CC BY
51
ВЯЗКОСТЬ КОМПОНЕНТОВ реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из растительных масел
665.1/.3
А.А. СХАЛЯХОВ B.C. КОСАЧЕВ2, Е.П. КОШЕВОЙ2
1 Майкопский государственный технологический университет,
385000, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта: info@mkgtu.ru
2 Кубанский государственным технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru
Получены данные по вязкости компонентов реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из растительных масел. Состав реакционной смеси получен математическим моделированием кинетики реакции. Поправка на влияние температуры на вязкость компонентов получена методом Льюиса-Сквайрса. Усовершенствован метод Льюиса-Сквайрса для получения аналитических температурных зависимостей вязкости компонентов реакционной смеси. Ключевые слова: вязкость смеси, биодизель, переэтерификация, метод Льюиса-Сквайрса.
Реакция переэтерификации растительных масел с метанолом позволяет получать биодизельное топливо и состоит из ряда последовательных прямых и обратимых реакций [1]. Одним из основных путей интенсификации является устранение обратимых реакций, что возможно с применением мембранного реактора, в котором компоненты реакционной смеси отводятся из зоны реакции [2]. Разработка мембранного реактора для производства биодизельного топлива требует данных по изменению вязкости компонентов реакционной смеси. В этой работе поставлена цель - получить эти данные по результатам экспериментов определения вязкости реакционной смеси в известный момент времени.
В табл. 1 представлены экспериментальные значения вязкости реакционной смеси, полученные в работе [3]. Процесс переэтерификации растительных масел проводился при температуре 60 °С, а измерения вязкости осуществлялись на 120-й мин процесса при температуре 30°С.
Для определения состава реакционной смеси провели математическое моделирование кинетики процесса переэтерификации. В качестве математической модели относительно каждого компонента (Т-триглицериды, О - диглицериды, М- моноглицериды, А - алкоголь, Е - эфир, С - глицерин) использовалась система обыкновенных дифференциальных уравнений следующего вида [4]:
— =-(k’l)[T][A]+(k{)[E][D\, dt
— = (А,')[Г][Л ] - (Ax')[£][£] - (А')[Я][Л ] + (*{)[£ ][М ]; dt
— =(i')[D][^]-(iJ')[£'][M]- (А5')[М][Л] + (A-I)[£][G] dt
— =+(ki)[M][A]~ (k’)[E][G]; dt dE dt
(i)
:+(А,')[Г][Л]- (*')[£][£]+ (i-')[D][,i]-(А4')[£][М]+ (А' )[М][Л ]- (А,; )[£ ][G ];
ЗА
— = -(А,')[Г][Л] + (*,')[£][£]- (А')[Д][Л ]+ dt
+ (А4')[£][М]- (А5')[М][Л] + (А,1)[£][С],
где А/, А и А' - эффективные константы скорости для прямой реакции; АА4; и к1 - соответствующие величины для обратных реакций.
Значения констант скоростей взяты по данным [4] и могут быть представлены уравнениями в зависимости от температуры
A,(i):= expf 23.42Н j exp k^(ty.= exp(18,596)exp k5(ty.= expf 4.614jexp
-7541 273 + t
-5109 273 + t
1351
273 + t
Ax [t)'-= exp(37,083 )exp k^(ty.= exp(34,827 )exp
-11461 273 + t
-10402 j
273 -
A„(i): = exp(-91,974)exT[-^ZIlj
Для решения системы дифференциальных уравнений (1) использовали численный метод Рунге-Кутта с фиксированным шагом 4-го порядка точности. В процессе численного моделирования было исследовано
Таблица 1
Доля метанола в начале процесса, % мас. Динамическая вязкость смеси при 30 °С, Па • с (/120 мин) Содержание компонента на 120-й мин реакции, г-моль
Триглицериды Диглицериды Моноглицериды Глицерин Эфир Метанол
5 0,01798 0,595 0,081 0,042 0,281 1,009 0,491
10 0,00799 0,352 0,070 0,054 0,525 1,752 1,248
15 0,00559 0,149 0,045 0,051 0,755 2,413 2,587
18 0,00463 0,092 0,033 0,046 0,828 2,611 3,389
23 0,00569 0,045 0,021 0,038 0,896 2,785 4,715
влияние исходной доли метанола на изменение состава реакционной смеси в процессе переэтерификации на 120-й мин реакции вместе с данными по вязкости реакционной смеси (табл. 1).
