CC BY
14Процессы и машины агроинженерных систем
УДК 62-632.5 Код ВАК 05.20.01
ОЦЕНКА ДИЗЕЛЬНОГО СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ РИЦИНОВОГО МАСЛА
И БИОЭТАНОЛА
А.А. Садов1*, Л.В. Денежко1
1 ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Екатеринбург, Россия
* E-mail: artemsadov@ya.ru
Аннотация. В работе рассматривается один из способов получения дизельного смесевого топлива путем смешивания дизельного топлива и биокомпонента. В качестве биокомпонентов в статье рассматривается добавка рицинового масла и биоэтанола получаемого путем переработки отходов сельского хозяйства.
Целью статьи является оценка физико-химических свойств смесей на основе рицинового масла и биоэтанола с последующим определением оптимальных концентраций элементов и методом обработки.
При исследовании использовались методы экспериментальной проверки правомочности принятых допущений и выдвинутых гипотез, ранее опубликованных авторами.
Результаты исследования показали, что термическая обработка рицинового масла позволяет провести химическую реакцию модифицирования рицинового масла с получением менее вязкого высыхающего рицинового масла, пригодного к смешиванию с нефтепродуктами, а благодаря дополнительной обработке ультразвуком, удаётся обеспечить более высокую степень дисперсности эмульгируемых продуктов и увеличить срок хранения свыше полугода по сравнению с механическими способами перемешивания.
Применение дизельного смесевого топлива на основе рицинового масла и биоэтанола имеет возможность применения на дизельных двигателях внутреннего сгорания и дизельных электростанциях с точки зрения физико-химических показателей, и могут применятся с целью диверсификации топливных ресурсов.
Ключевые слова: дизельное смесевое топливо, автотракторная техника, ДВС, физико-химические показатели, рициновое масло, биоэтанол.
EVALUATION OF DIESEL BLEND FUEL BASED ON RICIN OIL AND BIOETHANOL
A.A. Sadov1*, L.V. Denejko1
1 FSBEI HE Ural SAU, Ekaterinburg, Russia
* E-mail: artemsadov@ya.ru
Abstract. The paper discusses one of the methods for producing mixed diesel fuel by mixing diesel fuel and a biocomponent. The article considers the addition of ricin oil and bioethanol obtained by processing agricultural waste as biocomponents.
The purpose of the article is to evaluate the physicochemical properties of mixtures based on ricin oil and bioethanol, followed by determination of the optimal concentrations of elements and the processing method.
The study used the methods of experimental verification of the validity of the assumptions and hypotheses put forward previously published by the authors.
The results of the study showed that heat treatment of ricin oil allows to carry out a chemical reaction of modification of ricin oil to obtain a less viscous drying ricin oil suitable for mixing with petroleum products, and due to additional sonication, it is possible to provide a higher degree of dispersion of emulsified products and increase the shelf life of more than six months. compared to mechanical mixing methods.
The use of a mixed diesel fuel based on ricin oil and bioethanol can be applied to diesel internal combustion engines and diesel power plants from the point of view of physical and chemical indicators, and can be used to diversify fuel resources.
Keywords: mixed diesel fuel, automotive vehicles, internal combustion engines, physicochemical indicators, ricin oil, bioethanol.
Постановка проблемы (Introduction)
В качестве добавки к дизельному топливу могут использоваться масла, которые имеют такие недостатки как: повышенная вязкость, застывание при низких температурах, коксуемость, низкую теплотворность, что негативно сказывается на эксплуатационных показателях двигателей внутреннего сгорания (ДВС), входящих в состав дизельных электростанций (ДЭС).
В качестве растительного компонента для получения ДСТ в статье расматривается добавка биоэтанола и рицинового масла.
Химический состав рицинового масла описывается формулой CH3 - (CH2) 5 - CH (OH) -CH2 - CH = CH - (CH 2) - COOH. Это жирные кислоты с 18 атомами углерода с двойной связью между девятым и десятым атомами углерода, также известные как 12-гидрокси-олеиновая кислота.
Ограниченная растворимость масла в алифатических растворителях требует проведения подбора метода предварительной обработки исходного сырья или способа смешивания дизельного смесевого топлива, исключая расслоения и выпадения осадка.
Результаты исследований по применению смесевого топлива для дизельной техники отображены в многочисленных научных трудах иностранных и отечественных ученых, таких как Уханов А.П., Марков В.А., Адгамов И.Ф., Новопашин Л.А., Денежко Л.В. и других. Но в изученных работах не рассмотрены вопросы теоретической и экспериментальной оценки ДСТ, которые
учитывали бы особенности жирно-кислотного состава и физико-химических показателей рицинового масла в сочетании с биоэтанолом.
