Особенности электрогидравлической обработки крахмалои целлюлозосодержащих отходов сельскохозяйственного производства при получении биоэтанола Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.9.044.4

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРАХМАЛО-И ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ БИОЭТАНОЛА

© 2009 г. член-кор. РАСХН, д.т.н., профессор М.А. Таранов, апирант Н.В. Головинов

Азово-Черноморская государственная Azov-Blacksea State Agroengineering

агроинженерная академия, г. Зерноград Academy, Zernograd

Среди разнообразных видов электрофизического воздействия на крахмало- и целлюлозосодержащее сырье особое место занимает электрогидравлическая обработка. Основными факторами, определяющими качество подготовки крахмало- и целлюлозосодержащего сырья к ферментации и сбраживанию при получении высоких удельных показателей выхода биоэтанола, являются: температура затора, выдержка времени после нагрева затора до требуемой температуры, степень измельчения КЦС и pH водной среды затора.

Для снижения уровня влияния этих факторов на величину выхода биоэтанола предполагается увеличение скорости ввода энергии в канал разряда, а значит и мощности ударной волны, оказывающей разрушающее действие на крахмальную клетку.

Among different ways of electrophysical influence on starch and cellulose raw material electrohydraulic processing takes a special place. The main factors, determining quality of starch and cellulose raw material (SCRM) preparing for fermentation and rumblings when receiving high showings of bioethanol production are obstruction temperature, time delay after obstruction heating up to appropriate temperature, SCRM crumbling up level and pH obstruction water surrounding.

To decrease these factors influence upon bioethanol production value it is suggested to increase flow energy speed into discharge channel and wave power as well which distracts starch cell.

Среди существующих методов предварительной обработки крахмало- и целлюлозосодержащего сырья (КЦС) выделяется большая группа

электрофизических способов и средств. Особое место здесь занимает электрогидравлическая (ЭГ) обработка как наиболее эффективная с точки зрения быстродействия и многогранности воздействия на КЦС.

Необходимо определить влияние параметров ЭГ-установки на величину амплитуды давления ударной волны, а также режима обработки на качество подготовки КЦС к ферментации и дальнейшему сбраживанию в биоэтанол.

Основными факторами,

определяющими качество подготовки КЦС

к ферментации и сбраживанию при получении высоких удельных показателей выхода биоэтанола, являются [1]:

1) температура затора - Ь;

2) выдержка времени после нагрева затора до требуемой температуры;

3) степень измельчения КЦС;

4) pH водной среды затора.

Проведение ЭГ-обработки затора

снижает уровень влияния этих факторов на величину выхода биоэтанола из КЦС [2, 3].

Импульсный электрический разряд в жидкости или электрогидравлический эффект (ЭГЭ) приводит к быстрому выделению энергии в канале разряда. В результате давление в канале разряда значительно превышает внешнее, канал быстро расширяется, что приводит к

возникновению ударной волны. Она представляет собой скачок плотности среды, распространяющейся от канала со скоростью, превышающей звуковую. Давление на фронте ударной волны в жидкости может достигать сверхвысоких давлений (сотни атмосфер). Воздействие этого давления на КЦС вызывает структурную перестройку - разрыв крахмальных и деформацию целлюлозных клеток в производственном жидком заторе, что облегчает дальнейшее осахаривание и сбраживание.

Основным физическим фактором, определяющим влияние ЭГЭ на КЦС, является величина импульсного давления во фронте ударной волны, а также длительность его воздействия.

При определении величины этого давления используют различные подходы. Первые два основываются на анализе электрической схемы замещения ЭГ -разряда

в жидкости [4, 5], которая для общей схемы ЭГ-установки (рис. 1) будет иметь вид, представленный на рисунке 2.

Рис. 1. Схема электрогидравлической установки:

ЗУ - зарядное устройство; С - конденсатор; ИП - искровой промежуток; Р - технологический резервуар; ПУ - перемешивающее устройство;

К - разрядный канал; Э - электроды

L

р.к

Рис. 2. Электрическая схема замещения разрядного контура

Схему замещения разрядного контура можно считать цепью с сосредоточенными линейными параметрами:

т dI ^ т q L-------н R I н— = 0, (1)

рк dt рк C

где LP.K - индуктивность разрядного контура и проводников цепи;

RP.K - сопротивление разрядного канала и цепей установки;

I - разрядный ток; q - количество электричества, накопленного в конденсаторе;

С - емкость конденсаторной батареи при разряде.

