

ულტრაბგერითი პროცესის დანადგარები

Hielscher არის მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი მოწყობილობების წამყვანი მიმწოდებელი, მსოფლიო მასშტაბით. რადგან Hielscher ამზადებს ულტრაბგერით პროცესორებს მაქსიმუმ 16kW სიმძლავრით თითო მოწყობილობაზე, არ არის შეზღუდვა ქარხნის ზომაში ან დამუშავების წარმადობაში. რამდენიმე 16kW სისტემის ჯგუფები გამოიყენება არსებული საწვავის პირდაპირი შემცვლელების დიდი მოცულობით წარმოებისთვის. სამრეწველო საწვავის დამუშავება არ საჭიროებს ბევრ ულტრაბგერით ენერგიას. ენერგიის რეალური საჭიროება შეიძლება განისაზღვროს ლაბორატორიული მაგიდის მასშტაბზე 1kW ულტრაბგერითი პროცესორის გამოყენებით. ასეთი ცდების ყველა შედეგი შეიძლება მარტივად იქნეს გადატანილი უფრო დიდ საწარმოო მასშტაბზე.

ულტრაბგერითი დამუშავების ღირებულება

ულტრაბგერითი დამუშავება ეფექტური ტექნოლოგიაა. ულტრაბგერითი დამუშავების ხარჯებს ძირითადად განსაზღვრავს ინვესტიცია
ულტრაბგერით მოწყობილობებში, კომუნალური ხარჯები და ტექნიკური მომსახურება. გამორჩეული ენერგოეფექტურობა (იხ. დიაგრამა) Hielscher-ის ულტრაბგერით მოწყობილობებში ხელს უწყობს კომუნალური ხარჯების შემცირებას.

ლიტერატურა

Behrend, O., Schubert, H. (2000): უწყვეტი ფაზის სიბლანტის გავლენა ულტრაბგერით ემულსიფიკაციაზე, გამოცემაში: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): დიზელის-წყლის ემულსიის წვის გავლენა დიზელის ძრავის NO_x გამონაბოლქვზე, in: Master Thesis presented to the graduate school of the University of Florida, 1999.