CC BY
13УДК 662.758.2
СТРУКТУРНЫЕ КОМПОЗИЦИИ БИОДИЗЕЛЯ С УЧЕТОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ИСХОДНОГО СЫРЬЯ Ю.В. Панков, кандидат химических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: PankovV@yandex.ru)
Л.А. Новопашин, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: novopashin-leonid@ya.ru)
Л.В. Денежко, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский ГАУ (620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: denejko@yandex.ru)
А.А. Садов, аспирант кафедры технологических и транспортных машин ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8-996-187-9731, Е-mail: artemsadov@yandex.ru)
К.М. Потетня преподаватель кафедры технологических и транспортных машин ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: gto992@mail.ru)
Рецензент М.Б. Носырев , доктор технических наук профессор, почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, профессор ФГБОУ ВО Уральский ГАУ (620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8 (343) 222-40-00, Е-mail: nosyrev.mb@mail.ru)
Ключевые слова: биодизель, структура, углеводородное топливо, триацилглицерид, рицинолиевая кислота, касторовое масло, теплота горения, мощность двигателя Аннотация:
Свойства материальных веществ имеющих физические и химические свойства в полной мере зависят от структурного строения атомов определяющих их применение. Свойства биодизеля характеризуется углеводородной группой СН2. В качестве добавки биодизель в концентрации 20 %...30% может добавляться к чистому дизельному топливу. Как исходное сырье биодизеля используют растительное масло, например (CзH5(Cl8HззOз) ) и спирт С2Н5ОН. Для того чтобы
преобразоваться в биодизель, растительные масла подвергаются процессу этерификации, в ходе которого превращаются в эфиры жирных кислот.
Смесь этих эфиров и называют биодизелем. Физико - химические свойства различных смесей дизельного топлива (С16Н34), чистого растительного масла (например, C3H5(C18H33O3) -касторовое масло) и спирта-этанола (С2Н5ОН) существенно зависят от структуры их строения. Возможное применение касторового масла в качестве компонента биодизеля основывается на том, что структурная формула рицинолеиновой жирной кислоты имеет мононенасыщенные цепи углеводородных групп СН2, мононенасыщенной олеиновой жирной кислоты, насыщенные цепи пальмитиновой жирной кислоты, цепи стеариновой жирной кислоты, и полиненасыщенной линолевой жирной кислоты.
Основные физико-химические свойства касторового масла определяет рицинолеиновая кислота. Касторовое масло в воде не растворяется, хорошо растворяется (1:1) в спирте. Плохо растворяется в бензине. Обладает слабовыраженным запахом и характерным (неприятным) вкусом. На воздухе загустевает, но не покрывается пленкой - не окисляется и не высыхает, что является не типичным для растительных масел.
В работе оцениваются энергетические возможности композиций биодизеля на основе касторового масла. С учетом структурного строения определены химические элементы исходного сырья.
Расчетом получены значения теплоты сгорания углеводородных соединений исследуемых композиций. Расчетом определены изменения эффективной мощности исследуемых композиций смесей биодизеля.