Характер разряда и ток, протекаемый в цепи, зависит от соотношения ее элементов прежде всего необходимо,

чтобы Rp.K > 2^LjC . Тогда процесс

разряда носит апериодический характер, в котором почти вся энергия выделяется в начальный период колебания тока и при этом скорость расширения разрядного канала, температура в нем, давление и скорость выделения энергии максимальны. Наблюдается резкий скачок

гидродинамических параметров на фронте ударной волны, оказывающей

разрушительное действие на частицы КЦС.

Так, в первом случае [4], принимая для расчета форму импульса выделения энергии треугольной (рис. 3), максимальное давление, развиваемое в канале разряда, определяют как

p = 0,7

р j

г eJ w

вт

(2)

где рв - плотность воды;

j - полная энергия на единицу длины искрового канала 1;

0, T - временные характеристики кривой выделения энергии.

а б

Рис. 3. Характер выделения мощности и давления в канале искрового разряда: а - принятая для расчета кривая выделения мощности; б - расчетное давление в процессе разряда

Считая оптимальными значения

в * 1,2fLC и T * з4ь-, получим амплитуду ударной волны

р * 82тт- мпа- (3)

где U - напряжение, кВ;

L - индуктивность, мкГн;

l - длина канала, м.

Во втором случае [5] также пренебрегают вязкостью и

теплопроводностью жидкости, при этом давление ударной волны в определенной точке вокруг канала разряда определяется по формуле

s~y 2

р _ РрС0

n

f \n

р

V р0 J

+ P0, (4)

1

где P - давление ударной волны в момент

времени t после прихода ее фронта в заданную точку жидкости;

P - гидростатическое давление на глубине расположения канала разряда;

Ро и — - плотность и скорость звука в

невозмущенной жидкости; n = 7...8 (для воды).

С учетом энергетических

характеристик разрядного контура было получено полуэмпирическое соотношение для расчета давления на фронте ударной волны, отличной от формулы (3):

P, = Ц (Wy(LC Г”, (5)

где W - полная энергия, выделившаяся в

канале разряда.

полная энергия W определяется по формуле

CU2

W2 = Лэ, (6)

где U - напряжение на канале разряда;

Лэ - электрический КПД.

Согласно [6], при одних и тех же параметрах ЭГ-установки увеличение межэлектродного промежутка приводит к большей скорости ввода энергии в разрядный промежуток, о чем свидетельствует приведенный рисунок 4. Также происходит переход от периодических колебаний тока в разрядной цепи к апериодическим, при этом

оптимальным считается режим на границе

этого перехода. N, мВт

N, мВт

Рис. 4. Зависимость мощности ЭГ-разряда от времени при U=40 кВ, С=0,15 мкФ, L=0,4 мкГн и l равном 0,02 (1), 0,04 (2), 0,06 (3) и 0,08 (4) м

Что касается влияния величины индуктивности L, присутствующей в формуле (5), то использование малоиндуктивных схем приводит, так же как и увеличение межэлектродного промежутка, к возрастанию скорости ввода энергии.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Мощность ударной волны в значительной степени зависит от величины межэлектродного промежутка, т.к. при этом увеличивается скорость ввода энергии в канал, а значит, и амплитуда импульса давления, который играет основную роль в разрушении набухшей клетки, что значительно облегчает и ускоряет

дальнейшее осахаривание перед брожением в этанол.

2. При выборе режимов ЭГ-обработки не учитываются физические параметры обрабатываемой жидкости, прежде всего -вязкость и электропроводность, которые для клейстеризованного крахмалистого замеса составляют до 50...52 Пас и 0,1...0,4 Ом-1м-1 соответственно, а также теплопроводность и т.д.

3. В расчетах следует учитывать непостоянство тех физических параметров, которые в процессе технологической обработки КЦС изменяются в широких пределах и оказывают значительное влияние на мощность ударной волны при ЭГ-обра-ботке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Яровенко В.Л. Технология спирта / В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко, В.А. Смирнов и др.: под ред. В.Л. Яровенко. - М.: Колос, 1996. - 464 с.

2. Пат. 2 265 663 (RU). Способ производства этилового спирта. Опубликовано: 10.12.2005. Бюл. № 34.

3. Пат. 2 229 519 (RU). Способ производства спирта из крахмалистого сырья. Опубликовано: 27.05.2004. Бюл. № 15.

4. Попилов Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов / Л.Я. Попилов. - Л.: Машиностроение, 1971.

5. Шамарин Ю.Е. Электрогидравлический эффект в технологических процессах // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1975. № 6. С. 26-27.

6. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости / Е.В. Кривицкий. - Киев: Наук. думка, 1986. - 208 с.