CC BY
8Организация гранспоргно-складских и заправочных операций со смесевыми моторными топливами на основе рапсового масла
В.П. Коваленко, ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, д.т.н., Е.А. Улюкина, ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, к.х.н.
Рассматриваются особенности транспортно-складских и заправочных операций со смесевым топливом на основе рапсового масла. Предложены технические решения для очистки рапсового масла, его нагрева до необходимой температуры и смешения с дизельным топливом в заданных пропорциях. Ключевые слова: биотопливо, смесевое топливо, рапсовое масло.
Решение экологических проблем, возникающих при эксплуатации современной техники, требует поиска новых источников энергетического сырья, использование которого при производстве моторных топлив снижает загрязненность окружающей среды. Альтернативу современным техногенным продуктам нефтяного происхождения могут составить топлива, получаемые в результате переработки растительных масел. Масличные сельскохозяйственные культуры, относясь к возобновляемым источникам сырьевых ресурсов, могут способствовать образованию в системе биосфера - техносфера замкнутого антропогенного круговорота углерода.
Наиболее перспективны топлива на основе растительных масел - рапсового и подсолнечного. Однако последнее имеет высокую температуру застывания, что в зимний период отрицательно скажется на эксплуатации мобильной техники, и является ценным пищевым продуктом, что сдерживает его применение в технических целях.
Лучшее сырье для биотоплива в условиях России - рапс - почти не требует ухода при возделывании, дает высокий урожай, является прекрасной промежуточной культурой при выращивании пшеницы и другой полеводческой продукции, задерживает в почве питательные вещества и улучшает ее структуру. Отходы, получаемые после отжима рапсового масла (жмых и шрот), используются при производстве комбикормов для скота. Поэтому
использование рапса, по сути, является безотходным, а его применение - перспективным для производства биотоплива.
Особенности транспортно-складских и заправочных операций при использовании рапсового масла в качестве моторного топлива обусловлены его физико-химическими свойствами, которые зависят от химического состава этого продукта.
Известны два способа подготовки рапсового масла для получения моторного топлива - централизованный (промышленный) и децентрализованный. При централизованном производстве рапсовое масло поступает на завод для химической переработки, которая заключается в этери-фикации рапсового масла с помощью метанола в присутствии щелочного катализатора. В результате получают метиловый эфир рапсового масла, который по своим эксплуатационным характеристикам близок к дизельному топливу и не требует для своего использования доработки серийных дизелей. Это горючее на базе рапсового масла получило название биодизель. Его использование требует значительных затрат на его производство и транспортировку к местам потребления.
В настоящее время в Российской Федерации промышленное производство биодизеля не получило широкого развития. К недостаткам метилового эфира рапсового масла относится его коррозионная активность по отношению к некоторым
металлам и сплавам, а также повышенная агрессивность к лакокрасочным покрытиям и неметаллическим конструкционным материалам (резинотехнические изделия, некоторые полимеры и др.).
При децентрализованном производстве конечным продуктом является рапсовое масло, получаемое путем холодного отжима и последующего фильтрования. Процесс осуществляется с минимальными затратами и с применением несложного оборудования. Однако применение рапсового масла в качестве топлива для дизелей требует адаптации двигателя, что связано с более продолжительным периодом задержки воспламенения, меньшими теплотой сгорания и цетановым числом, а также с более высокой вязкостью рапсового масла по сравнению с дизельным топливом. Кроме того, использование чистого рапсового масла вызывает усиление нагарообразования в камере сгорания.
К наиболее простым и экономичным методам приближения физико-химических свойств биотоплива на основе рапсового масла к свойствам дизельного топлива относится смешение этих продуктов. Эксплуатационные показатели смесевого биотоплива зависят от соотношения входящих в него компонентов (таблица) [1].
Для использования рапсового масла в качестве компонента биотоплива необходимо его очистить, нагреть до нужной температуры и смешать с дизельным топливом в заданных пропорциях.
