CC BY
58
УДК 621.936-61
РОЗШИРЕННЯ ПАЛИВНОÏ БАЗИ АВТОМОБШЬНОГО ТРАНСПОРТУ ШЛЯХОМ ЗАСТОСУВАННЯ ЕТИЛОВИХ ЕФ1Р1В ЖИРНИХ КИСЛОТ
РОСЛИННИХ ОЛ1Й
М.В. Карнаух, асшрант, Харкчвський нацюнальний технiчний унiверситет сiльського господарства iменi Петра Василенка
Анотаця. Проведено обгрунтування доцтъност1 замши метилового еф1ру етиловим. Встановлено необх1дт умови контролю якост1 сировини для виробництва б1одизеля. Визначено ф!зико-х!М1чш характеристики досл1дних зразюв етилових еф1р1в ртаковог, соняшниковог i соевог олт.
Ключов1 слова: алътернативне паливо, бiодизелъ, метиловi й етиловi ефiри рослинних олт, жирнокислотний склад, фiзико-хiмiчнi характеристики.
РАСШИРЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ БАЗЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭТИЛОВЫХ ЭФИРОВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
Н.В. Карнаух, аспирант, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко
Аннотация. Проведено обоснование целесообразности замены метилового эфира этиловым. Установлены необходимые условия контроля качества сырья для производства биодизеля. Определены физико-химические характеристики опытных образцов этиловых эфиров рапсового, подсолнечного и соевого масел.
Ключевые слова: альтернативное топливо, биодизелъ, метиловый и этиловый эфиры растительных масел, жирнокислотный состав, физико-химические характеристики.
EXPANSION OF MOTOR TRANSPORT FUEL BASE BY USE OF ETHYL ETHERS
OF VEGETABLE OIL FAT ACIDS
N. Karnaukh, graduate, Kharkiv National Technical University of Agriculture
named Peter Vasilen^
Abstract. The ground of expedience of replacement of methyl ether is in-process conducted by ethyl. The necessary terms of raw material quality control are set for the production of biodiesel. Physical and chemical descriptions of pre-production models of ethyl ethers of rape, sunflower and soy-bean oils are determined.
Key words: alternative fuel, biodiesel, methyl and ethyl ethers of vegetable butters, fatty acid compos -ition, physical and chemical descriptions.
Вступ
PiBeHb розвитку транспортно1' системи держави е найважлившою ознакою ïï технолопчного прогресу i цившзованосп. Економша краши, що динамiчно розвиваеться, висувае перед автомобшьним
транспортом додатковi вимоги щодо впровадження новггшх технологш, шновацшних ршень, шдвищення якосп обслуговування, зниження адмшютративних бар'ерiв i якосп планування. Наростаюча автомобшзащя краши вимагае
концептуальних системних заходiв,
спрямованих на зниження И негативних дш на довкiлля, за максимально можливо! реалiзащ! И переваг i вигод. Автомобшьний парк е практично основним споживачем нафтопродукпв i джерелом забруднення довкшля. У зв'язку з цим особливого значення набувае актуальна проблема пошуку шляхiв розширення паливно! бази автомобiльних засобiв разом зi зниженням екологiчного збитку вiд його експлуатаци, зумовленого викидами в атмосферу таких токсичних компонент, як: окислу вуглецю, оксидiв азоту i шрки, вуглеводнiв i саж1.
З урахуванням поступового виснаження нафтових родовищ з неминучим шдвищенням цiн на мшеральне паливо i залежностi кра!ни вщ експортерiв нафти, а також зростаючо! необхiдностi зниження викидiв шкiдливих речовин збшьшуеться значущiсть використання альтернативних джерел енерги. Най-бiльшу перспективу в замш традицшних нафтопродуктiв мае паливо, отримуване з поновлюваних ресурсiв рослинного походження, сировиннi запаси якого практично невичерпш, але обмеженi посiвними пло-щами.
З 1 шчня 2011 р. в Укра!ш запланований перехiд на стандарт Свро-4, згiдно з яким вмют сiрки в дизельному паливi не повинен перевищувати 50 ррт. Проте чотири нафтопереробнi заводи кра!ни на даний момент не готовi виробляти паливо мiжнародного стандарту, посилаючись на необхвдшсть проведення реконструкци i модершзаци установки гiдроочистки дизпалива, що вимагае додаткових iнвестицiйних вкладень. Виршення дано! дилеми можливе шляхом вживання бшарно! сумiшi з ДТ i бiодизеля на базi ефiрiв рослинних олiй, яке, окрiм вщсутност сiрки, володiе вiдмiнними змащувальними властивостями.