STRUCTURAL COMPOSITIONS OF BIODIESEL TAKING INTO ACCOUNT ENERGY PROPERTIES OF THE ORIGINAL RAW MATERIALS
Y.V. Pankov, candidate of chemistry sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: PankovV@yandex.ru)
L.A. Novopashin, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: novopashin-leonid@ya.ru)
L.V. Denezhko, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: denejko@yandex.ru)
A.A. Sadov, graduate student of the department of technological and transport machines Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: artemsadov@yandex.ru)
K.M. Potetnya teacher of the department of technological and transport machines Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: gto992@mail.ru)
Reviewer M.B. Nosyrev, doctor of technical sciences, professor, honorary worker of the highest professional education of the Russian Federation, professor of FSBEI HE Ural GAU (620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. 8 (343) 222-40-00, E-mail: nosyrev.mb@mail.ru)
Keywords: biodiesel, structure, hydrocarbon fuel, triacylglyceride, ricinolic acid, castor oil, combustion heat, engine power
Annotation:
The properties of material substances with physical and chemical properties are fully dependent on the structural structure of the atoms determining their application. Properties of biodiesel is characterized by a hydrocarbon group CH2. As an additive, biodiesel in a concentration of 20 % ... 30% can be added to pure diesel fuel. As a feedstock of biodiesel is a vegetable oil, such as
(C3H5(C1gH33O3)J) and alcohol
C2H5OH. In order to turn into biodiesel, vegetable oils undergo a process of esterification, during which they are converted into fatty acid esters. A mixture of these esters are called biodiesel. Physico-chemical properties of various mixtures of diesel fuel (C16H34), pure vegetable oil (eg, C3H5 (C18H33O3) -castor oil) and alcohol-ethanol (C2H5ON) significantly depend on the structure of their structure
The possible use of castor oil as a component of biodiesel is based on the fact that the structural formula of ricinoleic fatty acid has monounsaturated chains of hydrocarbon groups CH2, monounsaturated oleic fatty acid, saturated chains of palmitic fatty acid, stearic fatty acid chain, and polyunsaturated linoleic fatty acid. Castor oil-liquid.
The main physical and chemical properties of castor oil are determined by ricinoleic acid. Castor oil does not dissolve in water, dissolves well (1:1) in alcohol. Poorly soluble in gasoline. It has a faint smell and characteristic (unpleasant) taste. In the air thickens, but is not covered with a film - not oxidized and does not dry, which is a practical property.
The paper assesses the energy potential of biodiesel compositions based on castor oil. Taking into account the structural structure of the chemical elements of the feedstock. The calculation obtained values of the combustion heat of hydrocarbon compounds of the studied compositions. The calculation determined the changes in the effective power of the studied compositions of biodiesel mixtures.
Для производства биодизеля используют различные масла растительного происхождения. Биодизель - биотопливо на основе растительных масел имеющие непредельные и предельные углеводороды в химическом отношении подобные метану. Все предельные углеводороды горят и могут быть использованы в качестве топлива. Для того чтобы превратиться в биодизель, они подвергаются процессу этерификации, в ходе которого превращаются в эфиры жирных кислот. Смесь этих эфиров и называют биодизелем. Несмотря на то, что биодизель можно применять и в чистом виде, чаще всего он является своего рода присадкой к классическому нефтяному топливу. В качестве добавки биодизель в концентрации 20 %...30% может добавляться к чистому дизельному топливу. [7-9]
Физико - химические свойства различных смесей дизельного топлива (С16Н34), чистого растительного масла (например, C3H5(C18H33O3) - касторовое масло) и спирта-этанола (С2Н5ОН) существенно зависят от структуры их строения. Изменение состава молекулы (ДТ и РМ) на группу СН2 каждый раз приводит к новому веществу. Проявляется всеобщий закон природы - закон перехода количественных изменений в качественные. Низшие члены ряда предельных углеводородов (от СН4 до С4Н10) - газы; средние члены (от С5Н12 до С16Н34) при температуре до 200С - жидкости, остальные при обычных условиях находятся в твердом состоянии. Во всех случаях температуры кипения и затвердевания тем выше, чем больше молекулярная масса углеводорода. С увеличением числа С-атомов углерода в молекулах резко возрастает число изомеров предельных углеводородов. Изомеры углеводородов обладают специфическими свойствами и создают свойства топливу. Как отдельные гомологи, так и изомеры отличаются друг от друга не только физическими, но и химическими свойствами. Детонация углеводородного топлива представляет собой взрыв, который происходит внезапно при сжатии горючей смеси в цилиндре двигателя. Детонация снижает степень сжатия, что снижает мощность двигателя.
Рис 1 Структурная композиция гептана и изооктана
В качестве нулевого стандартного образца берут нормальный гептан С7Н16 с неразветвленной цепью атомов. Гептан легко детонирует. Изомер октана С8Н18, с разветвленной цепью атомов, мало склонен к детонации, октановое число - 100. Повышение октанового числа топлива достигается увеличением в нем углеводородов с разветвленной цепью атомов. Сильная разветвленность углеводородной цепи часто приводит к повышению температур замерзания, и высокое содержание таких углеводородов в бензинах может ограничивать возможность использования их в зимних условиях.