После получения рапсового масла путем холодного отжима в нем содержатся твердые механические примеси, эмульсионная вода, а также значительное количество загрязнений растительного происхождения. Используемые в настоящее время
для его очистки намывные фильтры обеспечивают удаление только достаточно крупных фрагментов растительных остатков и твердых неорганических частиц, но не способны задерживать микрокапли эмульсионной воды, а также продукты окисления жиров, входящих в состав рапсового масла в значительных количествах, о чем свидетельствует высокое содержание в нем фактических смол (до 1,78 г/л). В очистке нуждается и второй компонент смесевого биотоплива - дизельное топливо, загрязненность и обводненность которого существенно повышается в процессе транспортных и складских операций.
Эффективно использование фильтров с непрерывной регенерацией фильтрационных элементов без остановки их работы. Такими возможностями обладают гидродинамические фильтры, которые предусматривают одновременную фильтрацию очищаемого продукта через пористую перегородку и гидродинамическое воздействие инерционных сил потока на загрязнения, непрерывно удаляющиеся с поверхности этой перегородки. Гидродинамические фильтры с неподвижными фильтрационными элементами имеют весьма простую конструкцию, но требуют отвода части очищаемого продукта. Этих потерь можно избежать, если предусмотреть меры по уменьшению количества сбрасываемого неочищенного топлива за счет его очистки в гидроциклоне с возвратом во входной патрубок соплового аппарата.
Особенностью конструкции такого гидродинамического фильтра (рис. 1) является наличие во внутренней полости цилиндрического фильтрующего элемента полой конической вставки для равномерной подачи на его рабочую поверхность
Физико-химические показатели смесевого биотоплива и его компонентов
Показатели Дизельное Массовая доля рапсового масла и дизельного топлива в соотношении, % Рапсовое
топливо 75:25 50:50 33:67 масло
Вязкость при 20°С, мм2/с 3...6 38,2 16,8 11,2 90,7
Теплота сгорания, МДж/кг 43,0 39,6 40,4 40,9 37,0
Цетановое число 45,0 36,75 39,5 41,37 34,0
Температура, °С помутнения застывания -5 -10 -9 -16 -7 -14 -6 -12 -9 -18
Кислотность, мг КОН/100 мл 5,0 5,8 5,6 5,4 6,1
Содержание фактических смол, мг/100 мл 20 125 100 75 178
Рис. 1. Схема устройства для очистки топлива: 1 - выходной патрубок; 2 - корпус; 3 - крышка; 4 - входной патрубок; 5 - струйный аппарат; 6 - заглушка фильтрующего элемента; 7 - пористая полимерная перегородка; 8 -водоотталкивающая перегородка; 9 - всасывающая трубка струйного аппарата; 10 - коническая вставка; 11 - выходная труба гидроциклона; 12 - горизонтальная перегородка; 13 - коническое днище; 14 - гидроциклон; 15 - грязевая камера; 16 - питающий патрубок; 17 - патрубок сброса части продукта; 18 - спускной кран
очищаемого продукта, которая служит одновременно разделительным бачком между гидроциклоном и струйным аппаратом. Такое устройство обеспечивает очистку практически всего продукта, поступающего в гидродинамический фильтр [2].
Необходимость подогрева рапсового масла вызывается его высокой вязкостью, которая затрудняет, а при низких температурах делает невозможной, его перекачку. Обеспечить оптимальный температурный режим при его выдаче из резервуара и значительно сократить продолжительность этого процесса можно за счет интенсификации теплообмена между нагреваемым маслом и источником теплоты путем использования локальных способов подогрева, позволяющих разогреть сравнительно небольшое количество масла, которое по мере снижения его вязкости откачивается из зоны подогрева и замещается более вязким продуктом.
Для локального подогрева рапсового масла, а в случае необходимости и смесевого биотоплива, целесообразно использовать местные паровые подогреватели с нагревательными элементами трубчатого типа, снабженные экраном из материала с высокой теплопроводностью, который отделяет
область интенсивного нагрева жидкости от остального объема резервуара.
