Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса и задачи исследования 9
1.1 Анализ состояния производства биодизельного топлива в мире и в республике Вьетнам 9
1.1.1 Анализ производства биодизельного топлива в мире 9
1.1.2 Производство биодизельного топлива в Юго-Восточной Азии и в социалистической республике Вьетнам 10
1.2 Анализ характеристик сырья для производства био дизельного топлива 12
1.2.1 Использование рапсового и других масел в качестве биодизельного топлива 12
1.2.2 Анализ сырья для производства биодизельного топлива во Вьетнаме 15
1.2.3 Обоснование применения ятрофы как сырья для получения биодизельного топлива 17
1.3 Анализ технологического процесса производства био дизеля и его промывки углекислым газом 17
1.3.1 Технология производства биодизеля 17
1.3.2 Организация объектов производства био дизельного топлива 22
1.3.3 Технологический процесс производства био дизеля из сырья ятрофы 24
1.3.4 Анализ технологического процесса и устройств для промывки био дизельного топлива от омыленного продукта углекислым газом 25
1.3.5 Существующее устройство для промывки биодизельного топлива от омыленного продукта углекислым газом з
1.4 Анализ известных исследований 37
1.5 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 41
ГЛАВА 2 Теоретические исследования процесса гидродинамического смешивания при получении биодизельного топлива 44
2.1 Обоснование принципиальной схемы гидродинамического смесителя для промывки биодизельного топлива от омыленного продукта углекислым газом 44
2.2 Определение характеристик среды при промывке биодизельного топлива углекислым газом 45
2.3 Определение взаимосвязи параметров и режимов работы гидродинамического смесителя в среде жидкость - газ при промывке биодизельного топлива 48
2.4 Определение рациональных конструктивно - технологических параметров и режимов работы гидродинамического смесителя 77
2.4.1 Расчёт диаметра трубопровода для подачи углекислого газа в биодизельное топливо 77
2.4.2 Определение параметров иглы для регулирования выхода углекислого газа 83
2.4.3 Расчёт расхода биодизельного топлива 87
2.4.4 Определение расхода углекислого газа и количества сопел 88
2.4.5 Определение энергоёмкости процесса гидродинамического смешивания 91
2.5 Выводы по главе 91
ГЛАВА 3 Методика экспериментальных исследований процесса гидродинамического смеши вания при получении биодизельного топлива 93
ГЛАВА 4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 102
4.1 Результаты определения свойств среды при промывке биодизельного топлива углекислым газом 102
4.2 Результаты экспериментальных исследований по определению параметров гидродинамического смесителя и показателей технологического процесса промывки био дизельного топлива углекислым газом 109
4.3 Проверка адекватности результатов исследований реальному процессу.. 116
4.4 Методика инженерного расчёта гидродинамического смесителя 118
4.5 Выводы по главе 122
Глава 5 Оценка экономической эффективности получения биодизельного топлива из растительных масел повышенной кислотности с применением гидродинамического смешивания 123
Выводы 134
Список использованной литературы
- Анализ характеристик сырья для производства био дизельного топлива
- Определение характеристик среды при промывке биодизельного топлива углекислым газом
- Результаты экспериментальных исследований по определению параметров гидродинамического смесителя и показателей технологического процесса промывки био дизельного топлива углекислым газом
- Методика инженерного расчёта гидродинамического смесителя
Анализ характеристик сырья для производства био дизельного топлива
Исследование, производство и использование биодизельного топлива началось в начале 20-ого века. В настоящее время биодизельное топливо широко используется во всем мире. Лидером в этой области является Бразилия и США. Сейчас в Бразилии более 90% машин используют биодизельное топливо, которое производится на 8 заводах, в 2012 г. они произвели 11 млрд. т и планируется на 2020 г. получение 20 млрд. т [105]. В США развитие производства био дизельного топлива также очень важно, т.к. может заменить 70% нефти, импортируемой из стран Ближнего Востока. В рамках Киотского протокола более 6,75% объема дизельного рынка в странах ЕС заменены на биодизель, а согласно директиве Европейского Парламента к 2020 г. 20% используемого дизельного топлива должно быть растительного происхождения, что составит около 25 млн. тонн [6, 49, 113].