За сво!ми фiзико-хiмiчними, екологiчними й економiчними характеристиками найбiльш прийнятною альтернативою е бюпаливо на основi олiй ршаку, соняшнику i со!. Похiдними даних олш е метиловi й етиловi ефiри, отримуванi в результатi прямо! етерифшацп жирних кислот з метиловим або етиловим спиртом за наявносп каталiзатора.
Метанол як невiд'емний компонент процесу виробництва бiодизеля, всупереч сво!м побiчним дiям, знайшов широке застосування, у той час як використання етилового спирту незаслужено обiйшли увагою.
Аналiз публжацш
Останнiм часом проведено широкомасштабнi дослщження в аспектi застосування бiопалива на базi рослинних олiй та !х ефiрiв у двигунах транспортних засобiв рiзного класу i сiльськогосподарського призначення [1]. Дослiджено наступнi рослиннi олп: рiпакову [2], соеву, соняшникову, кукурудзяну, бавовняну, арахiсову i гiрчичну. Стосовно до умов европейсько! частини найбшьш широко розповсюдженими стали рiпакова, соняшникова i соева олИ. Проведено експлуатацшш випробування автомобiльного транспорту i стендовi випробування дизеля з використанням у якостi палива рослинних олiй як у чистому вигляд^ так i в сумiшах з дизельним паливом, газовим конденсатом, ефiром, у виглядi емульсiй зi спиртом i водою [3]. Проте використання рослинних олш в чистому вигщщ обмежене у зв'язку з його шдвищеною в'язюстю та штенсивним нагароутворенням. Тому найбшьш поширеними стали складнi ефiри, фiзико-хiмiчнi властивостi якi бiльш близью до стандартного дизельного палива [4, 5]. Наявшсть у молекулах ефiру ютотно! долi кисню призводить до зниження теплотворно! здатносп палива i збiльшення його питомо! ефективно! витрати. Але при цьому спостерiгаеться зниження у вщпрацьованих газах димностi i концентрацi! продуктiв неповного згорання палива [6].
Мета i постановка задачi
Визначення доцiльностi використання етилових ефiрiв рослинних олiй у якост бiопалива для дизеля транспортного i сiльськогосподарського призначення.
Ефективнiсть використання етилових еф1р1в
Спостережувана тенденцiя розвитку виробництва бiодизеля на основi метилових ефiрiв рослинних олiй зумовлюе застосування рiзних технологiй його
виготовлення, що не завжди визначае И досконалють i позначаеться на якост кiнцевого продукту. Недотримання технологiчного процесу разом з вщсутнютю потужно! системи фшьтраци вiд механiчних домiшок i очищення вiд продуктiв омилення, глщерину i залишкового метанолу знижуе характеристики бюпалива, що призводить до порушення роботи двигуна i скорочення часу його експлуатаци.
При встановленнi характеристик
бюдизельного палива шести украшських виробниюв [7] було виявлено знижену температуру спалаху п'яти дослiджуваних зразкiв, що непрямим чином свщчить про наявшсть залишкового метанолу i невiдповiдний рiвень технологи
виготовлення. Згiдно ДСТУ 6081 «Паливо моторне. Ефiри метиловi жирних кислот олiй i жирiв для дизельних двигушв» масова частина залишкового метанолу у метилових ефiрах мае бути менше 0,2 %, а температура !х спалаху в закритому тит повинна перевищувати 120 °С. Залишковий метанол своею агресивнiстю справляе негативний вплив на матерiали ущiльнювачiв i фiльтруючi елементи паливно! системи транспортних засобiв. Попадання його в картер двигуна призводить до змши характеристик оли, що веде до корегування термшв його замiни.
Використаний у процес етерифшаци мети-ловий спирт виробляють хiмзаводи з природного газу, запаси якого обмежеш не менше, шж запаси самих нафтопродукпв. Окрiм цього, метанол е сильною отрутою i декiлька його грамiв, що потрапили в органiзм,
спричиняють слiпоту, а великi кiлькостi (3050 грам) - смерть.
З урахуванням сказаного вище спостериаеться доцiльнiсть у замiнi метилового спирту етиловим, який е харчовим продуктом i не володiе згубною агресивною дiею. Застосуванням етилового
спирту, що виготовляеться з поновлюваних сiльськогосподарських ресурав, буде досягнуто незалежнiсть вiд спирав на основi нафти i забезпечено повне завантаження виробничих потужностей спиртних заводiв.