Зависимость динамической вязкости смеси от вязкости чистых компонентов г|,- и их относительной мольной доли М,- в смеси можно представить зависимостью [5]
ео = ехр [6,8473-^5,4763+055 1пг|0].
(4)
Цл,)]-
(2)
1пг|0 = я[1п(0о)]2 + Ып(0о) + с,
(3)
где Г|„- опорная вязкость чистого компонента; 0О - опорная темпера-турачистогокомпонента, °С;а = 1,8181; Ь = -24,8986; с = 75,287-параметры уравнения.
Используя представленное уравнение, можно по известной опорной вязкости компонента рассчитать соответствующую опорную температуру, определяемую предложенным уравнением. В явном виде эта зависимость принимает вид
0,0008
0,0007
0,0006
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
о
В данном случае используется только один из корней квадратного уравнения, определяющий монотонно убывающую зависимость вязкости от температуры, что соответствует графику Льюиса и Сквайрса. Подставив полученную зависимость в уравнение (3), получили зависимость вязкости компонента г|(ґ) от температуры, которая определяется как сумма опорной температуры 0О и разности между расчетной температурой - и температурой известной вязкости -н:
Используя данные табл. 1, можно определить вязкость чистых компонентов при температуре 30 °С. С учетом того, что данные по вязкости метанола и глицерина известны [6], количество экспериментальных данных достаточно для определения вязкости остальных компонентов смеси. Для этого использовали нелинейный метод наименьших квадратов и поиск решения в программе Excel [7]. В результате получили опорные вязкости основных компонентов переэтерифицирован-ной смеси при 30 °С, Па • с: триглицериды 0,062491; эфиры 0,007848; метанол 0,00051; глицерин 0,6; моноглицериды 0,03562; диглицериды 17,9989.
Среднее относительное отклонение расчетных вязкостей смесей от экспериментальных составляет
0,11%, что свидетельствует о достаточной точности данных, полученных по используемой модели вязкости смеси (2). Сравнение полученных значений для триглицеридов показало близость к данным по вязкости триглицеридов растительных масел [8, 9].
Для пересчета вязкости по температурной шкале известной вязкости чистого компонента при одной температуре использовали метод Льюиса и Сквайрса [5]. С целью моделирования влияния температуры предложенный ими график преобразовали в аналитическую зависимость
г|(/)=ехр a[ln(9„ + (/ — /н)) j + 61n(0„+(/ — /„))
+ с
(5)
Имея опорные вязкости основных компонентов смеси, провели пересчет полученных значений вязкости чистых компонентов смеси при температуре 30 °С на температуру 60 °С (табл. 2).
Таблица 2
Компонент смеси Г|,„ Па • с, при (н 30°С е„, °С е„+ а - (н) г), Па - с, при (60°С
Триглицериды 0,062491 97 127 0,01492
Эфиры 0,007848 235 265 0,00315
Метанол 0,000510 195 225 0,00035
Глицерин 0,600000 105 135 0,07251
Моноглицериды 0,035620 139 169 0,00988
Диглицериды 17,998904 64 94 0,62018
30 40 50 60
Температура, °С
Для проверки метода получения температурных зависимостей вязкостей сравнили известные данные по вязкостям при различных температурах (метанол и глицерин [6] и растительное масло [9]) с расчетными вязкостями (рисунок: кривая 1 - метанол, 2 - глицерин, 3 - триглицерин).
выводы
1. Получены данные по вязкости компонентов реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из растительных масел.
2. Усовершенствован метод Льюиса и Сквайрса для получения аналитических температурных зависимостей вязкости компонентов реакционной смеси.
ЛИТЕРАТУРА
1. Схаляхов А.А., Блягоз X.P., Кошевой Е.П. Производство биотоплива из масел и жиров. - Майкоп: Изд-во МГТУ, 2008. -131 с.
2. Cao P., Tremblay A.Y., Dube М.А., Morse К. Effect of membrane pore size on the performance of a membrane reactor for biodiesel production // Ind. Eng. Chem. Res. - 2007. - 46. - P. 52-58.
3. Encinar J.M., Gonzalez J.F., Sabio E., Ramiro M.J. Preparation and properties of biodisel from Cynara cardunculus L. oil // Ind. Eng. Chem. Res. - 1999. - 38. -P. 2927-2931.