В Китае с населением 1,3 млрд. и высоким экономическим ростом потребность в дизельном топливе в настоящее время оценивается в объеме 60-80 млн. т. Самый большой биодизельный завод в городе Гирине производит 600.000 т в год, а общие показатели в стране - 1,8 млн. в год (данные 2012 г.) [108,109,110].
Несмотря на большой запас нефти, в России проводятся исследования [48, 76, 77, 84, 94, 107] и производится биодизельного топливо. В 2012 г. только объём получаемого масла рапса для производства биодизельного топлива достиг 70 млн. т, а самого биодизельного топлива - до 24 млн. т. Площадь ис 10 пользуемых культур для производства биодизельного топлива непрерывно растёт. В Таиланде и Малайзии получили биодизельное топливо из кокосового масла и кукурузы. В остальных странах производство биодизельного топлива не получило широкого распространения и инвестиционного развития.
Вьетнам - страна с площадью 331 210 км2 населением 92 млн. человек (по данным на 2013 г.) и малым количеством полезных ресурсов [59]. Потребность на 2015 г. в энергоресурсах (рисунок 1.1) составляет 66...73 КТОЕ (тыс. т нефтяного эквивалента), на 2020 г. нужно 84... 100 КТОЕ [93].
Энергетическая потребность Республики Вьетнам На сегодняшний день потребление Вьетнама составляет 36,7 млн. т минерального топлива (2013 г.), из них на долю импорта приходится 24,3 т (66,2%). Запасы нефти Вьетнама около 800 млн. т на шельфе, но в настоящее время возникли территориальные споры с Китаем. За последние 5 лет цена топлива (рисунок 1.2) увеличились 112% [35].
Задача правительства Вьетнама заключается в обеспечении постоянно растущих потребностей национальной экономики в развитии возобновляемой энергетики. На 2013 г. возобновляемая энергия только занимает 2,3% на энергетической структуре (рисунок 1.3) [93].
Энергетическая структура Вьетнама [90] Влияние длительной войны и экономических трудностей сказалось на отставании в развитии производства биодизельного топлива во Вьетнаме гораздо сильнее, чем в других странах. В 2001 г. институт Материаловедении в городе Хошимине получил биодизель из кунжутного масла [95]. После этого получили биодизель из патоки, зерна, арахиса, кокосового масла. В 2005 г. в рамках Ки-отского протокола министерство природных ресурсов Вьетнама утвердило проект исследования на получения биодизеля из кокосового масла. В 2007 г. премьер-министр подписал план развития производства биодизельного топлива на 2015 - 2025 гг. Первый завод построили в 2008 г. в Хошимине с производительностью 5 т в сутки. В 2011 г. во всех районах страны уже продавался биобензин Е 5.
Биологические добавки на основе растительных масел в товарное дизельное топливо могут производиться более чем из 50 масличных культур [56, 103, 111]. Для получения биодобавок можно применять подсолнечное рапсовое, соевое, хлопковое, льняное, пальмовое, сафлоровое, арахисовое и другие растительные масла (таблица 1.1) [28, 76, 77, 109, ПО]. Существуют отличия не только между маслами различных растений, но и между маслами одного и того же растения в зависимости от его происхождения. Растительные масла нестабильны и имеют повышенные вязкость и коксуемость. Эти недостатки устраняются при использовании их в смеси с дизельным топливом. Анализ данных таблицы 1.1. показывает, что физико-химические характеристики растительных масел существенно отличаются от дизельного топлива: повышенные плотность, вязкость, температура вспышки.
Недостатками растительных масел как топлива по сравнению с нефтепродуктами являются их меньшая теплота сгорания (на 7 - 10%), более высокая вязкость (в 6 раз и более), повышенная склонность к нагарообразованию, низкая испаряемость и др. Поэтому большинство современных дизельных двигателей может работать на чистых растительных маслах непродолжительное время. Одним из способов устранения указанных недостатков растительных масел является их химическая переработка, позволяющая получать продукты со свойствами, полностью отличными от исходного сырья переэтерификация (производство биодизельного топлива). Процесс производства биодизельного топлива из масла несложен и может быть осуществлён как на больших промышленных предприятиях, так и непосредственно в сельскохозяйственных организациях различных форм (холдинги, кооперативы, фермерские и другие хозяйства). В очищенное от механических примесей масло добавляют метиловый спирт и щелочь, которая служит катализатором реакции переэтерификации.