Основной проблемой применения данного масла как источника биокомпонента в ДСТ является плохая смешиваемость с нефтепродуктами, которая подтверждается заграничными исследованиями [1,2,3]. Получаемые смеси подвержены расслоению и выпадению в осадок в течение короткого промежутка времени. Для повышения качества дизельного смесевого топлива в процессе его хранения и эксплуатации с целью обеспечения стабилизации и гомогенизированной структуры применяют различные способы смешивания.
Так как физико-химические свойства рицинового масла в значительной мере отличаются от других масел в связи с большим содержанием рицинолевой кислоты. Свойства данного растительного компонента не позволяют обеспечивать смешивание компонентов непосредственно в системе питания ДЭС, а именно высокая вязкость масла, с целью снижения вязкости в работе предложена трёхкомпонентная смесь дизельного топлива, рицинового масла и биоэтанола.
В связи с этим возникает целесообразность оценки физико-химических свойств смесей на основе рицинового масла и биоэтанола с последующим определением оптимальных концентраций элементов и метода обработки.
В соответствии с целью, поставленной в работе, решалась следующая задача: 1. Экспериментально определить влияние концентрации элементов и способа обработки на физико-химические свойства получаемого смесевого топлива.
Методология и методы исследования (Methods)
В работе выделен объект и предмет исследования: объект исследований - физико-химические свойства дизельного смесевого топлива с разной концентрацией биологических и минеральных компонентов; предмет исследований - закономерности изменения физико-химических свойств дизельного смесевого топлива.
В соответствии с выбранным объектом и предметом исследования, и поставленной задачей программа исследований была направлена на проверку ранее опубликованных теоретических зависимостей, раскрывающих влияние применения дизельного смесевого топлива с содержанием биологических и минеральных компонентов с различной концентрацией компонентов, и включала: -лабораторные исследования по определению таких показателей, как плотность, вязкость, температура предельной фильтрации; влияние способа подготовки на изменение свойств рицинового масла и стабильности получаемых смесей.
Виды топлив, исследуемых в работе:
1. Дизельное минеральное товарное топливо марки 3-0,2-62 - 100% (далее ДТ).
2. Рициновое масло ГОСТ 6757-96 100% (далее РицМ) без и с предварительной теплообработкой.
3. Дизельное смесевое топливо с процентным содержанием компонентов: 90 % ДТ + 5 % РицМ + 5 % (Смесь 1), Сп; 80 % ДТ + 10 % РицМ + 10 % Сп (Смесь 2); 70 % ДТ + 15 % РицМ + 15 % Сп (Смесь 3); 60 % ДТ + 20 % РицМ + 20 % Сп (Смесь 4); 50 % ДТ + 25 % РицМ + 25 % Сп (Смесь 5); 40 % ДТ + 30 % РицМ + 30 % Сп (Смесь 6) Результаты исследования
Рициновое масло имеет ряд специфических особенностей, такие как: высокая вязкость, плотность и ограниченная растворимость в нефтяных растворителях, которые исключают применение рицинового масла в «чистом» виде в качестве биокомпонента в дизельном смесевом топливе.
Лабораторные исследования были проведены с целью определения влияния способов подготовки и состава смесей на пригодность в качестве топлива по физико-химическим показателям.
В процессе лабораторных исследований были определены такие показатели как плотность, вязкость и стабильность получаемых смесей.
Таблица 1. Результаты определения плотности рицинового масла в зависимости от способа
обработки
Вид обработки Плотность при 20 °С, г/см3
Рициновое масло необработанное 0,95
Рициновое масло, обработанное ультразвуком 0,95
Рициновое масло после термической обработки 0,94
Рициновое масло после термической и ультразвуковой обработки 0,94
При измерении плотности рицинового масла отмечено не значительное изменение
плотности, которое происходит в результате предварительного нагрева масла до температуры в 330 °С, и охлаждении при которых происходят процессы, сопровождающие различные побочные реакции полимеризации и разложения.
Таблица 2. Результаты определения плотности смесей, полученных на базе термически
обработанного рицинового масла
Вид исследуемой жидкости Измеряемая величина Результат измерения
Смесь 1 0,834
Смесь 2 0,838
Смесь 3 Плотность, г/см3 0,842
Смесь 4 при 20 °С 0,846
Смесь 5 0,85
Смесь 6 0,854
Согласно проведенным лабораторным исследованиям плотности смесей не выявлено
отклонений от научно обоснованных оптимальных значений показателей плотности топлива, применяемого в двигателях внутреннего сгорания, которые находятся в пределах 830-860 кг/м3.
