Application de la technologie ultrasonique à l'émulsification dieselÉmulsification dieselÉmulsification

Application de la technologie ultrasonique à l'émulsification dieselÉmulsification dieselÉmulsification

Face à la double pression de la pénurie mondiale d’énergie et de la pollution de l’environnement, la recherche de carburants alternatifs efficaces et propres est devenue le centre d’attention de divers pays. Le diesel est un carburant important largement utilisé dans les transports, les chaudières industrielles, la production d’électricité et d’autres domaines. Son efficacité de combustion et ses niveaux d’émissions sont directement liés à la consommation d’énergie et à la qualité de l’air.

La technologie d'émulsification du diesel a vu le jour : mélanger de l'eau au diesel pour former un carburant émulsionné, en utilisant l'effet de « micro-explosion » pendant la combustion pour favoriser l'atomisation du carburant, améliorer l'efficacité de la combustion et réduire les émissions de polluants. Cependant, l'huile et l'eau ne sont pas miscibles, donc la façon d'obtenir un système d'émulsification stable et fin a toujours été la technologie clé. L'introduction de la technologie ultrasonique offre une solution physique efficace et écologique pour l'émulsification du diesel.

Principes techniques

Le mécanisme central de l’émulsification ultrasonique du diesel est l’effet de cavitation. Lorsque des ondes ultrasonores à haute fréquence (généralement 20 kHz ~ 100 kHz) se propagent dans des liquides, des alternances périodiques de compression (pression positive) et de raréfaction (pression négative) se produisent. Pendant la phase de pression négative, un grand nombre de minuscules bulles de cavitation se forment à l’intérieur du liquide ; pendant la phase de pression positive, ces bulles s’effondrent rapidement, libérant d’énormes quantités d’énergie en très peu de nanosecondes.

Dès l’instant où la bulle s’effondre, elle peut générer localement des températures élevées (plus de 5 000 K) et des pressions élevées (des centaines de MPa), accompagnées de fortes ondes de choc, de flux de micro-jets et de forces de cisaillement. Cet environnement physique extrême peut détruire efficacement la tension interfaciale huile-eau, diviser la phase aqueuse en gouttelettes de taille micrométrique ou même nanométrique et se disperser uniformément dans le diesel pour former un système d'émulsification stable.

En plus de l'effet de cavitation, la vibration à haute fréquence générée par l'effet mécanique des ondes ultrasonores peut améliorer le mélange du milieu et améliorer l'uniformité du traitement ; l'effet thermique est partiellement converti en énergie thermique par l'énergie ultrasonique, augmentant légèrement la température du système, contribuant ainsi à optimiser l'efficacité du traitement. Les trois travaillent en synergie pour obtenir une émulsification huile-eau efficace.

Avantages essentiels

Par rapport aux méthodes d'émulsification mécaniques traditionnelles (telles que l'agitation à grande vitesse, le broyeur colloïdal, etc.), l'émulsification par ultrasons présente des avantages significatifs :

(1) Excellente qualité d’émulsification. Les ondes ultrasoniques peuvent préparer des émulsions avec des tailles de gouttelettes inférieures à 1 μm et une distribution granulométrique uniforme. La taille des particules du diesel microémulsionné préparé dans des conditions ultrasoniques optimales peut même atteindre 45,3 nm. Plus de 90 % des gouttelettes d’eau contenues dans l’huile émulsionnée ont un diamètre inférieur à 5 microns.

(2) La stabilité est grandement améliorée. Les émulsions préparées par ultrasons restent non séparées pendant des semaines. Les recherches montrent que le temps de stabilité du diesel émulsionné sous l'action des ultrasons peut être augmenté de 24 heures à 72 heures.

(3) La quantité d'émulsifiant est faible. L'émulsification par ultrasons peut réduire la quantité d'émulsifiant et même réaliser une émulsification sans ajouter d'émulsifiant. Lors de l'utilisation d'une solution émulsifiante composée, la quantité d'émulsifiant ne représente qu'environ 2 % du diesel micro-émulsion.

(4) Effets significatifs d’économie d’énergie et de réduction des émissions. Le diesel émulsionné brûle plus complètement et peut augmenter l'efficacité thermique de 5 à 15 % ; réduire les émissions de particules de 30 à 50 % et les émissions d'oxydes d'azote de 10 à 20 %. Dans l'application des fours de chauffage de forgeage, lorsque la teneur en eau est de 15 %, cela peut économiser 8 % de carburant et réduire considérablement la pollution de l'environnement.