Смесь нагревают до 50С. После отстаивания и охлаждения жидкость расслаивается на легкую и тяжелую фракции: легкая представляет собой метиловый эфир, или биодизель, тяжелая - глицерин. По молекулярному составу биодизель близок к дизельному топливу. Исходя из стоимости, доступности и физико-химических свойств, наиболее подходящим для производства топлива является рапсовое масло, которое может быть использовано в качестве основы или компонента топлива.
Наиболее простой и доступный способ использования рапсового масла в виде добавок разбавление его дизельным топливом. Смесь получила название биодизельной. Такие топливные композиции называют еще «биодит» (смесевое топливо). Установлено, что с увеличением содержания рапсового масла в биодизельной смеси продолжительность её сгорания увеличивается, а при содержании масла более 60% процесс сгорания не успевает закончиться к моменту открытия выпускного клапана двигателя. Для уменьшения общей продолжительности сгорания в биодизельную смесь вводят активаторы сгорания, например, органическое соединение железа - ферроцен.
Смесевое топливо по сравнению с метиловым эфиром рапсового масла имеет следующие преимущества: несложная технология получения; высокая стабильность в хранении и растворения на молекулярном уровне.
Определение характеристик среды при промывке биодизельного топлива углекислым газом
При промывке биодизельного топлива двухфазная система жидкость-газ состоит из биодизеля и углекислого газа, который необходим для нейтрализации катализатора КОН при получении эфиров жирных кислот этерификацией спиртом. При этом образуется удаляемый осадок, состоящий из мыла и глицерина. Углекислый газ может вводиться в биодизельное топливо с помощью барботера, которым оснащен смеситель и пропускают через весь объем топлива [80]. При этом топливо очищается от мыла и глицерина, выпадающих в осадок.
Группа РБ отличающихся прежде всего простотой конструктивного исполнения и, следовательно, высокой эксплуатационной надежностью. Используются они как при периодическом, так и при непрерывном процессах обработки жидкостей. Поэтому при производстве биодизельного топлива часто используют эти смесители.
На рисунке 1.13 показан барботажный смеситель в виде ёмкости 1 с мешалкой 2, которая активизирует массообмен между биодизельным топливом и углекислым газом, вводимый через барботер 3 [16, 33, 55, 80, 83].
Наиболее эффективными устройствами для диспергирования газа в жидкости считаются турбинные открытые мешалки, создающие в аппарате два циркуляционных контура газожидкостной смеси [83]. В смесителях с механическим диспергированием газа, вводимый через барботер газ диспергируется в жидкости различными перемешивающими устройствами, что определяет особенности гидродинамики и тепломассообмена [60]. В реакторах группы РМС (реактор с мешалкой в свободном объеме) под мешалку через барботер вводится газ. Ввод газа и образование газожидкостной смеси приводит к снижению мощности, потребляемой на перемешивание, вследствие уменьшения плотности среды в зоне лопастей мешалки.
Анализмеханических и барботажных смесителей показал, что главным недостатком их является крупная дисперсность [47].
Наибольшее распространение в практике приготовления смесей получили гидравлические кавитационные устройства. Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую за счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, и акустическую кавитацию, возникающую при прохождении через жидкость ультразвуковых колебаний, и гомогенизация несмешивающихся жидкостей [12, 58, 69].
Наиболее разработанной темой подобных исследований можно считать теорию кавитационной дезинтеграции - процессов, происходящих в кавитаци-онном смесителе [29], в котором реализуется явление кавитации в жидкостях, сопровождающее трансформацию акустической энергии, так называемого вынуждающего осциллятора низкой плотности в энергию высокой плотности схлопывающихся кавитационных пузырьков. В ряде публикаций [12, 58, 69] отмечено, что акустическая кавитация при правильном подборе параметров обладает значительно большей энергетикой, нежели гидродинамическая. Отмечена независимость акустической кавитации от скорости обрабатываемой среды, что позволяет более точно дозировать энергию, передаваемую среде путем установления производительности аппарата, в котором происходит процесс. Причем передача энергии для направленного изменения энергетического состояния обрабатываемой среды происходит без заметного увеличения ее температуры, т.е. надтепловым способом.