В горизонтальных цилиндрических резервуарах, широко используемых при операциях с вязкими нефтепродуктами, применение трубчатых паровых подогревателей с экраном позволяет интенсифицировать подогрев благодаря созданию в резервуаре ограниченной рабочей зоны - подэкранного пространства - и сократить сроки начала выдачи продукта. Применяемые в этих конструкциях криволинейные экраны обычно выполняются в форме круглого прямого горизонтально расположенного цилиндра с основанием в виде сегмента круга, обращенного вверх выпуклой поверхностью. Такая форма экрана, выбранная из технологических соображений, не соответствует профилю распространения теплового потока при использовании в конструкции подогревательного устройства более одного трубчатого элемента. Равномерное распределение температур на поверхности экрана может быть достигнуто, если трубчатые нагревательные элементы разместить в фиксированных фокусах поперечного сечения экрана, выполненного в виде эллипсообразного полуовала Кассини (рис. 2), являющегося геометрическим местом точек М, для которых справедливо уравнение
• ^гМ = к*,
где Г1 и Г2 - фиксированные фокусы, находящиеся от центра овала на расстоянии с, м; Г1М, Г2М - отрезки от Г1 до М и от Г2 до М, м; к = сЛ - постоянная величина.
Поскольку до начала подогрева рапсового масла и в начале этого процесса оно обладает малой
г
/ 43
/ 1 О \
с с & д X
Рис. 2. Эллипсообразный полуовал Кассини: а и Ь - соответственно горизонтальная и вертикальная полуоси овала; с - расстояние между центром овала и фокусом; 0 - центр овала; F¡ и F2 - фокусы овала; М - произвольная точка на образующей овала
6 5 4
Рис. 3. Схема работы подогревательного устройства при выдаче рапсового масла из резервуара: 1 - резервуар; 2 - приемная труба; 3 - экран; 4 - нагревательный элемент; 5 - подвижное (разогретое) масло; 6 - пограничный слой; 7 - малоподвижное (холодное) масло
подвижностью, в течение первого периода подогрева теплопередача в ограниченном подэкранном пространстве осуществляется преимущественно кондукцией, то есть путем теплопроводности, а конвективным теплообменом в этот период можно пренебречь.
По мере прогревания рапсового масла и снижения его вязкости наступает второй период подогрева - продукт приобретает подвижность, и в подэкранном пространстве образуются конвекционные токи, интенсифицирующие теплопередачу к экрану. При нагревании рапсового масла в подэкранном пространстве и возникновении в нем естественной конвекции теплопередача в этом пространстве будет осуществляться одновременным действием кондукции и конвекции.
Для уменьшения термического сопротивления на внутренней поверхности экрана целесообразно
изготовить его из пористого материала небольшой толщины (например, из стеклоткани). Тогда естественная конвекция масла распространится на пористую структуру экрана. Это соответствует третьему периоду подогрева. Помимо конвекции в порах, проникновению в них масла будет способствовать его расширение при нагревании в подэкранном пространстве. Третий период подогрева характеризуется тем, что масло, проходящее сквозь поры экрана, а также масло над экраном, нагреваемое за счет теплопередачи кондукцией, образует на внешней поверхности экрана пограничный слой, вязкость которого существенно меньше, чем вязкость основной массы рапсового масла в резервуаре.
После разогрева рапсового масла в подэкранном пространстве до температуры, обеспечивающей его откачку из резервуара, наступает четвертый период подогрева, сопровождающийся вынужденной конвекцией, которая возникает при выдаче рапсового масла из подэкранного пространства через приемную трубу с помощью насоса (рис. 3).
Пограничный слой маловязкого рапсового масла, образовавшийся на внешней поверхности экрана, будет снизу ограничен этой поверхностью, а сверху - малоподвижным слоем масла высокой вязкости. После возникновения разрежения в подэкранном пространстве этот слой начнет перемещаться вдоль образующей профиля экрана по направлению к зазорам между его нижней кромкой и обечайкой резервуара, поступая через эти зазоры под экран и далее в приемную трубу. Освободившееся пространство на поверхности экрана будет заполняться рапсовым маслом из расположенных выше слоев более вязкого продукта, где оно нагревается, перемещается к нижней кромке экрана и
Рис. 4. Трубчатый нагревательный элемент: 1 - наружная труба; 2 - внутренняя труба; 3 - фланец для крепления нагревательного элемента к сферическому днищу резервуара; 4 - штуцер для присоединения паропровода; 5 - пробковый кран для отвода конденсата
поступает в подэкранное пространство. Этот процесс продолжается до опорожнения резервуара или остановки перекачки [3].
