Homogénéisation par ultrasons pour le diesel et l'acide formique

I. Concepts de base

Diesel : Un carburant traditionnel à base de pétrole.

Acide formique : Un acide carboxylique simple de formule moléculaire HCOOH. Il est considéré comme un transporteur d’hydrogène liquide prometteur et un carburant à base de biomasse.

Homogénéisation : ici, il s'agit du mélange de deux liquides non miscibles (tels que l'acide formique polaire et le diesel non polaire) en un mélange stable, finement divisé et uniforme, appelé émulsion.

La technologie ultrasonique : Un outil clé pour parvenir à cette homogénéisation.

II. Pourquoi homogénéiser l'acide formique avec le diesel ?

Mélanger de l’acide formique avec du diesel peut servir à plusieurs fins :

En tant qu'additif vert/carburant alternatif :

Remplace partiellement les combustibles fossiles : l'acide formique peut être produit par hydrogénation du dioxyde de carbone à l'aide de sources d'énergie renouvelables (telles que l'énergie solaire et éolienne), ce qui en fait un combustible liquide « vert ». Le mélanger avec du diesel peut réduire la dépendance aux combustibles fossiles et réduire les émissions de carbone.

Amélioration des propriétés de combustion : L'acide formique contient de l'oxygène, ce qui pourrait théoriquement contribuer à améliorer l'efficacité de la combustion du diesel, entraînant une combustion plus complète et, par conséquent, une réduction des émissions de suie et de particules (PM).

Utilisation pour le reformage de l'hydrogène comme support d'hydrogène :

Il s’agit d’un concept plus avant-gardiste. L'acide formique peut être reformé à basse température sur un catalyseur pour produire de l'hydrogène et du dioxyde de carbone.

L’idée est d’injecter une émulsion acide formique-diesel dans le cylindre du moteur. En utilisant la chaleur perdue ou un catalyseur, l’acide formique se décompose in situ, libérant de l’hydrogène.

L’ajout d’hydrogène peut améliorer considérablement la combustion du diesel, augmenter considérablement l’efficacité thermique et réduire considérablement les émissions d’oxydes d’azote et de particules. Il s'agit d'un concept connu sous le nom de « production d'hydrogène en cylindre ».

III. Pourquoi choisir l'homogénéisation par ultrasons ?

L'acide formique et le diesel sont des liquides non miscibles. Une simple agitation mécanique ne produit qu’un mélange grossier et instable qui se sépare rapidement. Les ultrasons sont l'une des technologies de pointe pour produire des émulsions ultrafines et stables.

Le principe de l'homogénéisation par ultrasons (effet de cavitation) :

Le générateur d'ultrasons génère un signal électrique haute fréquence, qui est converti par un transducteur en vibrations mécaniques haute fréquence. Ceci est transmis à la sonde (aiguille) via un klaxon. La sonde vibre à une fréquence extrêmement élevée (par exemple 20 kHz) dans le liquide, générant des cycles alternés de haute et de basse pression.

Formation de bulles de cavitation : pendant le cycle basse pression, les microbulles présentes dans le liquide se dilatent rapidement.

Effondrement des bulles de cavitation : Au cours du cycle à haute pression qui suit, ces bulles sont comprimées et s'effondrent violemment à des vitesses extrêmement élevées (>500 m/s).

Homogénéisation : au moment où une bulle de cavitation s'effondre, elle génère d'énormes forces de cisaillement, des ondes de choc et des microjets dans un très petit espace. Ces forces extrêmes déchiquetent violemment le liquide environnant, brisant la phase acide formique en gouttelettes de taille nanométrique ou micronique. Ces gouttelettes sont uniformément dispersées dans la phase diesel continue, formant une émulsion très stable.

IV. Système d'homogénéisation par ultrasons et flux de processus

Composants du système :

Générateur d'ultrasons : source d'alimentation et cerveau de contrôle.

Transducteur : convertit les signaux électriques en vibrations mécaniques.

Amplificateur : Amplifie l’amplitude des vibrations.

Sonde (aiguille) : La partie immergée dans le liquide qui génère directement la cavitation. Généralement fabriqué en alliage de titane pour la résistance à la corrosion.

Réacteur : Récipient qui contient le mélange de diesel et d'acide formique.

Flux de processus :

Ajoutez un rapport spécifique de diesel et d'acide formique (et éventuellement un stabilisateur d'émulsion) au réacteur.

Plongez la sonde à ultrasons sous la surface du liquide.

Allumez l’équipement et réglez les paramètres (puissance, amplitude, durée de traitement et température).

L'onde ultrasonore commence à agir, transformant rapidement le liquide en émulsion.

Après traitement, on obtient un carburant en émulsion acide formique-diesel présentant une distribution granulométrique fine et uniforme et une stabilité élevée.

V. Avantages et défis techniques

Avantages :

Efficacité : l'énergie est appliquée directement au liquide, ce qui entraîne une efficacité élevée et une homogénéisation rapide.

Uniformité et stabilité : des gouttelettes de taille nanométrique peuvent être produites, ce qui donne une émulsion bien plus stable que l'agitation mécanique.

Haute contrôlabilité : la taille des gouttelettes peut être contrôlée avec précision en ajustant des paramètres tels que la puissance et le temps.

Pas besoin de grandes quantités d'émulsifiants : la forte force mécanique réduit le recours aux tensioactifs.

Évolutivité : évolutive linéairement de l’échelle du laboratoire aux débits industriels.

Défis et considérations :

Compatibilité des matériaux : l'acide formique est corrosif pour les métaux, c'est pourquoi les matériaux du système (par exemple, les sondes et les réacteurs) doivent être résistants à la corrosion (par exemple, les alliages de titane, certains aciers inoxydables ou le verre).

Stabilité de l'émulsion à long terme : Même si les ultrasons peuvent produire des gouttelettes extrêmement fines, sans émulsifiant approprié, une séparation peut se produire lors d'un stockage à long terme. Des recherches sont nécessaires pour optimiser la formulation de l'émulsifiant.

Impact sur les propriétés du carburant : Une évaluation complète des propriétés du carburant mélangé, telles que le pouvoir lubrifiant, la viscosité, le pouvoir calorifique et la fluidité à basse température, est nécessaire pour garantir la compatibilité avec les moteurs diesel existants.

Coût : Le coût de l'équipement et des opérations à ultrasons doit être mis en balance avec les avantages (réduction des émissions et substitution de carburant).

Sécurité : L'acide formique est corrosif et irritant, nécessitant des précautions de sécurité appropriées.

Résumé

L'homogénéisation par ultrasons de l'acide formique diesel est un processus innovant qui utilise une technologie avancée de cavitation par ultrasons pour mélanger l'acide formique, un additif vert ou un support d'hydrogène, avec du diesel afin de produire un carburant en émulsion stable et haute performance.

Sa valeur fondamentale réside dans :

Fournir une voie potentielle pour réduire les émissions et augmenter l’efficacité des moteurs diesel (via l’ajout de carburants oxygénés ou la production d’hydrogène dans les cylindres).

Il fournit une méthode efficace, fiable et contrôlable pour préparer des émulsions, surmontant les limites des techniques de mélange traditionnelles.

Cette technologie est actuellement principalement en phase de développement en laboratoire et en phase pilote. Une application généralisée dans les moteurs réels nécessite de relever une série de défis techniques, notamment les matériaux, la stabilité, le coût et des tests complets sur banc de moteur. Cependant, il s’agit sans aucun doute d’une direction de recherche très prometteuse dans les domaines énergétiques et environnementaux.