Таблица 2. Результаты определения вязкости рицинового масла в зависимости от способа обработки
Вид обработки Вязкость при 20 °С, сСТ
Рициновое масло необработанное 145,8
Рициновое масло, обработанное ультразвуком 145,8
Рициновое масло после термической обработки 120,5
Рициновое масло после термической и ультразвуковой обработки 120,5
При измерении вязкости рицинового масла отмечено значительное изменение вязкости на 25,8 сСТ, это объясняется не только изменением плотности, но и изменением химического состава при термичекой обработке рицинового масла описанный трудах Садова А.А.
Таблица 3. Результаты определения вязкости смесей, полученных на базе термически обработанного рицинового масла
Вид исследуемой жидкости Измеряемая величина Результат измерения
Смесь 1 2,34
Смесь 2 Кинематическая вязкость, мм2/с, при 20 °С 2,58
Смесь 3 2,9
Смесь 4 3,17
Смесь 5 3,54
Смесь 6 3,96
Согласно проведенным лабораторным исследованиям вязкости, все смеси соответствуют по вязкости научно обоснованным оптимальным показателям вязкостных характеристик топлива, применяемого в двигателях внутреннего сгорания, которые нормируются в пределах для летнего времени эксплуатации 3-6 сСт, а для зимнего периода - 1,8-5 сСт.
Таблица 4 - Результаты определения температуры застывания °С
Вид исследуемой жидкости Измеряемая величина Температура застывания, °С
Смесь 1 Температура, °С -34
Смесь 2 -40
Смесь 3 -44
Смесь 4 -49
Смесь 5 -46
Смесь 6 -40
Ранее для измерения температуры замерзания в работах авторов Денежко Л.В., Садова А.А., Новопашина Л.А. применялась стандартная методика измерения температуры помутнения и застывания как для нефтепродуктов. Но в связи с тем, что дизельное смесевое топливо является сложным многокомпонентным эмульгируемым составом методика измерения потерпела изменения с учитом данных особенностей.
Результаты определения температуры застывания показывают, что все смеси соответствуют данному требованию и имеют температуру застывания - 34°С, что свидетельствует о низкотемпературных свойствах смесей, полученных на базе зимнего дизельного топлива,
биоэтанола и рицинового масла. Следует отметить, что на данный показатель большое влияние оказывает наличие биоэтанола с температурой застывания в -114,3 °С.
Результаты лабораторных исследований по оценке стабильности и устойчивости смеси к расслоению в зависимости от вида обработки и способа смешивания
Таблица 5. Стабильность смесей в зависимости от способа предварительной обработки
компонентов и способа хранения при 20°С
Испытуемый Способ предварительной обработки компонентов и смешивания
образец Без обработки Ультразвуком с Термической Термической
механический последующим обрабо тки с обработкой с
способ механическим последующим последующим
смешивания смешиванием механическим смешиванием
смешиванием ультразвуком
зак отк зак отк зак отк зак отк
№ 1 № 2 № 5 № 6 № 7 № 8 № 9 № 10
Смесь 1 6 мин. 6 мин. 180 180 1440 ч 840 ч < 3576 960 ч
мин. мин. ч
Смесь 2 4 мин. 4 мин. 140 140 1440 ч 840 ч 1248 ч 960 ч
мин. мин.
Смесь 3 4 мин. 4 мин. 122 122 1296 ч 840 ч 720 ч 672 ч
мин. мин.
Смесь 4 3 мин. 3 мин. 120 120 210 ч 192 ч 384 ч 336 ч
мин. мин.
Смесь 5 - - 39 мин. 39 мин. 120 ч 110 ч 288 ч 240 ч
Смесь 6 - - 16 мин. 16 мин. 40 мин. 40 мин. 4 ч 4 ч
Анализируя результаты исследований таблицы 5 можно говорить о непригодности механического и ультразвукового способа смешивания, так как время до расслоения составляет меньше 180 минут. Термическая обработка, в результате которой происходит дегидратация и расщепление рицинолевой кислоты, позволяет увеличить срок стабильности до двух месяцев для смеси 90% ДТ+5% РицМ+5% Сп; при этом, благодаря дополнительной обработки ультразвуком в сравнении с механическими способами смешивания, удаётся достигать более высокой степени дисперсности эмульгируемых продуктов, ускорять процесс и улучшать качество получаемых эмульсий. Данные заключения также подтверждаются работами [4,5,6].