Акустические устройства принято классифицировать по типу используе зо мого ими излучателя [47]. Наиболее высокоинтенсивные поля создаются маг-нитострикционными преобразователями. Следует отметить, что для целей смесители в современных акустических технологиях применяются режимы, при которых в жидкости возникает пузырьковая форма кавитации.
Несмотря на то, что смесители, использующие акустические высокоинтенсивные волны, позволяют получать самые мелкодисперсные эмульсии, их эксплуатация встречает некоторые принципиальные трудности [14, 15, 17, 18, 19]. Во-первых, производительность ультразвуковых смесителей, выпускаемых промышленностью, несоизмерима с расходом топлива. Применение магнито-стрикционных смесителей в проточных схемах не представляется возможным. Во-вторых, электронная аппаратура, обеспечивающая питание излучателей, требует квалифицированных специалистов для обслуживания и настройки, что несколько затруднительно. В-третьих, изготовление акустической аппаратуры на основе магнито-стрикционных, ферритовых и пьезокерамических излучателей возможно только на специализированных предприятиях. В-четвертых, аппаратура обсуждаемого типа выпускается промышленностью в ограниченных количествах и имеет относительно высокую стоимость.
Как показали исследования [5], затраты энергии на получение кавитаци-онных пузырьков в ультразвуковых смесителях на порядок выше, чем в гидродинамических. Это связано с быстрым затуханием ультразвуковых колебаний в жидкостях и, особенно, в пузырьковых смесях и суспензиях, если излучающие поверхности вынесены из зоны обработки [37]. Излучающие поверхности испытывают быстрое кавитационное разрушение рабочих органов, что существенно ограничивает применение ультразвуковых смесителей [5].
Для обработки жидких сред наиболее перспективными являются гидродинамические смесители, в которых кавитация возникает при взаимодействии потоков между собой или с различными устройствами [37, 38, 82, 85]. Гидродинамические смесители просты по конструкции в эксплуатации. Решением противоречия соотношения эффекта кавитации и стоимости обору 31 дования для ее проведения может стать использование гидродинамических устройств. Авторами [62] разработан кавитационный смеситель (рисунок 1.14), состоящий из входного патрубка ввода жидкой фазы 1, выполненного в виде полого усеченного конуса и соединенного с завихрителем 2, патрубка ввода диспергируемого компонента (например, газа) 3 с обратным клапаном 4 и выходного патрубка 5, внутри которого установлен суперкавитатор 6.
Результаты экспериментальных исследований по определению параметров гидродинамического смесителя и показателей технологического процесса промывки био дизельного топлива углекислым газом
В качестве прототипа используется гидродинамический смеситель, соединяющий два потока жидкости. Моделью служит тот же смеситель, соединяющий жидкость с газом. Необходимо выделить те факторы из безразмерных комплексов (критериев подобия), которые раскрывают существенные отличия процесса функционирования прототипа и модели. При соответствии линейных размеров модели и прототипа (геометрическое подобие) наблюдается идентичность соответствующих л-критериев. По г а О
При изменении свойств среды (жидкость в прототипе, жидкость-газ в модели) необходимо оценить степень их влияния на характер протекания процесса. Доказано [52], что влияние газа, растворенного в жидкости, пренебрежимо мало на изменение поверхностного натяжения жидкости. Поэтому в первом приближении л-критерий, представленный числом Вебера (We) в уравнении (2.10), равен для прототипа и модели (изменением плотности можно пренебречь).
л-критерий механического подобия Фруда (Fr) вообще не содержит параметра, характеризующего свойства среды, поэтому не зависит от изменения состава при переходе от смеси жидкостей к жидкости с газом.
