CC BY
16Транспорт УДК 62-634 Код ВАК 05.05.03
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАСЛО-ДИЗЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Л.В. Денежко1, Л.А. Новопашин1, Ю.В. Панков1*, А.А. Садов1
1 ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Россия, Екатеринбург.
* E-mail: [email protected]
Аннотация. На кафедре технологических и транспортных машин Уральского ГАУ проводятся исследования физико-химических свойств масло-дизельных смесей, как альтернативных видов топлива и их влияние на работу дизельных двигателей.
Целью статьи является оценка физико-химических свойств смесей с использованием соевого масла и кукурузного масла (без этерификации) с дизельным топливом с последующим определением оптимальных концентраций элементов.
При исследовании использовались методы экспериментальной проверки правомочности принятых допущений и выдвинутых гипотез, ранее опубликованных авторами.
На основании произведенных исследований можно сделать вывод, что применение смесей дизельного топлива с растительными маслами без проведения реакции этерефикации в интервалах концентраций биокомпонента (до 50...60% масла) обоснованы так как по своим физико-химическим свойствам близки к нефтяным. Это указывает на возможность использования смесей без этерификации масла как замена чистому дизельному топливу.
Ключевые слова: смесевое топливо, автотракторная техника, ДВС, физико-химические показатели.
PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF OIL-DIESEL MIXTURES
Denejko L.V.1, Novopashin L.A.1, Pankov Yu.V.1 *, Sadov A.A.1
1 FSBEI HE Ural SAU, Russia, Yekaterinburg. * E-mail: [email protected]
Abstract. At the Department of Technological and Transport Machines of the Ural State Agrarian University, studies are being carried out on the physical and chemical properties of oil-diesel mixtures as alternative types of fuel and their influence on the operation of diesel engines.
The aim of the article is to evaluate the physicochemical properties of mixtures using soybean oil and corn oil (without esterification) with diesel fuel, followed by determination of the optimal concentrations of elements.
The study used the methods of experimental verification of the validity of the assumptions and hypotheses put forward, previously published by the authors.
Based on the studies carried out, it can be concluded that the use of mixtures of diesel fuel with vegetable oils without carrying out the esterification reaction in the concentration ranges of the biocomponent (up to 50 ... 60% of oil) are justified since they are close to petroleum in their physicochemical properties. This indicates the possibility of using blends without esterification of oil as a replacement for pure diesel fuel.
Keywords: mixed fuel, automotive equipment, internal combustion engines, physical and chemical indicators.
Постановка проблемы (Introduction)
Заграничными учеными в большом колличестве исследований предполагается применение биодизеля (растительного масла после проведения реакции переэтерефикации) в качестве биологической добавки к дизельному топливу. Применение биодизеля несет в себе такие недостатки как: частичные переход растительного компонента при проведении реакции переэтерификации в глицирин который не используется в качестве добавки (до 30%); повышение стоимости биологической добавки в сравнении с чистым растительным маслом это связанно с проведением энергоемкой химической реакции.
Однако основной проблемой применения чистых масел как источника биокомпонента в смесях является плохая смешиваемость с нефтепродуктами, которая подтверждается проводимыми исследованиями авторов [1,2,3].
В связи с этим возникает цель работы в оценке физико-химических свойств смесей с использованием соевого масла и кукурузного масла (без этерификации) с дизельным топливом с последующим определением оптимальных концентраций элементов
Методология и методы исследования (Methods)
В соответствии с выбранной целью исследований программа исследований была направлена на проверку ранее опубликованных теоретических зависимостей, раскрывающих влияние применения смесей с содержанием соевого кукурузного масла без проведения реакции этерефикации.
Программа исследований включает в себя: определение плотности, вязкости, низкотемпературных и коррозионных свойств получаемых смесей; оценка воспламеняемости; влияние состава на технико-экономические показатели.
Виды топлив, исследуемых в работе: Смеси кукурузного масла с летним дизельным топливом марки Л в соотношении 25:75, 50:50, 75:25 и смеси соевого масла с арктическим дизельным топливом марки А в соотношении 25:75, 50:50, 75:25
Результаты (Results)
Определение плотности смесей проводилось с помощью нефтеденсиметров. При исследовании плотность топливо-масляных смесей по величине занимают промежуточные значения между плотностью масла и дизельного топлива. Плотность возрастает с увеличением доли масла в системе масло-топливо. При плотности кукурузного масла 919 кг/м3, дизельного топлива (Л) 860 кг/м3 у смеси системы 50:50 и 75:25 плотность составила соответственно 873 и 890 кг/м3 при температуре 200С (рисунок 1).