(5) Bonne économie de fonctionnement. La consommation d'énergie de l'émulsification ultrasonique est de 40 à 60 % inférieure à celle de l'émulsification mécanique. L’équipement est petit, facile à entretenir et présente un haut degré d’automatisation.

Paramètres clés du processus

L'effet de l'émulsification ultrasonique est entièrement affecté par plusieurs paramètres de processus. Les paramètres suivants doivent être systématiquement optimisés en fonction d’équipements et de matières premières spécifiques :

(1) Fréquence ultrasonique. La recherche montre que 40 kHz est une fréquence de fonctionnement idéale pour l'émulsification du diesel.

(2) Puissance ultrasonique et intensité sonore. L'intensité sonore optimale est d'environ 0,15 ~ 0,266 W/cm⊃2 ;. Il existe également des études qui utilisent la tension pour exprimer le paramètre optimal à 150 V. Exprimé en termes de puissance, 220 W ~ 300 W peuvent donner de bons résultats.

(3) Temps d’action des ultrasons. Le temps d’action optimal se situe généralement entre 10 et 25 minutes. Il convient de noter qu’il existe une valeur optimale pour la durée des ultrasons : une durée plus longue n’est pas nécessairement meilleure. Un temps de traitement excessif peut affecter la stabilité de l'émulsion.

(4) Taux de mélange de l'eau. La teneur en eau du diesel émulsionné est généralement de 5 à 25 %. La recherche montre qu'à mesure que la teneur en eau augmente, le pouvoir calorifique du diesel émulsionné diminue progressivement et la viscosité, le point d'éclair, le point d'incendie et le point de congélation augmentent. La teneur maximale en eau doit être inférieure à 18 %.

(6) Sélection et dosage de l'émulsifiant. Les émulsifiants couramment utilisés comprennent le Span80, le Tween80, le dodécylbenzène sulfonate de sodium, etc. Il a également été démontré que le tensioactif cationique bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) possède de bonnes capacités émulsifiantes. La valeur HLB et le dosage de l'émulsifiant ont un impact significatif sur la stabilité de l'émulsion

Principaux domaines d'application

Le diesel émulsionné par ultrasons a montré de larges perspectives d’application dans de nombreux domaines :

Chaudières industrielles et fours de chauffage. Le diesel émulsionné peut être utilisé comme carburant pour les fours industriels tels que les fours de chauffage de forge afin de réaliser des économies d'énergie et de réduire la consommation tout en garantissant la qualité des pièces.

Puissance du navire. Respectez les normes d'émission de plus en plus strictes de l'Organisation maritime internationale (OMI) et réduisez les coûts d'exploitation.

Groupe électrogène diesel. Le test au banc sur le générateur diesel 75GF montre que le taux d'économie de carburant maximum peut atteindre 8,24 % dans des conditions d'émulsification optimales.

Flottation des mines. Le diesel émulsionné huile dans l'eau produit par méthode ultrasonique peut améliorer considérablement la dispersion du diesel dans la boue et renforcer l'effet de flottation de la molybdénite.

Mélange de biocarburants. La technologie ultrasonique peut émulsionner efficacement l’huile de biomasse et le diesel pour préparer une émulsion bio-huile-diesel qui peut être directement utilisée comme carburant pour moteur diesel. Ces dernières années, l’utilisation de la préparation assistée par ultrasons d’émulsions stables de diesel et de bio-huile est devenue un point chaud de la recherche.

Conclusion

La technologie d'émulsification ultrasonique du diesel utilise l'environnement physique extrême généré par l'effet de cavitation pour diviser la phase aqueuse en gouttelettes micrométriques ou même nanométriques et les disperser uniformément dans le diesel, obtenant ainsi une émulsification huile-eau efficace et stable. Cette technologie présente des avantages significatifs tels qu'une excellente qualité d'émulsification, une bonne stabilité, une faible consommation d'émulsifiant, des économies d'énergie et une protection de l'environnement. Il présente de larges perspectives d'application dans les domaines des chaudières industrielles, de l'énergie navale, de la production d'énergie diesel, de la flottation minière et du mélange de biocarburants. En tant que technologie de traitement physique verte, l’émulsification ultrasonique du diesel devrait jouer un rôle de plus en plus important dans l’utilisation efficace de l’énergie et la protection de l’environnement.