Для обгрунтування ефективностi
використання етилових ефiрiв у якостi сировини використовувалася рiпакова, соняшникова i соева оли. Рослинш оли складаються з трiацiлглiцеридiв, що мiстять у своему складi молекули рiзних жирних кислот, пов'язаних з молекулою глщерину i олш, яю впливають на фiзико-хiмiчнi властивостi. У реакцiю етерифшаци вступають ус трiацiлглiцериди, але такi характеристики ефiрiв як йодне число, в'язюсть, гранична температура
фiльтрування безпосередньо пов'язаш з типом оли. Тому проведено аналiз жирнокислотного складу олiй, результати якого наведено у табл. 1.
Вшьш жирнi кислоти i мехашчш домiшки не беруть участь в реакци, але при цьому здiйснюють споживання каталiзатора. Для здешевлення виробництва ефiрiв олiя пiддавалась хiмiчнiй нейтралiзацil з обмеженням вмiсту цих кислот до 0,5 % i обмеженням вмiсту механiчних домiшок до значення 0,8 %.
В УкрНД1МЖ УААН (м. Харкiв) розроблено нову технолопю, де як каталiзатор замiсть лугу використовувалася алкшбензолсульфо-кислота (АБСК), яка забезпечила зниження собiвартостi продукцИ. Для перевiрки якостi отриманих етилових ефiрiв визначено !х фiзико-хiмiчнi характеристики, наведет у табл. 2.
Отримаш характеристики етилових ефiрiв рiпаковоl, соняшниково1 i соево1 олш задовольняють встановленим вимогам, що дозволить провести подальшi стендовi випробування дизельного двигуна, з метою визначення його технiко-економiчних i екологiчних показниюв.
Таблиця 1 Жирнокислотний склад олш
л в о 3 'н 'si б со б та в о н и Н -а С о б а в о н и ра е н О б СО б а в о 3 'Я а £ б о К о б а в о •3 •¡3 л О б со б а в ок W с> б а в е л о « Е! С) со б а в о н е л о « Е> б о К со б
Ршакова 1,5 - 1,6 1,5 23 60 14 2,5
Соняшникова 1 8 3,2 0,8 36 - 64 1
Соева - 4,6 6,2 0,7 26 - 52 9
"аблиця 2 Фiзико-хiмiчнi характеристики етилових ефiрiв
Назва показника Значення Метод дослвдження
доп. с актичне
о в § а и 'а соняш. соево!
1. Масова частка ефiрiв, %, не менше 96,5 97,8 97,1 96,6 Зпдно з ДСТУ EN 14103
2. Густина за температури 15 °С, кг/м3, у межах 860900 870 872 871 Зпдно з ДСТУ ГОСТ 31072 або ДСТУ ISO 12185
3. Юнематична в'язк1сть за температури 400 °С, мм2/с, у межах 3,55,0 3,86 3,74 3,76 Зпдно з ДСТУ ГОСТ 33
4. Температура спалаху у закритому тиглi, °С, не менше 120 127 125 126 Зпдно з ГОСТ 6356 або ДСТУ ISO 2719
5. Масова частка арки, мг/кг, не бшьше 10 - - - Згадно з ДСТУ ISO 20846
6. Коксовашсть 10 % залишка перегонки, %, не б№ше 0,30 0,26 0,22 0,27 Згадно з ГОСТ 19932
7. Цетанове число, не менше 51 54 52 53 Згадно з ГОСТ 3122 або ДСТУ ISO 5165
8. Зольшсть, % мас, не бшьше 0,02 0,01 0,01 0,01 Згадно з ГОСТ 1461 або ДСТУ ISO 6884
9. Масова частка води: мг/кг, не б№ше %, не бтше 500 0,05 0,04 0,04 0,04 Згадно з ДСТУ ISO 8534 або ДСТУ ISO 12937 Згадно з ГОСТ 2477
10. Вмют мехашчних домiшок: мг/кг, не б№ше %, не бiльше 24 Ввдсут. - - - Згадно з ГОСТ 6370
11. Випробування на мiднiй пластинцi (3 години за температури 50 °С) Витр клас 1 Витр клас 1 Витр клас 1 Витр клас 1 Згадно з ГОСТ 6321
12. Окисна стабiльнiсть за температури 110 °С, год, не менше 6,0 8,7 7,1 9,5 Згадно з ДСТУ ISO 6886 або ДСТУ EN 14112
13. Кислотне число, мг КОН на г, не бшьше 0,50 0,39 0,28 0,35 Згадно з ГОСТ 5985 або ДСТУ 4350 або ДСТУ EN 14104
14. Йодне число, г йоду на 100 г, не бшьше 130 105 120 128 Згадно з ГОСТ 2070 або ДСТУ ISO 3961 або ДСТУ EN 14111
15. Масова частка етилового ефiру лшоленово! кислоти, %, не бшьше 12,0 9,4 - 8,2 Згадно з ДСТУ EN 14103
