Homogeneización ultrasónica para diesel y ácido fórmico

I. Conceptos centrales

Diesel: un combustible tradicional a base de petróleo.

Ácido fórmico: un ácido carboxílico simple con la fórmula molecular HCOOH. Se considera un prometedor portador de hidrógeno líquido y combustible a base de biomasa.

Homogeneización: aquí, se refiere a la mezcla de dos líquidos inmiscibles (como el ácido fórmico polar y el diesel no polar) en una mezcla estable, finamente dividida y uniforme, conocida como emulsión.

Tecnología ultrasónica: una herramienta clave para lograr esta homogeneización.

II. ¿Por qué homogeneizar el ácido fórmico con diesel?

Mezclar ácido fórmico con diesel puede cumplir varios propósitos:

Como aditivo verde/combustible alternativo:

Reemplaza parcialmente los combustibles fósiles: el ácido fórmico se puede producir hidrogenando dióxido de carbono utilizando fuentes de energía renovables (como energía solar y eólica), lo que lo convierte en un combustible líquido 'verde'. Mezclarlo con diesel puede reducir la dependencia de los combustibles fósiles y las bajas emisiones de carbono.

Mejora de las propiedades de combustión: el ácido fórmico contiene oxígeno, lo que en teoría podría ayudar a mejorar la eficiencia de la combustión diesel, lo que resulta en una combustión más completa y, en consecuencia, a las emisiones reducidas de hollín y partículas (PM).

Uso para la reforma de hidrógeno como portador de hidrógeno:

Este es un concepto más de vanguardia. El ácido fórmico puede reformarse a bajas temperaturas sobre un catalizador para producir hidrógeno y dióxido de carbono.

La idea es inyectar una emulsión de ácido fórmico-diesel en el cilindro del motor. Usando calor residual o un catalizador, el ácido fórmico se descompone in situ, liberando hidrógeno.

La adición de hidrógeno puede mejorar significativamente la combustión diesel, aumentar significativamente la eficiencia térmica y reducir significativamente las emisiones de óxido de nitrógeno y partículas. Este es un concepto conocido como 'producción de hidrógeno en cilindro. '

Iii. ¿Por qué elegir la homogeneización ultrasónica?

El ácido fórmico y el diesel son líquidos inmiscibles. La agitación mecánica simple solo produce una mezcla áspera e inestable que se separa rápidamente. Ultrasonics es una de las principales tecnologías para producir emulsiones ultrafinas y estables.

El principio de homogeneización ultrasónica (efecto de cavitación):

El generador ultrasónico genera una señal eléctrica de alta frecuencia, que se convierte por un transductor en vibraciones mecánicas de alta frecuencia. Esto se transmite a la sonda (aguja) a través de una bocina. La sonda vibra a una frecuencia extremadamente alta (p. Ej., 20 kHz) en el líquido, generando ciclos alternos de alta y baja presión.

Formación de burbujas de cavitación: durante el ciclo de baja presión, las microburbujas en el líquido se expanden rápidamente.

Colapso de burbujas de cavitación: durante el ciclo posterior de alta presión, estas burbujas se comprimen y colapsan violentamente a velocidades extremadamente altas (> 500 m/s).

Homogeneización: en el momento en que se colapsa una burbuja de cavitación, genera enormes fuerzas de corte, ondas de choque y microjetes dentro de un espacio muy pequeño. Estas fuerzas extremas destrozan violentamente el líquido circundante, rompiendo la fase de ácido fórmico en gotas del tamaño de nano o micras. Estas gotas se dispersan uniformemente dentro de la fase diesel continua, formando una emulsión altamente estable.

IV. Sistema de homogeneización ultrasónica y flujo de procesos

Componentes del sistema:

Generador ultrasónico: fuente de energía y cerebro de control.

Transductor: convierte las señales eléctricas en vibraciones mecánicas.

Amplificador: amplifica la amplitud de vibración.

Sonda (aguja): la porción sumergida en el líquido que genera directamente la cavitación. Típicamente hecho de aleación de titanio para resistencia a la corrosión.

Reactor: el vaso que contiene la mezcla diesel y ácido fórmico.

Flujo de proceso:

Agregue una relación específica de diesel y ácido fórmico (y opcionalmente un estabilizador de emulsión) al reactor.

Sumerja la sonda ultrasónica debajo de la superficie líquida.

Encienda el equipo y establezca los parámetros (potencia, amplitud, tiempo de tratamiento y temperatura).

La ola ultrasónica comienza a funcionar, transformando rápidamente el líquido en una emulsión.

Después del tratamiento, se obtiene un combustible de emulsión de ácido fórmico con una distribución de tamaño de partícula uniforme fina y alta estabilidad.

V. Ventajas y desafíos técnicos

Ventajas:

Eficiencia: la energía se aplica directamente al líquido, lo que resulta en alta eficiencia y homogeneización rápida.

Uniformidad y estabilidad: se pueden producir gotas de tamaño nano, lo que resulta en una emulsión con una estabilidad mucho mayor que la agitación mecánica.

Alta capacidad de control: el tamaño de la gota se puede controlar con precisión ajustando los parámetros como la potencia y el tiempo.

No hay necesidad de grandes cantidades de emulsionantes: la fuerte fuerza mecánica reduce la dependencia de los tensioactivos.

Escalabilidad: linealmente escalable desde la escala de laboratorio hasta las tasas de flujo industrial.

Desafíos y consideraciones:

Compatibilidad del material: el ácido fórmico es corrosivo para los metales, por lo que los materiales del sistema (por ejemplo, sondas y reactores) deben ser resistentes a la corrosión (por ejemplo, aleaciones de titanio, ciertos aceros inoxidables o vidrio).

Estabilidad de la emulsión a largo plazo: aunque el ultrasonido puede producir gotas extremadamente finas, sin un emulsionante adecuado, la separación puede ocurrir durante el almacenamiento a largo plazo. Se necesita investigación para optimizar la formulación del emulsionante.

Impacto en las propiedades del combustible: se requiere una evaluación integral de las propiedades del combustible mixto, como lubricidad, viscosidad, valor calorífico y fluidez de baja temperatura, para garantizar la compatibilidad con los motores diesel existentes.

Costo: El costo de los equipos y operaciones ultrasónicas debe sopesarse con los beneficios (reducción de emisiones y sustitución de combustible).

Seguridad: el ácido fórmico es corrosivo e irritante, lo que requiere precauciones de seguridad apropiadas.

Resumen

La homogeneización ultrasónica de ácido fórmico diesel es un proceso innovador que utiliza tecnología de cavitación ultrasónica avanzada para combinar el ácido fórmico, un aditivo verde o portador de hidrógeno, con diesel para producir un combustible de emulsión estable de alto rendimiento.

Su valor central radica en:

Proporcionar una ruta potencial para reducir las emisiones y aumentar la eficiencia en los motores diesel (mediante la adición de combustibles oxigenados o producción de hidrógeno en el cilindro).

Proporciona un método eficiente, confiable y controlable para preparar emulsiones, superando las limitaciones de las técnicas de mezcla tradicionales.

Esta tecnología se encuentra actualmente principalmente en el desarrollo de laboratorio y la fase piloto. La aplicación generalizada en los motores reales requiere abordar una serie de desafíos de ingeniería, incluidos materiales, estabilidad, costo y pruebas integrales de banco de motores. Sin embargo, esta es, sin duda, una dirección de investigación muy prometedora en los campos energéticos y ambientales.