При плотности соевого масла 905 кг/м3 и дизельного топлива (А) 827 кг/м3 плотность смеси 25:75 составила 829 кг/м3, а смеси 75:25 составила 870 кг/м3 при температуре 200С.
Следует обратить внимание на то, что плотность смесей на базе соевого масла меньше, чем на основе кукурузного масла. Это объясняется меньшей плотностью исходных компонентов масла и дизельного топлива.
Максимальное значение плотности смесей, соответствует по ГОСТу для дизельных топлив 860 кг/м3 (при 200С), что соответствует масло - дизельной смеси на основе содержании до 60% соевого масла и 40% дизельного топлива (ДТ) в смеси [4, 5].
Рисунок 1 - Зависимость плотности системы Рисунок 2 - Зависимость вязкости системы от состава масло - дизельных смесей от состава масла - дизельных смесей
Плотность топливомасляных смесей зависит от температуры.
Таблица 1 Физико-химические характеристики системы кукурузное масла + дизельное
топливо (Л) полученные экспериментально
Показатели Кукурузное Кукурузное масло+диз. топливо БТЬ
масло смеси %
75+25 50+50 25+75
Плотность, кг/дм3 0,919 0,89 0,873 0,8665 0,86
Вязкость, мм2/с 62 29,3 16,4 11 5,6
Цетановое число 27 29 31,5 37,7 43,9
Температура
помутнения, 0С -15 -12 -11 -8 -5
Температура
застывания, 0С -21 -25 -20 -15 -10
Температура
вспышки, 0С 93,4 82,4 74,4 57,2 40
Кислотность,
КОН мг/100см3 6,7 6,16 5,6 5,32 5,04
Содержание
водорастворимых Отс. Отс. Отс. - Отс.
кислот, щелочей
Испытание на Выд. Выд. Выд. - Выд.
медной пластинке
Эта зависимость в исследуемом диапазоне температур имеет прямолинейных характер. Близким к дизельному топливу по плотности являются смеси системы с содержанием масла до 50%.
Таблица 2 Физико-химические характеристики системы соевое масла + дизельное топливо (А) полученные экспериментально
Показатели Соевое Соевое масло-дизельные смеси % БТА
масло 75+25 50+50 25+75
Плотность, кг/дм3 0,905 0,87 0,834 0,829 0,827
Вязкость, мм2/с 56,4 15,4 4,2 3,65 3,34
Цетановое число 28 36,5 45 48,5 51
Температура
помутнения, 0С Температура -10 -16 -18 -21
застывания, 0С -17 -24 -25 -31 -55
Температура
вспышки, 0С 88,4 61,4 54,4 47,4 41
Кислотность,
КОН мг/100см3 6,7 6,16 5,6 5,32 5,04
Содержание
водорастворимых Отс. Отс. Отс. Отс. Отс.
кислот, щелочей
Испытание на Выд. Выд. Выд. Выд. Выд.
медной пластинке
Вязкость - один из важнейших показателей, влияющий на качество распыла, а следовательно, на полноту сгорания топливной смеси. Вязкое поведение вещества сопровождается диссипацией энергии (потерей энергии на внутреннее трение), следовательно, оно необратимо. В простейшем случае, если к вязкой жидкости мгновенно приложить сдвиговое напряжение, даже чрезвычайно малое, это заставляет жидкость течь, т.е. происходит процесс деформации. Деформационный сдвиг является потоком слоя жидкости. Поток характеризуется скоростью течения. Кинематическая вязкость определялась с помощью капиллярного вискозиметра Освальда-Пинкевича по ГОСТ Согласно полученным данным вязкость топливных смесей возрастает с увеличением доли масла в составе системы.
В соответствии с полученными данными вязкость смесей возрастает с увеличением доли масла в смеси. Так, у смесей 50:50 вязкость при температуре 200С составила 4,2 сСт, на основе соевого масла и 16,4 сСт на смеси кукурузного масла и диз. топлива (рисунок 2).
Если сравнивать допустимо максимальное значение вязкости диз. топлива марки Л по ГОСТу 305-82 как 6сСт при температуре 200С, то этот уровень вязкости соответствует смесям с содержанием масла до 60% для соевого масла и до 15% на основе кукурузного масла.
Закономерность изменения вязкости смесей от температуры общеизвестна и подтверждается исследованиями [6, 7, 8, 9] (рисунок 3). Однако характер изменения вязкостно-температурных кривых различен: более крутой у смесей с повышенным содержанием масла и более пологий с меньшим содержанием масла в смесях системы.
