CC BY
15Процессы и аппараты
УДК 662.756.3+62-133 Ю.А.Купцова1, Р.Ш.Абиев2, Е.А.Попов3, Г.В. Козлов4
ПОЛУЧЕНИЕ БИОДИЗЕЛЯ ПО ТЕХНОЛОГИИ ЩЕЛОЧНОГО КАТАЛИЗА В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ПУЛЬСАЦИОННОМ РЕЗОНАНСНОМ АППАРАТЕ
Са нкт- П етербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Рассмотрено оборудование и технологии получения биодизельного топлива. Получено биодизельное топливо по технологии щелочного катализа в горизонтальном пульсационном резонансном аппарате, определена оптимальная частота пульсаций рабочей среды в аппарате при получении биодизельного топлива. Установлено, что минимальное время протекания реакции переэтерификации в пульсационном аппарате достигает 180 секунд.
Ключевые слова: биодизельное топливо, пульсационный аппарат.
образованию свободных жирных кислот, вызывающих коррозию металлических деталей.
Легкие верхние фракции продукта и являются метиловым эфиром жирных кислот, или биодизельным топливом. Нижние фракции являются так называемой глицериновой фазой, которую часто неправильно называют глицерином. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). Достоинства биодизеля:
1. высокая температура воспламенения;
2. более высокое цетановое число: для минерального дизтоплива 42-45, для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51;
3. "биологическая безвредность". По сравнению с минеральным маслом, 1 литр которого способен загрязнить 1 млн. л питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны, биодизель, как показывают опыты, при попадании в воду не причиняет вреда ни растениям, ни животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер при переводе водного транспорта на альтернативное топливо;
4. уменьшение выбросов СО2. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни. Тем не менее, следует заметить, что назвать биодизель экологически чистым топливом было бы неверно. Он дает меньшее количество выбросов углекислого газа в атмосферу;
Введение. Биодизельное топливо: технологии и оборудование
Достойной альтернативой невозобновляемому углеводородному топливу является биотопливо, возобновляемый искусственно или естественно вид топлива растительного происхождения [1, 2].
Переэтерификация - реакция масла или жира со спиртом для формирования алкилированных эфиров (биодизель) и глицерина в присутствии катализатора [3, 4]. В качестве катализатора могут быть ферменты, кислоты или основания. Сегодня наиболее распространенным катализатором для реакции этерификации используют основания типа №ОН или КОН. Растительное масло переэтери-фицируется метанолом, реже этанолом или изопропило-вым спиртом при температуре 60 °С и нормальном давлении.
Для получения качественного продукта необходимо выдержать ряд требований:
• в продукте реакции переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96 %;
• для быстрой и полной переэтерификации метанол берется с избытком, поэтому метиловые эфиры необходимо очистить от него;
• использовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техники без предварительной очистки от продуктов омыления недопустимо. Мыло засорит фильтр и образует нагар, смолы в камере сгорания. При этом сепарации и центрифугирования недостаточно. Для очистки необходима вода или сорбент;
• заключительный этап - сушка метиловых эфиров жирных кислот, т.к. наличие воды приводит к развитию микроорганизмов в биодизельном топливе и способствует
1 Купцова Юлия Александровна, аспирантка каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры e-mail: kupjuliya@rambler.ru
2 Абиев Руфат Шовкетович, д-р техн. наук, профессор, заведующий каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры e-mail: rufat.abiev@gmail.com
3 Попов Евгений Александрович, студент каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры e-mail: sevenashwood@gmail.com
4 Козлов Григорий Владимирович, канд. биол. наук, доцент каф. технологии микробиологического синтеза, e-mail: kozlov_gv@mail.ru
Дата поступления - 9 июля 2013 года
5. хорошие смазочные характеристики. Известно, что минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель же, несмотря на "обделенность" серой, характеризуется хорошими смазочными показателями. Это обуславливается его химическим составом и содержанием в нем кислорода;
Недостатки биодизеля:
1. в холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % минерального дизельного топлива (марка В20);
2. расчетный расход биодизельного топлива, по данным зарубежных исследований, на 5-7% выше минерального, однако, учитывая реальное качество дизельного топлива в России, эта разница изменяется в противоположную сторону, т.е. фактический расход топлива уменьшается;
3. использование 100 % биодизеля в двигателях прошлого поколения может привести к сокращению сроков службы резиновых элементов. Биотопливо — хороший растворитель. Оно очищает стенки топливных баков и трубопроводов от различных наслоений. Поэтому через 710 дней после начала работы на биотопливе нужно заменить топливный фильтр. А потом провести еще одну - две внеплановые замены [5].
