Homogenização ultrassônica para diesel e ácido fórmico

I. Conceitos principais

Diesel: um combustível tradicional à base de petróleo.

Ácido fórmico: um ácido carboxílico simples com a fórmula molecular HCOOH. É considerado um promissor portador de hidrogênio líquido e combustível à base de biomassa.

Homogenização: Aqui, refere-se à mistura de dois líquidos imiscíveis (como ácido fórmico polar e diesel não polar) em uma mistura estável, finamente dividida e uniforme, conhecida como emulsão.

Tecnologia ultrassônica: uma ferramenta -chave para alcançar essa homogeneização.

Ii. Por que homogeneizar ácido fórmico com diesel?

Misturar ácido fórmico com diesel pode servir a vários propósitos:

Como um aditivo verde/combustível alternativo:

Substitui parcialmente os combustíveis fósseis: o ácido fórmico pode ser produzido por hidrogenação de dióxido de carbono usando fontes de energia renovável (como energia solar e eólica), tornando -o um combustível líquido 'verde'. Misturá -lo com diesel pode reduzir a dependência de combustíveis fósseis e diminuir as emissões de carbono.

Melhorando as propriedades de combustão: o ácido fórmico contém oxigênio, que teoricamente pode ajudar a melhorar a eficiência da combustão do diesel, resultando em combustão mais completa e, consequentemente, emissões reduzidas de fuligem e material particulado (PM).

Usando para reforma de hidrogênio como portador de hidrogênio:

Este é um conceito mais de ponta. O ácido fórmico pode ser reformado a baixas temperaturas em um catalisador para produzir hidrogênio e dióxido de carbono.

A idéia é injetar uma emulsão fórmica-diesel no cilindro do motor. Usando calor residual ou um catalisador, o ácido fórmico se decompõe in situ, liberando hidrogênio.

A adição de hidrogênio pode melhorar significativamente a combustão do diesel, aumentar significativamente a eficiência térmica e reduzir significativamente o óxido de nitrogênio e as emissões de matéria de partículas. Este é um conceito conhecido como 'produção de hidrogênio no cilindro' ''

Iii. Por que escolher a homogeneização ultrassônica?

Ácido fórmico e diesel são líquidos imiscíveis. A agitação mecânica simples produz apenas uma mistura áspera e instável que se separa rapidamente. A ultrassônica é uma das principais tecnologias para produzir emulsões ultrafinas e estáveis.

O princípio da homogeneização ultrassônica (efeito de cavitação):

O gerador ultrassônico gera um sinal elétrico de alta frequência, que é convertido por um transdutor em vibrações mecânicas de alta frequência. Isso é transmitido à sonda (agulha) através de uma buzina. A sonda vibra em uma frequência extremamente alta (por exemplo, 20 kHz) no líquido, gerando ciclos alternados de alta e baixa pressão.

Formação de bolhas de cavitação: Durante o ciclo de baixa pressão, as microbolhas no líquido se expandem rapidamente.

Colapso da bolha da cavitação: Durante o ciclo subsequente de alta pressão, essas bolhas são comprimidas e colapsam violentamente em velocidades extremamente altas (> 500 m/s).

HOMOGENIZAÇÃO: No momento em que uma bolha de cavitação cai, gera enormes forças de cisalhamento, ondas de choque e microjatos dentro de um espaço muito pequeno. Essas forças extremas rasgam violentamente o líquido circundante, quebrando a fase de ácido fórmico em gotículas de nano ou mícrons. Essas gotículas são dispersas uniformemente na fase diesel contínua, formando uma emulsão altamente estável.

4. Sistema de homogeneização ultrassônica e fluxo de processo

Componentes do sistema:

Gerador ultrassônico: fonte de energia e cérebro de controle.

Transdutor: converte sinais elétricos em vibrações mecânicas.

Amplificador: amplifica a amplitude da vibração.

Sonda (agulha): A porção imersa no líquido que gera diretamente a cavitação. Normalmente feito de liga de titânio para resistência à corrosão.

Reator: O vaso que mantém a mistura de diesel e ácido fórmico.

Fluxo de processo:

Adicione uma proporção específica de diesel e ácido fórmico (e opcionalmente um estabilizador de emulsão) ao reator.

Mergulhe a sonda ultrassônica abaixo da superfície líquida.

Ligue o equipamento e defina os parâmetros (potência, amplitude, tempo de tratamento e temperatura).

A onda ultrassônica começa a funcionar, transformando rapidamente o líquido em uma emulsão.

Após o tratamento, é obtida um combustível de emulsão fórmica-diesel com distribuição de tamanho de partícula fino e uniforme e alta estabilidade.

V. Vantagens e desafios técnicos

Vantagens:

Eficiência: A energia é aplicada diretamente ao líquido, resultando em alta eficiência e rápida homogeneização.

Uniformidade e estabilidade: gotículas de tamanho nano podem ser produzidas, resultando em uma emulsão com estabilidade muito maior do que a agitação mecânica.

Alta controlabilidade: o tamanho da gota pode ser controlado com precisão ajustando os parâmetros como potência e tempo.

Não há necessidade de grandes quantidades de emulsificantes: a forte força mecânica reduz a dependência de surfactantes.

Escalabilidade: linearmente escalável da escala de laboratório para as taxas de fluxo industrial.

Desafios e considerações:

Compatibilidade do material: O ácido fórmico é corrosivo aos metais; portanto, os materiais do sistema (por exemplo, sondas e reatores) devem ser resistentes à corrosão (por exemplo, ligas de titânio, certos aços inoxidáveis ​​ou vidro).

Estabilidade de emulsão a longo prazo: Embora o ultrassom possa produzir gotículas extremamente finas, sem um emulsificante adequado, a separação pode ocorrer durante o armazenamento a longo prazo. É necessária pesquisa para otimizar a formulação do emulsificante.

Impacto nas propriedades de combustível: é necessária uma avaliação abrangente das propriedades do combustível misto, como lubrificação, viscosidade, valor calorífico e fluidez de baixa temperatura, para garantir a compatibilidade com os motores a diesel existentes.

Custo: O custo dos equipamentos e operações ultrassônicos deve ser pesado contra os benefícios (redução de emissões e substituição de combustível).

Segurança: o ácido fórmico é corrosivo e irritante, exigindo precauções de segurança apropriadas.

Resumo

A homogeneização do ácido fórmico a diesel ultrassônico é um processo inovador que utiliza a tecnologia avançada de cavitação ultrassônica para misturar ácido fórmico, um portador de aditivo verde ou hidrogênio, com diesel para produzir um combustível de emulsão estável e de alto desempenho.

Seu valor central está em:

Fornecendo um caminho potencial para reduzir as emissões e aumentar a eficiência nos motores a diesel (através da adição de combustíveis oxigenados ou produção de hidrogênio no cilindro).

Ele fornece um método eficiente, confiável e controlável para preparar emulsões, superando as limitações das técnicas de mistura tradicionais.

Atualmente, essa tecnologia está principalmente na fase de desenvolvimento de laboratório e piloto. A aplicação generalizada nos motores reais exige abordar uma série de desafios de engenharia, incluindo materiais, estabilidade, custo e teste abrangente de bancada de mecanismo. No entanto, isso é sem dúvida uma direção de pesquisa muito promissora nos campos de energia e ambiental.