Интенсификацию процесса локального подогрева рапсового масла при его выдаче из резервуара можно обеспечить путем оптимизации конструктивных параметров подогревательного устройства - поверхности нагревательных элементов, площади экрана, объема подэкранного пространства.
Трубчатый нагревательный элемент имеет конструкцию «труба в трубе», то есть выполнен в виде двух коаксиальных труб. Внутренняя одним концом соединена с внешним источником пара, а вторым - с внутренним пространством наружной трубы. Один конец наружной трубы, находящийся внутри резервуара, глухой, а второй, расположенный с внешней стороны днища резервуара, снабжен краном для слива конденсата (рис. 4).
Компоненты биотоплива - рапсовое масло и дизельное топливо - могут смешиваться как путем заблаговременного приготовления смеси в расходной емкости, так и при подаче исходных компонентов в смесительное устройство непосредственно перед выдачей биотоплива потребителю. Выбор способа приготовления смесевого биотоплива зависит от его стабильности. Поскольку стабильность смесевого биотоплива достаточно высока (не менее 6 мес. хранения) [4], наиболее простым способом его получения является механическое перемешивание компонентов.
С учетом того, что смесевое биотопливо целесообразно получать в серийно изготовляемых
горизонтальных цилиндрических резервуарах, для перемешивания исходных компонентов наиболее пригодны мешалки якорного типа, контур рабочего органа которых соответствует внутренней форме сосудов, используемых для приготовления смеси. Для цилиндрического резервуара контур рабочего органа мешалки должен иметь форму части кругового кольца (рис. 5).
Для якорной мешалки, установленной в горизонтальном цилиндрическом резервуаре (рис. 6), целесообразно принять следующие размеры:
0 = 0,9 О ; Ь = 0,05 О ; Ь = 0,45 О ; I = 0,06 О .
н рез рез н рез
Для определения плотности смеси, образующейся при получении смесевого биотоплива, можно воспользоваться формулой
(Рсм - Рдг )едт
Срм -
р рм - р,
где брм , вдт - соответственно исходная масса рапсового масла и дизельного топлива, кг; рсм , рдт и ррм - соответственно плотность смеси, дизельного топлива и рапсового масла, кг/м3.
Для смешивания жидкостей непосредственно в потоке целесообразно использовать аппарат струйного типа, то есть устройство, в котором происходит инжекция (рис. 7). Поток жидкости, подаваемый в устройство с большой скоростью, считается рабочим, а поток, подаваемый в устройство за счет инжекции, - инжектируемым.
Рис. 6. Схема установки якорной мешалки в горизонтальном цилиндрическом резервуаре: 0рез - диаметр резервуара; йн - наружный диаметр мешалки; й -высота мешалки; Ь - зазор между лопастью и стенкой резервуара; I - ширина лопасти
Рис. 7. Принципиальная схема струйного смесителя: А - рабочее сопло; Б - приемная камера; В - смесительная камера; Г - диффузор; би , бр и бс> - массовые расходы соответственно инжектируемой, рабочей сред и смеси, кг/с; w^ - скорость рабочего потока на выходе из сопла, м/с; - скорость инжектируемого потока во входном сечении смесительной камеры, м/с; - скорость потока смеси в выходном сечении смесительной камеры, м/с; рр , ри и рсм - давления соответственно рабочего и инжектируемого потоков перед струйным смесителем и потока смеси на выходе из диффузора, Па
Скорости рабочего, инжектируемого потоков и
смеси соответственно равны
-; w„2 =
wc„3 =
_ GV +
р fгl ^п £ л
/р1 Рр /и2 Ри /смЗ Рем
где рр , ри и рсм - плотности соответственно рабочей, инжектируемой сред и смеси, кг/м3. Давления в струйном смесителе равны
W,
2ф з
Ри 2
<2 Ри ■
2ф 4 '
/>р -
<рр 2Ф,2
где рр1, ри2 и рсм3 - давления соответственно в выходном сечении рабочего сопла, инжектируемом потоке и в смеси, Па; ф1 , ф4 и ф3 - коэффициенты скорости соответственно сопла, входа в камеру смешения и диффузора.