Традиционно биотопливо получают в аппаратах с перемешивающим устройством, но при их использовании наблюдается высокая неравномерность распределения энергии, что в целом приводит к снижению эффективности процесса и увеличению его продолжительности [6, 7]. Это связано, в частности, с недостаточным снижением диффузионных сопротивлений в зонах аппарата, где диссипация энергии недостаточно высока, а также с невысоким уровнем диспергирования капель [6, 7].
Попытки использования пульсаций для интенсификации различных процессов химической технологии предпринимаются уже не одно десятилетие. Один из первых патентов на пульсационный аппарат был опубликован в США еще в 1934 г. В 70-90 гг. двадцатого века выполнено множество работ, посвященных как исследованиям пуль-сационных аппаратов, так и выявлению новых физических эффектов при наложении колебаний на многофазные среды.
При ведении технологического процесса пульсацион-ное перемешивание более эффективно, чем механическое; оно улучшает массообмен и повышает экономические показатели работы аппарата [6-10]. Пульсационное воздействие на обрабатываемые среды со сплошной жидкой фазой является одним из методов интенсификации процесса массообмена, особенно за счет резонансных колебаний.
Высокую эффективность аппаратов данного типа авторы [11] связывают со значительной степенью турбули-зации потока реакционной среды. Также были отмечены следующие преимущества таких аппаратов [12]: возможность формирования турбулентного режима при низких значениях числа Рейнольдса, высокий уровень поперечной турбулентной диффузии и одновременно режим работы реактора, близкий к идеальному вытеснению. Таким образом, пульсации способны создать высокоразвитую поверхность контакта фаз, снизить диффузионное сопротивление, как в сплошной, так и в дисперсной среде.
Экспериментальная часть
Горизонтальный пульсационный резонансный аппарат (ГПРА) предназначен для получения биотоплива, промывки, экстракции и удаления нерастворимых компонентов в процессе получения биотоплива, в том числе и на стадии подготовки сырья. Горизонтальный пульсационный резо-
нансный аппарат (ГПРА) [13] (рисунок) относится к новому поколению высокоэффективных химико-технологических аппаратов.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки ГПРА: 1 - корпус; 2 - мерное стекло; 3 - нагревательный элемент; 4 - термопара; 5 - сильфон; 6
- шток; 7 - электромеханический привод; 8 - воронка; 9 - кран
С помощью электромеханического привода 7 шток 6 с исследуемой частотой, которая задавалась с помощью частотного преобразователя, совершает возвратно-поступательные движения, генерируя колебания рабочей среды в пульсационном аппарате.
Интенсификация процесса массообмена достигается за счет резонансных колебаний.
Целью проведения экспериментов является выбор оптимальной частоты колебаний среды в аппарате, соответствующей минимальной продолжительности протекания реакции для получения биодизельного топлива по технологии щелочного катализа в горизонтальном пульсационном резонансном аппарате (ГПРА). Эта частота определяется частотой колебаний штока 6, который совершает возвратно-поступательные движения и присоединен к побудителю колебаний рабочей среды, выполненному в виде сильфона, образующему с корпусом пульсационного аппарата газонаполненную пульсационную камеру.
Получение биодизельного топлива по технологии щелочного катализа
Исходные компоненты: растительное масло (в объеме 1 л), раствор гидроксида калия и метилового спирта (в объеме 150 мл на литр масла) через воронку 8 подавали в аппарат. За ходом процесса получения биотоплива наблюдали через мерные стекла 2. Опыты проводили при трех частотах колебаний штока (8, 12, 15 Гц), с целью определения оптимальной частоты колебаний штока. Предполагалось, что при расчетном значении резонансной частоты 12 Гц продолжительность реакции будет минимальной. С помощью нагревательных элементов 3 и датчика регулятора температуры в ходе каждого опыта в аппарате поддерживали температуру 55-60 °С. Было снято по 10 проб с каждого из трех опытов в моменты времени: 0, 1, 3, 5, 7, 9, 16, 20, 24, 30 мин. При снятии проб в бутылки объемом 1 л было визуально установлено, что время осаждения тяжелой фазы (глицерина) составляет от 5
до 15 сек, что также является преимуществом, так как для разделения продуктов не потребуется дорогостоящее оборудование. После проведения опыта пробы были проанализированы методом тонкослойной хроматографии (ТСХ).