Характер протекания рассматриваемого процесса основан на образовании пузырьков вследствие диффузии газа при динамическом понижении давления, происходящем при постоянной температуре (газовая кавитация). При этом газ может оказывать действие, аналогичное повышению давления насыщенного пара, а равновесное количество каждого компонента определяется его давлением. Поэтому л-критерий Эйлера (Ей), представляющий отношение градиента давления, вызывающего поток, к силам динамического давления, является одним из основных энергетических показателей, характеризующих процесс:
Влияние динамической вязкости, входящей в л-критерий, представленный числом Рейнольдса (Re), сводится к деформированию и связано с диссипацией механической энергии в процессе развития пузырьков. Увеличение вязкости, согласно исследованиям [52], приводит к уменьшению размеров, а также скорости развития пузырьков.
Диссипация энергии зависит от скорости деформации, сопровождающей развитие пузырька, а также от коэффициента вязкости жидкости. В связи с этим критериальное уравнение должно содержать показатель турбулентности потока - число Re, определяющее отношение произведения диаметра и скорости к коэффициенту динамической вязкости жидкости.
Для потока жидкости, который называют турбулентным, характерны две особенности: сложные изменения скорости в пространстве и времени и неустойчивость по отношению к малым возмущениям. Априорное определение скорости в любой заданной точке потока по данным о макроскопических начальных и краевых условиях не представляется возможным, поскольку в реальности всегда имеют место многообразные неконтролируемые малые возмущения. Последние включают флуктации плотности жидкости, скорости и взаимодействия потока с вибрациями стенок трубы. Мерой устойчивости течения является число Рейнольдса [54]. При малой значимости числа Рейнольдса возмущения скорости потока затухают под действием вязкости. При большом значении числа Рейнольдса действие градиента скорости имеющегося потока на возмущения скорости значительно превосходят влияние вязкого трения [57]. В результате этого возмущение скорости получает энергию от имеющегося потока и быстро перерастает в флуктации, характерные для турбулентности. Отмечается [54], что в турбулентном потоке средняя скорость в большей части попе 55 речного сечения трубопровода постоянна и очень быстро убывает до нуля в пограничном слое около стенок.
Исходя из физического смысла критерия Re следует, что турбулентный режим достигается при превышении относительной скорости пузырьков над переносной потока жидкости. В случаях смешивания основным параметром для описания процессов массопередачи и при определении размеров диспергированных частиц (пузырьков газа в жидкости) является не абсолютная скорость, а её местные флук-тации. Автором [83] получена характеристика потока жидкости с пузырьками газа - мощность на перемешивание:
Диаметр образуемого пузырька уменьшается при снижении числа Рей-ноль дса, что обусловлено снижением турбулентности вокруг пузырька, поскольку он легче перемещается с потоком жидкости.
Исходя из того, что модуль упругости є, входящий в формулу для определения числа Копій, для жидкости равный отношению изменения приращения давления к изменению объема потока, заметно отличается от газового, равного давлению в пузырьке (при постоянной температуре), данный л-критерий является определяющим при исследовании характера протекания процесса [75]:
Выделенные три критерия (Eu, Re, Со) определяют характер протекания процесса, а полученное уравнение раскрывает взаимосвязь параметров смесителя с режимами функционирования и свойствами среды (физико-химическими, вязкоупругими и др.).
Получение коэффициентов данного критериального уравнения основано на анализе эмпирических данных, первоначальным этапом которого является подбор структуры формулы. Результаты исследования данной закономерности в литературе отсутствуют, а получение взаимосвязи параметров со средой экспериментальным путем достаточно затруднительно.
Методика инженерного расчёта гидродинамического смесителя
Необходимо определить параметры оборудования углекислотной промывки, применяемой при производстве жидкого биодизельного топлива из растительных масел непищевого назначения, обеспечивающего получение топлива для дизельных двигателей, соответствующего требованиям ГОСТ Р 53605-2009.