сн3 сн»
сн3-сн2-сн3-снг-снг-сна-сн3
сн3
гептан
изооктан
Растительные масла не имеют изомеров но имеют разветвленные цепи групп СН2. Биодизель из растительных масел по составу композиционно имеет длинные цепи из групп СН2 - «жирные кислоты» с карбоксилами - СООН. По химической структуре растительные масла представляют собой смеси полных эфиров глицерина и длинноцепных жирных кислот (рис.1).
глицериновын радикал ацилглицерина
о
• сн2 — о — с — (с17н31)
сн — О о II — с (с^н^)
сн2 — О О II — с — (С21Н41)
жирно-кислотныи , радикал трнацилглицерина
Рис 2 Структурная композиция трехосновных карбоновых кислот (рапсовое масло) Наиболее распространенным сырьем для производства биодизеля служат различные сельскохозяйственные масличные культуры. Свойства масел зависят, в основном, от типа и содержания жирных кислот, входящих в состав триглицеридов.
Жирные кислоты, входящие в состав природных масел (в форме триглицеридов), представляют собой либо жидкости, либо твердые вещества с низкой температурой плавления. Чистые масла бесцветны и их можно разделить на «насыщенные» и «ненасыщенные» жирные кислоты. Основность кислот определяется числом содержащихся в них карбоксильных групп.
Так, например, одноосновные кислоты содержат одну карбоксильную группу; двухосновные - две карбоксильных группы и т.д. Исключительным свойством углерода, обуславливающим многообразие органических соединений растительных масел, является способность всех его атомов соединяться прочными ковалентными связями друг с другом. Образуя углеродные цепи практически неограниченной длины. В растительных маслах наиболее часто встречаются следующие ненасыщенные кислоты: олеиновая, линолиевая, линоленовая, элеостеариновая и рицинолевая [1,2]. Формула рицинолевой кислоты в виде брутто-формулы (по системе Хилла) - С18Н34О3. Возможное применение касторового масла в качестве компонента биодизеля основывается на том, что структурная формула рицинолеиновой жирной кислоты (рис. 2) имеет мононенасыщенные цепи углеводородных групп СН2, , мононенасыщенной олеиновой жирной кислоты (рис. 3), насыщенные цепи пальмитиновой жирной кислоты, цепи стеариновой жирной кислоты, [4,5]
СН3(СН2)5СН СН2СН=СН(СН2) 7СООН
он
Рис. 3 Химическая формула мононенасыщенной рицинолеиновой кислоты с одной двойной связью и структурная формула касторового масла - триацилглицерид
Нз Н; Н2 Н Н Н; Н: Н^ ^ Н3С С С С С"С С С С С-ОН
ч/ ч / \ /ЛУ \ZWWW
С С С С С С С С Нз Н^ Н2 Н; Н; \\'£ Нз Нз
н2 к2 н н н к н2 н2 нг 0
с с ОС ОС с с с с-он
/\/\/ \ / \/ \ / \/ \ /
Н3С с с с с с с с
Н2 Н2 Н2 Н2 % Нг Н3
Олеиновая кислота С17Н33СООН
Линолевая кислота С17Н31СООН
Рис 4 Структурная формула ненасыщенных жирных кислот с одной и двумя двойными связями
В зависимости от сорта и степени очистки обладает разной густотой-вязкостью и цветом. Химический состав касторового масла представлен в таблице 1. Таблица 1 Химический состав касторового масла:
Рицинолеиновая кислота - (мононенасыщенная жирная кислота) CH3(CH2)5CH(OH)CH2CH=CH(CH2)7COOH ~90%
Пальмитиновая кислота (Насыщенная жирная кислота) СН3(СН2) 14СН(СН)СООН ~1%
Стеариновая кислота (Насыщенная жирная кислота) СН3(СН2) 16СООН ~1%
Олеиновая кислота (мононенасыщенная жирная кислота) CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH ~3%
Линолевая кислота (полиненасыщенная жирная кислота) СН3(СН2)4СН=СН-СН2СН=СН(СН2)7СООН ~4%
Основные физико-химические свойства касторового масла определяет рицинолеиновая кислота. Положение двойной связи может меняться при нагревании и при различных химических воздействиях. Касторовое масло в воде не растворяется, хорошо растворяется (1:1) в спирте. Плохо растворяется в бензине. Обладает слабовыраженным запахом и характерным (неприятным) вкусом. На воздухе загустевает, но не покрывается пленкой - не окисляется и не высыхает, что является свойством практическим. При температуре менее -15°С застывает.