Результаты и их обсуждение
Минимальное время реакции для получения биотоплива по технологии щелочного катализа в горизонтальном пульсационном резонансном аппарате составило 180 с при резонансной частоте колебаний штока 12 Гц. При частоте колебаний штока 8 Гц и 15 Гц биотопливо соответствующее стандарту качества [14] не было получено на протяжении всего эксперимента. При резонансной частоте пульсаций реакция переэтерификации протекает значительно быстрее, что связано с тонким диспергированием капель и улучшением перемешивания, а также более развитой поверхностью контакта фаз.
Заключение
Горизонтальный пульсационный резонансный аппарат может использоваться в технологии щелочного катализа для получения биодизельного топлива.
Получение биодизельного топлива в ГПРА происходит в несколько раз быстрее чем в традиционном оборудовании, что связано с тонким диспергированием капель и улучшением перемешивания, как в сплошной среде, так и в каплях. Представляется возможным осуществлять непрерывной процесс получения биотоплива в аппарате и измерять мгновенные значения мощности, затрачиваемой на генерирование колебаний среды в пульсационном аппарате.
Литература
1. Матковский П. Е., Яруллин Р. С., Старевцева Г.П., Седов И.В. Биоэтанол: технологии получения из возобновляемого растительного сырья и области применения // Альтернативная энергетика и экология. 2010. №6(86). С. 95-105.
2. Поконова Ю.В. Альтернативное топливо (заменители нефтяных топлив). СПб., 2008. 78 с.
3. Чан Н.Т., Мукатова М.Д., Киричко Н.А. Способ получения биодизеля из жиросодержащих рыбных отходов методом проведения реакции переэтерификации // Вестник АГТУ. Сер.: Рыбное хозяйство. 2011. № 1. С.152-156.
4. Федоренко В.Ф., Колчинский Ю.Л., Шилова Е.П. Состояние и развитие производства биотоплива /под ред. В.Ф. Федоренко [и др.] М.: ФГНУ «Росинформагро-тех» 2007. 130 с.
5. Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. 252 с.
6. ДолинскийА.А. Иваницкий Г.К Принципы разработки новых энерго-ресурсосберегающих технологий и оборудования на основе методов дискретно-импульсного ввода энергии // Пром. теплотехника. 1997. Т. 19. № 4-5. С. 13-25.
7. Долинский А.А. Накорчевский Г.И. Принципы оптимизации массообменных технологий на основе метода дискретно-импульсного ввода энергии // Пром. теплотехника. 1997. Т. 19. № 6. С. 5-9.
8. Абиев Р.Ш. Течение однородной несжимаемой жидкости в трубе с периодически меняющимся сечением // Журн. хим. и нефтегаз. машиностр. 2003. № 1. С. 6-10.
9. Абиев Р.Ш. Исследование течения газожидкостной системы в трубе с периодически меняющимся сечением // Химическая промышленность. 2003. Т. 80. № 12. С. 600-607.
10. Аксельруд Г.А. Массообмен в системе твердое тело-жидкость Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1970. 188 с.
11. Берлин, А.А. Минскер КС., Захаров В.П. О новом типе реакторов для проведения быстрых процессов // Докл. РАН. 1999. Т. 365. № 3. С. 360-363.
12. Минскер К.С., Захаров В.П., Берлин А.А. Трубчатые турбулентные реакторы вытеснения - новый тип промышленных аппаратов // Теорет. основы хим. тех-нол. 2001. Т. 35. № 2. С. 172-177.
13. Горизонтальный резонансный аппарат: пат. №2013114 Рос. Федерация. № 5007352/26, заявл. 10.10.1991; опубл. 30.05.1994. Бюл. изобр. 1994. № 10
14. ГОСТ 52368-2005. Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия; введ. с 01.07.2006. - 40 с.