Вязкостно-температурная характеристика смеси 25:75 наиболее близка к кривой дизельного топлива, что соответствует высокой разрозненности молекул масла в системе топливной смеси и где не происходит структурирования масла т.е. значительного влияния масла на вязкость. Сравнивая характеристики изменения вязкости от температуры смесей, можно отметить, что вязкостно-температурная характеристика смесей на основе кукурузного масла крутая, чем у смесей на основе соевого масла.
мм/с
26
22
36 34
30
14
18
10
6
2
диз. топливо
О 20 40 60 80 100 ос
Рисунок 3 - Зависимость вязкости смеси соевого масла + диз. топлива от температуры
Так в диапазоне температур от 1000С до 200С изменение вязкости составило для смесей 50:50 от 4,3 до 1,4 сСт на основе соевого масла и от 16,4 до 2,9 сСт на основе кукурузного масла т.е. в 3 раза и 5 раз соответственно.
Цетановое число смесевых топлив определялось по дизельному индексу, который в свою
очередь находили по анилиново точке и рассчитывали по формуле:
1,415 \ (1)
-315) ()
/1,415 \ Ш = (1,8 • А + 32) • (--1,315).
V Pis >
Pis
Как показывают экспериментальные исследования, с увеличением содержания масла в смеси цетановое число уменьшается с 51 у дизельного топлива, до 28 у соевого масла. У смесей 75:25 оно составило 36,5 в тоже время у смесей 50:50 составляет 45, а у смесей 25:75 это число 48,5, что отмечается на рисунке 4. В топливных смесях на основе кукурузного масла цетановое число было ниже, чем у соевого масла. В частности, этот показатель в смесях 50:50 на основе соевого масла составляет 45, а на основе кукурузного масла это число составляет 31,5.
Если придерживаться литературных данных, цетановое число ниже 38...40 приводит к жесткой работе и затрудненному запуску двигателя. Поэтоу, ориентируясь на полученные значения цетановых чисел, можно утверждать, что смеси с содержанием масла (соевого) выше 60.70% имеют цетановое числа ниже рекомендуемых. А в смесях на основе кукурузного масла нижний предел этого показателя наблюдается при содержании в них масла выше 15.20%.
Рисунок 4 - Зависимость цетанового числа от состава смесей
Коррозионные свойства топлив оценивались значением кислотности, содержанием водорастворимых (минеральных) кислот и щелочей, а также испытаниями на медной пластинке.
Показатель кислотности, оценивающий содержание органических кислот в топливе был близким к значениям по ГОСТ 305-82 и составляет 5,04 мг КОН/100 мл топлива. С увеличением доли масла в смеси кислотность увеличилась и составила 6,616 мг/100 при концентрации соевого масла 75% и 5,32 мг/100 мл при концентрации масла 25%. А у соевого масла этот показатель был равен 6,7 мг К0Н/100 мл. Это указывает на увеличение коррозионного воздействия на двигатель при применении масло-топливных смесей. Значения этого показателя для смесей на основе кукурузного масла были близки к смесям на основе соевого масла. Анализ пробы на нейтральность показал, что водорастворимые (минеральные) кислотности и щелочи в смесях отсутствуют. Испытания на медную пластинку все пробы смесей топлива и масел выдерживают. Это подтверждает отсутствие в пробах серы.
Низкотемпературные свойства исходных компонентов и их смесей характеризуют поведение их при низких температурах. Температура помутнения указывает на температурный предел, до которого можно применять смеси масла и дизельного топлива. Согласно экспериментально полученных данных температура помутнения изменяется в зависимости от состава топливной системы. Так температуры помутнения лежат в интервале от минус -100С у соевого масла до -550С у дизельного топлива (марки А) и от минус -150С у кукурузного масла до -50С у летнего дизельного топлива. При этом следует отметить, что использование зимнего и арктического топлива понижает температуру помутнения топливных смесей. Результаты исследований указывают на возможность использования масляно-топливных смесей при температурах -15°С.. .-20°С в зимний период.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
На основании произведенных исследований можно сделать вывод, что смесевые системы топлива в определенных маслах и рекомендуемых интервалах концентраций (до 50.60% масла) по своим свойствам близки к нефтяным. Это указывает на возможность использования исследованных смесей без этерификации растительного масла как в качестве топлива для ДВС.
