Теплофизические свойства термодинамических систем и технологические закономерности получения биодизельного топлива в суб- и сверхкритических условиях в проточном реакторе Габитов, Радиф Ракибович

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Сокращение запасов углеводородного сырья и, прежде всего нефти, а также обусловленный рост цен на энергоресурсы вынуждают мировое сообщество вести поиск и где-то переходить на новые и возобновляемые источники энергии. Одним из них является и биодизельное топливо, способное заменить нефтяное дизельное топливо и авиационный керосин.

В настоящее время для получения биодизельного топлива в рамках, так называемого, традиционного процесса осуществляется трансэтерификация жиров или масел в спиртовой среде в присутствии кислотного или щелочного катализатора (Р=1 бар; t=60-80^oC; т=1-20 час.). Как следствие, получаются эфиры и, чаще всего метиловые, жирных кислот, которые собственно и представляют собой биодизельное топливо. Однако, недостатки этого подхода с точек зрения энергоэффективности и требований к качеству исходного сырья в итоге формируют неприемлемую себестоимость, на 10-15% превышающую себестоимость нефтяного дизельного топлива. Государства, производящие биодизельное топливо, вынуждены дотировать эти производства в угоду решения, в том числе экологических проблем, связанных с использованием нефтепродуктов. Учитывая достоинства биодизельного топлива, а также невозможность датирования неэффективного процесса на протяжении длительного времени, мировое научно-технологическое сообщество ведет интенсивный поиск путей усовершенствования обсуждаемого процесса.

Одним из перспективных путей, лишенных многих недостатков традиционного процесса, является осуществление реакции трансэтерификации в сверхкритических флюидных (СКФ) условиях, в свою очередь позволяющих проводить реакцию без использования катализатора. Последнее исключает формирование побочных и нежелательных продуктов омыления, потребность в выделении катализатора из продукта реакции и, наконец, благодаря значительно более высокой скорости реакции в СКФ условиях длительность процесса существенно сокращается (до лишь минут или десятков минут). Однако, при всех этих достоинствах нового процесса необходимо указать на один проблемный аспект, связанный с высоким значением соотношения «спирт/масло», свойственным для процесса, осуществленного в СКФ условиях в многочисленных лабораториях различных стран, включая Японию в лице основателя этой реакции. Речь идет о величине соотношения в 42:1 на фоне значений 3:1 и 6:1, характерных соответственно для стехиометрического соотношения и соотношения в традиционном процессе. Последнее обуславливает существенные энергозатраты на выделение избыточного спирта после осуществления реакции и направление его на рецикл.

Таким образом, актуальность темы определяется, в том числе, задачей изучения возможности снижения величины вышеотмеченного соотношения, а также отсутствием оборудования и в целом промышленной реализации прогрессивной СКФ технологии получения биодизельного топлива.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» в рамках хозяйственных договоров №№ 02-08, 03-08 от 01.09.2008 г.; государственных контрактов №№ 6763/9429 от 10.04.2009г, 02.740.11.5051 от 20.0702009 и Государственного задания № 3.3374.2011 КНИТУ (КХТИ) на НИР на 2011-2013 г.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является исследование теплофизических свойств термодинамических систем и технологических закономерностей процесса получения биодизельного топлива в суб- и сверхкритических флюидных (СбКФ и СКФ) условиях реакционной среды с использованием проточного реактора в рамках поиска путей снижения величины соотношения «спирт/масло» до величин, меньших значения 42:1.

Задачи, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Экспериментальное исследование теплофизических свойств термодинамических систем, участвующих в процессе получения биодизельного топлива, в рамках формирования базы данных, необходимой для последующего моделирования процесса, обеспечивающего возможность масштабирования на этапе проектирования оборудования.

2. Разработка оригинального конструктивно-технологического решения пилотной установки, основанной на трубчатом реакторе проточного типа, обеспечивающего возможность осуществления процесса получения биодизельного топлива в СКФ условиях реакциионной смеси (Р до 40МПа и t до 600⁰С) и результативность при соотношениях «спирт/масло», меньших чем 42:1 (мольное соотношение).

3. Экспериментальное исследование влияния термодинамических условий осуществления реакции трансэтерификации на величину конверсии для безэмульсионного варианта реализации процесса.

4. Экспериментальное исследование влияния состава эмульгируемой смеси, мощности ультразвуковой установки и длительности процесса эмульгирования на дисперсность и устойчивость масляно-спиртовых эмульсий.

5. Экспериментальное исследование влияния термодинамических условий осуществления реакции трансэтерификации на величину конверсии для случая предварительного эмульгирования реакционной смеси.

Научная новизна.

5. 1. Получены новые данные по теплопроводности, теплоемкости и кинематической вязкости исходных компонентов и их смесей в диапазоне изменения параметров состояния, реализуемом на отдельных этапах процесса получения биодизельного топлива.

   2. Получены новые данные по дисперсности и устойчивости масляно- спиртовых эмульсий (рапсовое масло + этиловый спирт), приготовленных ультразвуковым методом.

   3. Создана оригинальная пилотная установка для получения биодизельного топлива с использованием проточного реактора и суб- или сверхкритических флюидных условий реакционной среды, позволяющая достигать приемлемые значения конверсии при мольном соотношении «спирт/масло», меньшем чем 42:1.