Рисунок 1 -Эмульсионные структуры, полученные механическим перемешиванием (слева) и ультразвуковым методом (справа)
Кроме этого, значительное влияние на срок хранения оказывает количественное содержание биокомпонентов. Например, смесь 40% ДТ+30% РицМ+30% Сп имеет срок стабильности 4 часа, а тем же способом приготовленная смесь 90% ДТ+5% РицМ+5% Сп - более 3000 часов.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
При термической обработке рицинового масла за счет нагрева до 330 °C с дополнительной обработкой ультразвуком замечено изменение показателей плотности, вязкости и стабильности, данные изменения происходят в результате различных побочных реакций полимеризации и разложения, описанных в работе [7]. Изменение химического состава и структуры обеспечивает высокую степень дисперсности эмульгируемых продуктов что позволяет увеличить срок хранения свыше полугода по сравнению с механическими способами перемешивания.
Библиографический список
1. Дж. Саез-Бастанте Синтез биодизельного топлива из касторового масла: бесшумное метилирование в сравнении с ультразвуковым метилированием и исследования энергии / Дж. Саез-Бастанте, С. Пинци, Ф. Дж. Хименес-Ромеро, доктор медицины Луке де Кастро, Ф. Приего-Капоте, М. // Преобразование энергии и управление. - №96 (1). - 2015. - С. 561-567.
2. 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
3. Х. Батени Касторовая установка для производства биодизеля, биогаза и этанола с перспективой переработки на биоперерабатывающем заводе / Х. Батени, К. Карими, А. Замани, Ф. Бенакашани // Applied Energy - №136 - 2014 - стр. 14- 22.
4. Новопашин Л.А. Использование спиртобензиновых и маслодизельных топливных композиций для двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие / Л.А. Новопашин, С.Е. Щеклеин, Н.И. Данилов, Ю.Е. Немихин. - Екатеринбург, 2006. - 78 с.
5. 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.
6. Габитов Р.Р. Исследование влияния ультразвуковой обработки смеси этилового спирта и рапсового масла при получении биодизельного топлива в сверхкритических флюидных условиях / Габитов Р. Р., Усманов Р. А., Габитова А. Р., Гумеров Ф. М. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. №9
7. 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)
References
1. J. Saez-Bastante Synthesis of biodiesel from castor oil: Silent versus sonicated methylation and energy studies / J. Saez-Bastante, S. Pinzi, F.J. Jiménez-Romero, M.D. Luque de Castro, F. Priego-Capote, M.P. // Energy Conversion and Management. - No. 96 (1). - 2015. - pp. 561-567.
2. G. Knothe Methyl esters from vegetable oils with hydroxy fatty acids: Comparison of lesquerella and castor methyl esters / G. Knothe, S.C. Cermak, R.L. Evangelista // Fuel - №96 - 2012. - pp. 535-540
3. H. Bateni Castor plant for biodiesel, biogas, and ethanol production with a biorefinery processing perspective / H. Bateni, K. Karimi, A. Zamani, F. Benakashani // Applied Energy - № 136 -2014 - pp. 14-22.
4. Novopashin L.A. The use of alcohol-gasoline and oil-diesel fuel compositions for internal combustion engines: a tutorial / L.A. Novopashin, S.E. Shcheklein, N.I. Danilov, Yu.E. Nemikhin. -Yekaterinburg, 2006 .-- 78 p.
5. 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., Add. - Yekaterinburg: publishing house of the Ural State Agrarian University, 2020 .-- 192 p.
6. Gabitov R.R. Investigation of the influence of ultrasonic treatment of a mixture of ethyl alcohol and rapeseed oil in the production of biodiesel fuel in supercritical fluid conditions / Gabitov R.R., Usmanov R.A., Gabitova A.R., Gumerov F.M. // Bulletin of Kazan Technological University. 2012. No. 9
7. Sadov A.A. Physical and chemical evaluation of the use of diesel composite fuel based on ricinic oil and bioethanol as fuel for diesel power plant / A.A. Sadov, L.A. Novopashin, L.V. Denezhko and Yu.B. Cherkasov // 3S Web of Conf. Volume 222, 2020 International Scientific and Practical Conference "Development of the Agro-industrial Complex in the Context of Robotization and Digitalization of Production in Russia and Abroad" (DAIC 2020)