В смеси со спиртом температура застывания масла снижается до больших отрицательных значений. Добавка дизельного топлива и биоэтанола к рициновому маслу с предварительной подготовкой снижает вязкость, улучшает низкотемпературные свойства и делает пригодной к ее использованию с точки зрения качественного распыла [4]. Физические свойства касторового масла представлены в таблице 2.
Таблица 2 Физические свойства касторового масла
Плотность 0,96—0,97 г/см3
Кинематическая вязкость высокая (более 110 -10-6 м2/сек при 50°С)
Диэлектрическая постоянная 4,0—4,5
Йодное число 85 мг 12/100 г
Число омыления 180 мг КОН/г
Кислотное число 1,5 мг КОН/г
Практическое применение биодизеля с композицией дизельного топлива, касторовым маслом и биоэтанола оценивалось техническими свойствами, полученными тепловыми расчетами и экспериментально.
Рисунок 5 Изменение теплоты сгорания исследуемых композиций смесей биодизеля
Проведен тепловой расчет двигателя Д-240 с использованием 7 смесей с различной концентрацией компонентов: ДТ+ РицМ+ СП соответственно (40х20х40, 40х30х30, 50х25х25, 60х10х30, 60х15х25, 60х20х20, 80х10х10).
Результаты расчета представлены диаграммой (рис. ). Выявлено чем ниже количества дизельного топлива и выше количество спирта тем ниже температура сгорания смеси. Но при добавлении спирта суммарно не более 25% биокомпонентов температура сгорания повышается согласно проведенным расчетам. Но наличие спирта благоприятно влияет на мощностные показатели работы ДВС так исходя из полученных данных на примере смесей с содержанием ДТ 60% видно, что при изменении доли спирта на 5% эффективная мощность увеличивается в среднем 62-70 Вт [ 1,2 ].
Рисунок 6 - Изменение эффективной мощности исследуемых композиций смесей биодизеля
При использовании биодизеля в тракторном двигателе композиций касторово-дизельных смесей со спиртом отмечено незначительное снижение мощности двигателя на 1,7-1, 9% по сравнению с классическим дизельным топливом. По результатам исследований технических свойств композиций из смесей содержащих углеводородные группы СН2, различной природы исходного сырья, можно использовать как биодизельное топливо. [3-6]
Литература:
1. Л.А. Новопашин, Л.В. Денежко, А.А. Садов, Е.Е. Баженов Исследование показателей работы тракторного дизеля при применении смесевого топлива на основе биоэтанола и масла производимого из клещевины
2. Уханов А.П., Уханов Д.А., Адгамов И.Ф. Биотопливо для автотракторных дизелей из сафлорового масла // Нива Поволжья. 2016. №4 (41). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/biotoplivo-dlya-avtotraktornyh-dizeley-iz-saflorovogo-masla (дата обращения: 05.03.2018).
3. Химическая энциклопедия. - Т.4. - М.: Советская энциклопедия, 1995. - С. 268
4. Химический энциклопедический словарь. - Под ред. Кнунянц И.Л. - М.: Советсткая энциклопедия, 1983. - С. 509
5. Уханов А. П., Уханов Д. А., Адгамов И. Ф. Исследование свойств биологических компонентов дизельного смесевого топлива // Нива Поволжья. 2014. №1 (30). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-svoystv-biologicheskih-komponentov-dizelnogo-smesevogo-topliva (дата обращения: 05.03.2018).