16. Масова частка етанолу, %, не бшьше 0,5 0,47 0,38 0,42 Згадно з ДСТУ EN 14110
17. Масова частка моноглiцеридiв, %, не бшьше 0,80 0,79 0,8 0,78 Згадно з ДСТУ EN 14105
18. Maœba частка дiглiцеpидiв, %, не бшьше 0,20 0,17 0,15 0,17 Зпдно з ДСТУ EN 14105
19. Maсовa частка тpиглiцеpидiв, %, не бшьше 0,20 0,16 0,1 0,10 Зпдно з ДСТУ EN 14105
20. Maсовa частка вшьного глiцеpинy, %, не б1льше 0,02 0,01 0,01 0,01 Зпдно з ДСТУ EN 14105 або ДСТУ EN 14106
21. Maсовa частка загального глщеpинy, %, не бшьше 0,25 0,22 0,18 0,19 Згадно з або ДСТУ EN 14105
22. Maсовa частка лужних метал1в: (Na + K), мг/кг, не б1льше (Са + Mg), мг/кг, не бшьше 5,0 5,0 - - - Згадно з ДСТУ EN 14108 або ДСTУ EN 14109 Згадно з ГOСT 25784
23. Maсовa частка фосфоpy, мг/кг, не бшьше 10 6,1 5,7 7,75 Згадно з ДСTУ EN 14107
З метою визначення агресивно! ди бюдизеля на гумовi ущiльнення проведено !х випробування в середовищi метилових i етилових ефiрiв. Поставлений експеримент шдтвердив передбачуванi очiкування i виявив шдвищену агресивнiсть залишкового метанолу.
Висновки
1. Застосування дизельного палива в сумiшi з етиловими ефiрами рослинних олш дозволить знизити у паливi вмют сiрки i полiпшити його змащувальш властивостi.
2. Замiна метилового спирту, який е сильною отрутою, виключае можливiсть отруення його парами.
3. Виробництво етанолу з сшьськогосподарських поновлюваних ресурсiв, забезпечуе повну незалежшсть вiд спиртiв на основi нафти i забезпечить повне завантаження виробничих потужностей спиртових заводiв.
4. В УкрНД1МЖ УААН (м. Харкiв) розроблено технолопю, що використовуе в якостi каталiзатора замiсть лугу алкiлбензолсульфокислоту (АБСК), забезпечить зниження собiвартостi продукци.
5. Менш виражена агресивнiсть етанолу до гумових ущiльнень нiвелюе збиток вiд И побiчного ефекту i дозволить шдвищити допустимий вмiст залишкового етанолу з 0,2 % до 0,5 %.
6. Отриманi характеристики етилових ефiрiв ршаково!, соняшниково! i соево! олп задовольняють встановленим вимогам, що дозволить провести подальшi стендовi випробування дизельного двигуна з метою
визначення його теxнiко-економiчниx i екологiчниx показниюв.
Лiтература
1. Гpеxов Л.В. ^^ивная aппapaтypa и си-
стемы yпpaвления дизелей / Л.В. ^е-хов, H.A. Иващенко, В.А. Mapков. - M. :
«Легион-Автодата», 2004. - 344 с.
2. Hashimoto M. Combustion of the Rape-Seed
Oil in a Diesel Engine / Hashimoto M., Dan T., Asano I. et al. // SAE Technical Paper Series. - 2002. - № 2002-01-0867. -P. 1-12.
3. Семенов В.Г. Оптимизация состава бинap-
ного aльтеpнaтивного дизельного топлива / В.Г. Семенов // Химия и технология топлив и масел. - 2003. - №4. -С. 29-32.
4. Давыдова E.M. Большой скачок на биого-
pючем / E.M. Давыдова // Maсложиpовaя пpомышленность. - 2005. - № 4. -С.20-21.
5. Аблаев А.Р. ^отводс^о и ^именение
биодизеля : с^авочное пособие / А.Р. Аблаев, ФЖ. Гyмеpов, И.Ф. Левин и дp. -M. : АПК и ППРО, 2006. - 80 с.
6. Деpевянин С.Н. Maraa и топлива на их
основе для дизельных двигателей / С.Н. Де^евянин, В.А. Mapков, В.Г. Семенов. - Хapьков : Новое слово, 2007. - 451 с.
7. Петpенко Е. К paзpaботке стaндapтов
У^аины на топлива paстительного ^оисхождения / Е. Петpенко, А.Г. Ma-ковс-
кий, А№. Калашников, И.П. Васильев // У^ашський метpологiчний ж^-нал. - 2008. - № 1. - С. 43-48.
Рецензент: MA. Подpигaло, пpофесоp, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редaкцiï 10 березня 2010 р.