Библиографический список
1. Кнотэ Г. Метиловые эфиры растительных масел с гидроксижирными кислотами: Сравнение метиловых эфиров лескереллы и касторового масла / Г. Кнотхе, С.С. Чермак, Р.Л. Евангелиста // Топливо - №96 - 2012. - С. 535-540
2. Новопашин Л.А. Растительные масла, жирные кислоты, биодизель: учебное пособие / Л. А. Новопашин, Ю. В. Панков, Л. В. Денежко, С. Е. Щеклеин, А. М. Дубинин, А. А. Садов. - 2-е изд., Доп. - Екатеринбург: изд-во Уральского ГАУ, 2020. - 192 с.
3. Садов А.А. Физико-химическая оценка использования дизельного композиционного топлива на основе рицинового масла и биоэтанола в качестве топлива для дизельной электростанции / А.А. Садов, Л.А. Новопашин, Л.В. Денежко, Ю.Б. Черкасов // 3S Web of Conf. Том
222, 2020 Международная научно-практическая конференция «Развитие АПК в условиях роботизации и цифровизации производства в России и за рубежом» (DAIC 2020)
4. Кузнецов, А. В. Топливо и смазочные материалы / А. В. Кузнецов. - М. : КолосС, 2013. - 199 с.
5. ГОСТ 305-2013 «Топливо дизельное. Технические условия». - М. : Стандартинформ, 2019. - 23 с.
6. Asli, U. Catalytic Monoliths for Biodiesel Production: A thesis is submitted for the degree of Doctor of Philosophy University of Bath Department of Chemical Engineering [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://researchportal.bath.ac.uk/en/studentTheses/catalytic-monoliths-for-biodiesel-production
7. Марков, В. А. Оптимизация состава смесевых биотоплив на основе растительных масел для дизельных двигателей / В. А. Марков, В. В. Маркова, В. М. Сивачёв, С. М. Сивачёв // NBI-technologies. - 2014. - № 4. - С. 86-98.
8. Марков, В. А. Оптимизация состава смесей нефтяного дизельного топлива с растительными маслами / В. А. Марков, С. Н. Девянин, С. И. Каськов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2016. - № 7 (676). - С. 28-44.
9. Уханов, А. П. Нетрадиционные биокомпоненты дизельного смесевого топлива: монография / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, Е. А. Сидоров, Е. Д. Година. - Пенза: РИО ПГСХА, 2013. - 114 с.
References
1. Knothe G. Methyl esters of vegetable oils with hydroxy fatty acids: Comparison of methyl esters of lesquerella and castor oil / G. Knotkhe, S.S. Chermak, R.L. Evangelista // Fuel - №96 - 2012. - P. 535-540
2. Novopashin L.A. Vegetable oils, fatty acids, biodiesel: a tutorial / L. A. Novopashin, Yu. V. Pankov, L. V. Denezhko, S. E. Scheklein, A. M. Dubinin, A. A. Sadov. - 2nd ed., Supplement. -Yekaterinburg: publishing house of the Ural State Agrarian University, 2020 .-- 192 p.
3. Sadov A.A. Physicochemical assessment of the use of composite diesel fuel based on ricin oil and bioethanol as fuel for a diesel power plant. Sadov, L.A. Novopashin, L.V. Denezhko, Yu.B. Cherkasov // 3S Web of Conf. Volume 222, 2020 International scientific-practical conference "Development of the agro-industrial complex in the conditions of robotization and digitalization of production in Russia and abroad" (DAIC 2020)
4. Kuznetsov, A. V. Fuel and lubricants / A. V. Kuznetsov. - M.: KolosS, 2013 .-- 199 p.
5. GOST 305-2013 "Diesel fuel. Technical conditions ". - M.: Standartinform, 2019 .-- 23 p.
6. Asli, U. Catalytic Monoliths for Biodiesel Production: A thesis is submitted for the degree of Doctor of Philosophy University of Bath Department of Chemical Engineering [Electronic resource].
Access mode: https://researchportal.bath.ac.uk/en/studentTheses/catalytic-monoliths-for-biodiesel-production
7. Markov, VA Optimization of the composition of blended biofuels based on vegetable oils for diesel engines / VA Markov, VV Markova, VM Sivachev, SM Sivachev // NBI-technologies. - 2014. -No. 4. - P. 86-98.
8. Markov, VA Optimization of the composition of mixtures of petroleum diesel fuel with vegetable oils / VA Markov, SN Devyanin, SI Kaskov // Proceedings of higher educational institutions. Mechanical engineering. - 2016. - No. 7 (676). - S. 28-44.
9. Ukhanov, A. P. Non-traditional biocomponents of mixed fuel diesel: monograph / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, E. A. Sidorov, E. D. Godina. - Penza: RIO PGSKhA, 2013 .-114 p.