Для получения жидкого биодизельного топлива в качестве исходного компонента использованы растительные масла с повышенным значением кислотного числа, исключающим их пищевое применение: Пробы биодизельного топлива, полученные в результате проведения опытов, оценивали по следующим критериям:
Определение физико-химических показателей полученного биодизельного топлива проводили с помощью стандартных методов испытаний с использованием существующих приборов, аппаратуры и приспособлений. Кинематическая вязкость биодизельного топлива определялась с помощью вискозиметра ВПЖ-4 по ГОСТ 33-2000. Кислотное число масел определялось по ГОСТ 5985-79. Температура вспышки биодизельного топлива в закрытом тигле определяли по ГОСТ 6356-75. Содержание воды в масле и биодизельном топливе определяли с помощью прибора АКОВ (Дина-старка) по ГОСТ 2477-85. Содержание механических примесей в маслах определяли с применением лабораторной центрифуги типа ЦЛН - 2 по ГОСТ 20684-75 или по ГОСТ 6370-83.
Исследования проводились на лабораторной установке для производства биодизельного топлива с применением непрерывного способа дозирования компонентов БИОДОН 1ММ, общий вид которой показан на рисунке 3.1.
На лабораторной установке для производства биодизельного топлива (рисунок 3.1), оснащенной гидродинамическим смесителем, штоковым дозатором, путем прямой переэтерификации глицеридов рапсового или ятрофового масла с метиловым спиртом или с изопропиловым спиртом в присутствии едкого калия был получен метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), изопропиловый эфир рапсового масла (ИЭРМ) или метиловый эфир ятрофового масла (МЭЯМ) и изопропиловый эфир ятрофового масла (ИЭЯМ). Схема лабораторной установки и режим ее функционирования представлены на рисунке 3.2.
В режиме углекислотной промывки (рисунок 3.2) при включенном насосе 1 открывается кран штокового дозатора 5. Под действием разряжения углекислый газ подаётся из баллона 4 через газовый редуктор 7 в гидравлический смеситель. Контроль расхода углекислого газа осуществляется по шкале газового счетчика 9 и показаниям манометра 8. Происходит интенсивное смешивание биодизельного топлива и углекислого газа. С этого момента начинается процесс расщелачивания.. Контроль температуры рабочей жидкости осуществляется датчиком температуры 6. Продолжительность режима углекислотной обработки - от 1 до 12 минут. По истечении вышеуказанного времени насос 1 отключается, кран дозатора 5 полностью закрывается и установка переходит в режим отстаивание. В течение 1 суток происходит отстаивание рабочей жидкости и выпадение в осадок остатков катализатора в ёмкости 3. Верхний слой -это метиловые (изопропиловые) эфиры растительного масла или биодизель, нижний слой - образовавшийся и осадившийся на дне реактора карбонат натрия удаляется и утилизируется. Электронные датчики температуры 6, фиксирующие температуру, соединены в сеть с измерительным прибором ОВЕН ТРМ 200 и ПК (на рисунке 3.2 не показаны).
Прибор ОВЕН ТРМ 200 (с интерфейсом RS - 485) - двухканальный измеритель, применяемый для измерения температуры, уровня, давления, влажности, веса и других физических параметров теплоносителей и различных сред (в зависимости от подключенных датчиков). Внешний вид прибора представлен на рисунке 3.3.
Измеритель ОВЕН ТРМ 200 имеет два универсальных входа для подключения широкого спектра датчиков (температуры, давления, уровня и других физических параметров). Входы обеспечивают возможность подключения датчиков разных типов.
Измеритель ОВЕН ТРМ 200 имеет функции цифровой фильтрации и коррекции входного сигнала, а также вычисление разности измеряемых величин. Имеется индикация текущих значений измеренных величин и их разности на двух встроенных 4-х разрядных светодиодных цифровых индикаторах.
В ТРМ 200 установлен модуль интерфейса RS - 485, организованный по стандартному протоколу ОВЕН, Modbus ASCII/RTU. Интерфейс RS-485 позволяет: - конфигурировать прибор на ПК; - передавать в сеть текущие значения измеренных величин, а также любых программируемых параметров. Подключение ТРМ200 к ПК производится через преобразователь интерфейса ОВЕН АС 4. Для работы с измерителем ОВЕН ТРМ 200 использовались датчики температуры ОВЕН ДТП L 011-0,5/1,5, обладающие малой тепловой инерцией. Технические характеристики датчиков представлены в таблице 3.1.