4. Vicente G., Martinez М., Aracil J., Esteban A. Kinetics of sunflower oil methanolysis // Ind. Eng. Chem. Res. - 2005. - 44. -P. 5447-5454.
5. Рид P., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справ. пособие. - Л.: Химия, 1982. -592 с.
6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков АА. Примеры и 8. Технология переработки жиров / Н.С. Арутюнян, Е.П.
задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - К°рнена, А.И. Янова и др. - М.: Пищепр°миздат, 1998. - 452 с.
Л ■ Химия 1981 -560с 9. Реометрия пищевого сырья и продуктов: Справочник /
_ ^ _ , Под ред. Ю.А. Мачихина. - М.: Агропромиздат, 1990. - 271 с.
7. Орвис В. Excel для ученых, инженеров и студентов. -
Киев: Юниор, 1999. -528 с. Поступила 07.11.08г.
VISCOSITY OF COMPONENTS OF THE REACTIONARY MIX BY MANUFACTURE OF BIODIESEL FUEL FROM VEGETABLE OILS
A.A. SKHALYAHOV1, V.S. KOSACHEV2, E.P. KOSHEVOY2
1 Maikop State Technologycal University,
191, May Day st., Maikop, 385000; e-mail: info@mkgtu.ru 2Kuban State Technologycal University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: intrel@kubstu.ru
The data on viscosity of components of a reactionary mix is obtained by manufacture of biodiesel fuel from vegetable oils. The structure of a reactionary mix is received by mathematical modelling kinetics reactions. The amendment on influence of temperature on viscosity of components is received by Lewis-Squires method. Lewis-Squires method for reception of analytical temperature dependences of viscosity of components of a reactionary mix is improved.
Key words: viscosity of mix, biodiesel engine, pereeterifikaciya, Lewis-Squires method.
663:664.696.4
СИСТЕМНЫМ ПОДХОД К ОБЕСПЕЧЕНИЮ КА ЧЕСТВА БЫСТРОРА СТВОРИМЫ1Х НАПИТКОВ
А.М. ПОПОВ, С.П. МАЛЬЦЕВА
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности,
650056, г. Кемерово, б>-р Строителей, 47; факс: (384-2)73-40-07, электронная почта: office@Kemtipp.ru
Рассмотрена возможность применения системного подхода к технологическому потоку производства быстрорастворимых гранулированных напитков. Для исследования технологического потока использован методологический алгоритм оптимизационного анализа, состоящий из восьми последовательных этапов. Цель работы - показать возможность и методологическую ценность системного подхода к технологическому процессу для повышения эффективности научных и проектных работ в области создания и применения на практике новой технологии и техники.
Ключевые слова: системный подход, технологический поток, восьмиэтапный методологический алгоритм, быстрорастворимые гранулированные напитки.
Одним из основных направлений пищевой промышленности является разработка технологии многокомпонентных продуктов питания на основе сырья природного происхождения.
Для определения возможностей создания быстрорастворимых гранулированных напитков (БГН) с использованием сухой композиции с заданным сбалансированным составом питательных веществ на основе дисперсных систем был использован методологический алгоритм системного подхода [1]. Концепция системного подхода предполагает рассмотрение технологии быстрорастворимых напитков в виде модели технологического потока, конечным результатом которого является создание и эффективное использование этого сложного дисперсного продукта. Актуальные проблемы рассматриваются как главная характеристика системы, определяющая способ и последовательность исследования или проектирования всех других системных характеристик сложного объекта. Рассмотрение системных закономерностей в плане возможностей их использования при исследовании и проектировании современных технико-технологических систем показывает, что учет этих закономерностей становится не-
обходимым условием создания качественно новых технологических комплексов [2].
Цель исследования - разработка системной модели технологического потока производства сухих гранулированных напитков. Объект исследования - многокомпонентный дисперсный продукт, обладающий определенными свойствами при условии нормального протекания физико-химических процессов [3].
Алгоритм исследования состоит из восьми последовательных этапов.
1. Фиксация противоречий, актуальных для познания, проектирования и управления. Для системного исследования данный этап является ключевым, так как актуальное противоречие (проблема) выступает в качестве системоформирующего и системодвижущего фактора.
В системной разработке производственного процесса в технологическом комплексе необходимо рассмотрение технологического потока как системы, имеющей сложную структуру, образуемую множеством взаимодействующих сторон.
Системная методология позволяет многосторонне исследовать общие механизмы и формы системно-ор-