6. V. Popa, I. Volf Biomass as Renewable Raw Material to Obtain Bioproducts of High-Tech Value 1st Edition Elsevier Radarweg 29, Box 211, 1000 AE Amsterdam, Netherlands The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5 1GB, United Kingdom 50 Hampshire street, 5th Floor, Cambridge, MA 02139, United States Copyright 2018 Page Count: 492 URL: https://www.elsevier.com/books/biomass-as-renewable-raw-material-to-obtain-bioproducts-of-high-tech-value/popa/978-0-444-63774-1 (дата обращения: 02.03.2018).
7. T. McKeon, D. Hayes Industrial Oil Crops 1st Edition Academic Press and AOCS Press 2016 Page Count: 474 URL: https://www.elsevier.com/books/industrial-oil-crops/mckeon/978-1-893997-98-1 (дата обращения: 03.03.2018).
8. Потетня К.М., Садов А.А., Шорохов П.Н. Способы контроля дымности дизельных двигателей // Научно-технический вестник технические системы в АПК. 2018. № 1 (1). С. 8. С.33-37.
9. Потетня К.М., Садов А.А. Необходимость проведения исследований выхлопных газов с использованием современных газоанализаторов // Молодежь и наука. 2018. № 3. С. 83.
10. Садов А.А., Потетня К.М., Новопашин Л.А., Тимкин В.А. Клещевина как перспективная культура для производства многокомпонентного дизельного смесевого топлива //Аграрное образование и наука. 2018. № 3. С. 9.
Literature:
1. LA Novopashin, L.V. Denezhko, A.A. Sadov, E.E. Bazhenov Study of the performance of a tractor diesel engine when using mixed fuel based on bioethanol and oil produced from castor bean
2. Ukhanov A.P., Ukhanov D.A., Adgamov I.F. Biofuel for autotractor diesel engines from safflower oil // Niva Volga. 2016. №4 (41). URL: https://cyberienmka.ru/artide/n/biotoplivo-dlya-avtotraktornyh-dizeley-iz-saflorovogo-masla (appeal date: 03/05/2018).
3. Chemical encyclopedia. - T.4. - M .: Soviet Encyclopedia, 1995. - p. 268
4. Chemical encyclopedic dictionary. - Ed. Knunyants I.L. - M .: Soviet Encyclopedia, 1983. - P. 509
5. Ukhanov A.P., Ukhanov D.A., Adgamov I.F. Investigation of the Properties of Biological Components of Diesel Mixed Fuels // Niva Volga. 2014. № 1 (30). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-svoystv-biologicheskih-komponentov-dizelnogo-smesevogo-topliva (appeal date: 03/05/2018).
6. Elsevier Radarweg 29, Box 211, 1000 AE Amsterdam, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5, United Kingdom 50 Hampshire street, 5th Floor, Cambridge, MA 02139, United States Copyright 2018 Page Count: 492 URL: https://www.elsevier.com/books/biomass-as-renewable-raw-material-to-obtain-bioproducts- Of-high-tech-value / popa / 978-0-444-63774-1 (appeal date: 03/02/2018).
7. T. McKeon, D. Hayes Industrial Oil Crops 1st Edition Academic Press and AOCS Press 2016 Page Count: 474 URL: https://www.elsevier.com/books/industrial-oil-crops/mckeon/978-1-893997-98-1 (appeal date: 03/03/2018).
8. Potetnya K.M., Sadov A.A., Shorokhov P.N. Ways to control the opacity of diesel engines // Scientific and Technical Gazette technical systems in agriculture. 2018. No. 1 (1). P. 8. P.33-37.
9. . Potetnya K.M., Sadov A.A. The need to conduct research on exhaust gases using modern gas analyzers // Youth and Science. 2018. No. 3. P.83.
10. . Sadov A.A., Potetnya K.M., Novopashin L.A., Timkin V.A. Kleshcheveina as a promising culture for the production of multi-component diesel fuel mix // Agrarian education and science. 2018. № 3. S. 9.