   4. Впервые получены данные по влиянию термодинамических условий осуществления реакции трансэтерификации на величину конверсии для безэмульсионного варианта реализации процесса и оригинального технико- технологического решения.

   5. Впервые получены данные по влиянию термодинамических условий осуществления реакции трансэтерификации на величину конверсии для случая предварительного эмульгирования реакционной смеси и оригинального технико-технологического решения.

   Теоретическая и практическая значимость работы.

   Экспериментальные данные по теплофизическим свойствам исходных компонентов и их смесей являются важной составляющей базы данных, как необходимого элемента для моделирования процесса получения биодизельного топлива и последующего масштабирования технологии и аппаратурного оформления.

   Разработано оригинальное конструктивно-технологическое решение в формате пилотной установки для процесса получения биодизельного топлива, использующего проточный реактор и СбКФ или СКФ условия для реакционной среды. Полученное энерго- и ресурсосберегающее решение, обеспечивающее приемлемые значения конверсии в рамках СКФ трансэтерификации при значении молярного соотношения «спирт/масло» 5:1, может служить основой для промышленной реализации.

   Пилотная установка с производительностью 150 тонн биодизельного топлива в год является прототипом промышленного образца установки для небольших фермерских хозяйств.

   Технико-технологическое решение для процесса получения биодизельного топлива в СбКФ и СКФ условиях реакционной среды с использованием предварительного эмульгирования реакционной смеси и проточного реактора введено в базу данных ОАО «Татнефтехиминвест-холдинг».

   Положения, выносимые на защиту.

   5. 5. 1. Результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств исходных компонентов и их смесей при различных параметрах состояния.

         2. Оригинальную технологическую схему и конструкцию пилотной установки для получения биодизельного топлива в суб- и сверхкритических флюидных условиях реакционной среды с предварительным эмульгированием реакционной смеси и использованием реактора проточного типа.

         3. Результаты экспериментального исследования влияния состава эмульгируемой смеси, мощности ультразвуковой установки и длительности процесса эмульгирования на дисперсность и устойчивость масляно-спиртовых эмульсий.

         4. Результаты экспериментального исследования влияния термодинамических условий осуществления реакции трансэтерификации на величину конверсии для безэмульсионного варианта осуществления процесса и для случая предварительного эмульгирования реакционной смеси.

         Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается использованием фундаментальных законов тепло - и массообмена, общепринятыми методами экспериментальных исследований, согласованностью полученных экспериментальных значений с литературными данными, расчетом погрешностей результатов измерений.

         Апробация работы.

         Результаты работы докладывались на конференциях: Всероссийской школе молодых учёных «Сверхкритические флюидные технологии в решении экологических проблем», Архангельск, 2010г.; VI Всероссийской научно- технической студенческой конференции «Интенсификация тепло - и массообменных процессов в химической технологии», Казань, 2010г.; Научно- практической конференции «Сверхкритические флюиды (СКФ): фундаментальные основы, технология, инновации», п. Листвянка, 2011г; III Всероссийской школе - конференции молодых учёных «Сверхкритические флюидные технологии в решении экологических проблем. Экстракция растительного сырья» Архангельск, 2012г.; III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло- массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», Казань, 2012г.; 10 Международном симпозиуме по сверхкритическим флюидам (ISSF), Сан- Франциско, США, 2012г.

         Публикации.

         По результатам исследований опубликовано 14 работ (8 научных статей в журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России и 6 тезисов докладов на конференциях).

         Структура и объем работы.

         Диссертация состоит из введения, пяти разделов с выводами, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации составляет 153 страницы. В работе содержится 19 таблиц и 63 рисунка.

         Похожие диссертации на Теплофизические свойства термодинамических систем и технологические закономерности получения биодизельного топлива в суб- и сверхкритических условиях в проточном реакторе

         

         Теплофизические свойства термодинамических систем и техно-логические закономерности получения биодизельного топлива в суб - и сверхкритических флюидных условиях в реакторе периодического действияБикташ Шамиль Айратович

         

         Моделирование процессов окисления материалов активной зоны водо-водяных реакторов в условиях тяжёлых аварий на АЭСШестак Валерий Евгеньевич

         

         Нестационарный тепломассообмен при движении нелинейно-вязких жидкостей в реакторах непрерывного действия в условиях близких к прогрессивному нарастанию температурыАнаньев Дмитрий Владиславович

         

         Исследование кризисов кипения и смены режимов многофазных течений в условиях, характерных для аварий на реакторах АЭСЕвдокимов Игорь Анатольевич

         Акустические и термические свойства расплавов Pb-Bi, Pb-Sn и Ga-In, перспективных для использования в качестве теплоносителей в ядерных реакторах нового поколенияБорисенко, Александр Владимирович

         

         Термодинамические свойства системы гексан-метиловый спирт на поверхности сосуществования в широкой окрестности критической линии парообразованияБасок, Борис Иванович

         

         Теплофизические, электрофизические и термодинамические свойства системы «вода+герметик (Пентэласт®-1161)» в зависимости от температуры и давленияАминов Шамсуло Асоевич

         

         Исследование теплофизических свойств и характеристик систем массивных экрановЛепилов Владимир Ильич

         

         Исследование теплофизических свойств химически реагирующих систем при высоких температурахШмельков Юрий Борисович

         

         Вязкоупругие и теплофизические свойства жидкостей и стеклообразных систем в модели возбужденного состоянияЦыдыпов Шулун Балдоржиевич