Оптимальное соотношение площади f входного сечения 1-1 для рабочего потока и площади fm3 выходного сечения 3-3 для приготовляемой смеси получим при заданном значении перепада давления между рабочим и инжектируемым потоками Ap=(pp - ри), которое определяется, исходя из технической характеристики подающего насоса и при известном значении коэффициента инжекции и, которое зависит от выбранного соотношения масс рапсового масла и дизельного топлива в смесевом биотопливе [5]. Полученные значения (^м3/^,)опт в зависимости от коэффициента инжекции и приведены ниже.
и.....................0 1 2 3 4 5 6 10
(f /f,) ....1,11 3,8 7,25 11,6 16,9 23,2 30,3 66,4
4 см3 ргопт ill I 1111
Пользуясь найденными значениями, можно выбрать оптимальные соотношения сечений струйного
смесителя в зависимости от требуемой концентрации компонентов смесевого биотоплива.
Струйный смеситель может найти применение при необходимости заправки мобильной техники с одновременным смешением биотоплива без предварительного его приготовления. Однако этот способ дороже и технически сложнее, чем механическое перемешивание в резервуаре.
Высокую стабильность показало также смесе-вое биотопливо, полученное при перемешивании с помощью СВЧ-установки. Это - более экономичный способ с точки зрения энергозатрат и продолжительности перемешивания, но требует соответствующего оборудования.
Прочее оборудование для приготовления смесевого биотоплива, его хранения и заправки техники выбирается из числа технических средств, используемых в системе нефтепродуктообеспе-чения, к которым относятся резервуары, перекачивающие насосы объемного типа, топливоразда-точные колонки, трубопроводные коммуникации и гибкие рукава.
Литература
1. Нагорнов С.А. Рекомендации по приготовлению, хранению смесевого биотоплива и заправке сельскохозяйственной техники [Текст] / С.А. Нагорнов, А.Н. Зазуля, С.В. Романцова, В.П. Коваленко, Е.А. Улюкина - Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2012. - 51 с.
2. Устройство для очистки жидкостей [Текст]: пат. № 2426578 Рос. Федерация: МПК7В 01 D 36 /00 (2006.01) / В.П. Коваленко, С.А. Галко, Е.Н. Пирогов, Е.А. Улюкина, А.И. Косых, А.С. Буряков - № 2010106751, заявл. 26.02.2010 г., опубл. 20.08.2011. Бюл. № 23. - 7 с.
3. Горизонтальный резервуар для вязких и застывающих жидкостей [Текст]: пат. № 2393105 Рос. Федерация: МПК7В 65 D 88 /74 (2006.01) / В.П. Коваленко, Е.А. Улюкина, С.А. Галко, Е.А. Островский, А.С. Новик - № 2009104162, заявл. 10.02.2009 г., опубл. 27.06.2010. Бюл. № 18. - 7 с.
4. Коваленко В.П. Исследование стабильности смесевого биотоплива для дизелей при хранении [Текст]/ В.П. Коваленко, Е.А. Улюкина, О.Н. Шайдурова // Международный технико-экономический журнал. - 2008. - № 4. - С. 75-77.
5. Коваленко В.П. Оборудование для получения смесевого биотоплива на основе рапсового масла [Текст] / В.П.
Коваленко, Е.А. Улюкина, М.Л. Насоновский, Е.А. Островс-
кий // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. - 2008. - № 4 (29). - С. 48-52.
I ,.ifffflTmriTr„-. Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (31) февраль 2013 г.
