CC BY
274
УДК 662.636
ПОЛУЧЕНИЕ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
АН. ЗАЗУЛЯ, доктор технических наук, директор С.Л. НАГОРНОВ, доктор технических наук, зам. директора
С.В. РОМАНЦОВА, кандидат химических наук, вед. научный сотрудник
К.С. МАЛАХОВ, аспирант ВИИТиН
E-mail:[email protected]
Резюме. Разработана эффективная технология непрерывного производства биодизельного топлива из растительных масел.
Ключевые слова: биотопливо, дизель, растительные масла, технология.
В соответствии с национальным стандартом ГОСТ Р 52808-2007 «Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения» под биодизельным топливом понимают сложный метиловый эфир с качеством дизельного топлива, получаемый из масла растительного или животного происхождения и используемый кактопливо. Его качество должно обеспечивать хорошую воспламеняемость и достаточно полное сгорание, обусловливающие мягкую работу и легкий пуск дизельного двигателя (то есть иметь требуемый фракционный состав, определяющий необходимую испаряемость топлива [1]) и др. Увеличение в топливе доли более тяжелых фракций, к которым, по сути, относятся растительные масла, приводит к ухудшению смесеобразования, снижению экономичности, повышению нагарообразования и дымности отработавших газов. Эти отрицательные свойства непосредственного использования растительных масел в каче-стветоплива подтверждены экспериментально [2.. .6] .Лучшие результаты получены при использовании метиловых эфиров растительных масел. Однако известные традиционные технологии их производства морально устарели и не соответствуют современным требованиям.
Эволюция технологического прогресса в этой сфере связана с развитием принципиально новых методов воздействия энергии силовых полей на кинетику реакций нуклеофильного замещения. В основу создания эффективных методов синтеза новых соединений из органических веществ заложено использование аппаратов с вихревым вращающимся электромагнитным полем, удельная энергетическая насыщенность рабочей зоны которых существенно превышаегпоказатели аппаратов с механическим перемешиванием.
Цель наших исследований заключается в совершенствовании технологии получения биодизельного топлива, отвечающего всем требованиям, предъявляемым тепловыми двигателями, путем наложения на реагенты силовых полей различной природы.
разработать высокоэффективную технологию и ее ап-
паратурное оформление для интенсификации технологического процесса получения биодизельного топлива из растительных масел.
Условия, материалы и методы. При проведении исследований использованы методы тонкого органического синтеза и интенсификации кинетики реакции путём активации реагирующих веществ импульсными энергетическими воздействиями. Метиловые эфиры растительных масел получали в аппаратах с механическим перемешиванием, роторного типа и с вихревым электромагнитным полем. Произведенное биодизельное топливо испытывали на тракторе МТЗ-80 (двигатель Д-240), ад аптированном для работы на рапсовом масле. Промыш -ленные испытания дизеля 44 11/12,5 и его модификаций (Д-240, Д-242, Д-243) на смесевом топливе (20 % от общего объема метиловые эфиры растительных масел и 80 % товарного нефтяного летнего дизельного топлива) проводили в ООО «Юго-Восточная агрогруппа» (Тамбовская область) начиная с декабря 2004 г.
Фракционный составтоплив определяли стандартным методом перегонки (разгонки). Исследование компонентного состава растительных масел и продуктов их переработки проводили на газовом хромафатографе «Кристалл 2000М», хроматограммы обрабатывали с использованием программного обеспечения «Хроматэк Аналитик». Определение строения продуктов термической обработки (в том числе идентификацию функциональных групп) проводили методом инфракрасной спектроскопии на ИК-Фурье с пекгрометре «1п&11шнРГ» и методом электронной спектроскопии на спектрофотометре СФ 2000.
Для проведения исследований мы использовали индуктор с тремя обмотками (имевшими одинаковое число витков), оси которых были взаимно сд винуты на угол 120°. По обмоткам пропускали равные по значениям амплитуд, но сдвинутые на четверть периода (90°) синусоидальные токи, которые возбуждали в обмотках переменное электромагнитное поле. За время одного период а электромагнитное поле индуктора поворачивалось на 360°, то есть происходило непрерывное и равномерное изменение направления магнитного поля во времени. Скорость его вращения варьировали от 15 до 50 с-1, величину магнитной индукции изменяли в пределах от 0,12 до 0,15тесла. В качестве ферромагнитных частиц использовали стальные цилиндры диаметром 1 мм и длиной от 10 до 15 мм. Объем рабочей камеры изменяли от 0,75 до 0,95 л. Ферромагнитные частицы заполняли 1/5 часть объема рабочей камеры.
Синтез биодизельного топлива осуществляли на эк-периментальной установке в лабораторных условиях. Экспериментальная установка включала стеклянный химический реактор, смонтированный в структуре аппарата, создающего вращающееся магнитное поле. При изучении реакции метанолиза варьировались следующие параметры: температура реакции (от 25 до 60 °С), мольное
соотношениеспирта и масла (от 1:9 до 1:4), концентрация катализатора (от 1,5 % до полного отсутствия), время реакции, присутствие воды в спирте (до 2 %) и свободных жирных кислот в исходном масле (до 2 %). Полученные результаты сравнивали с наиболее распространённым способом синтеза биодизельного топлива: температура реакционной массы 60 °С, продолжительность синтеза—1 час, мольное соотношение масло:спирт — 6:1, концентрация катализатора (щёлочи) —1,5 %,водаисвободныежирные кислоты в масле и спирте отсутствуют.
Результаты и обсуждение. Наличие вихревого слоя ферромагнитных частиц во вращающемся электромагнитном поле дало возможность использовать спирт с содержанием воды до 0,7 %, растительное масло с долей свободной олеиновой кислоты—до2 %, снизить концентрацию катализатора в 2 раза (до 0,75 %), температуру реакционной массы—до 50 °С, мольное соотношение мас-лохпирт - до 1:5, время синтеза до 10 с (см. рисунок). Эго позволяет создавать на основе такой технологии непрерывные схемы синтеза биодизельного топлива
Очевидно, что в условиях опыта наблюдается интенсификация реакции меганолиза.
Растительное масло и метанол представляют собой несмешивающиеся реагенты реакции. На начальной стадии реакционная масса состоит из двух фаз (спиртовой и липидной). Гетерогенные реакции протекают не во всём объёме системы, а на границе раздела фаз (это относится, как правило, к реакциям взаимодействия твёрдых и жидких или твёрдых и газообразных компонентов) или только в объёме одной из фаз в результате диффузии в неё компонента из другой фазы (к этому случаю обычно относят реакции между несмешивающимися жидкостями). Следовательно, кинетику процесса в начале реакции лимитирует массопередача реагентов через диффузионный слой. Метиловые эфиры высших алифатических кислот (компоненты биотоплива) растворимы, как в растительном масле, так и в метаноле. По мере протекания реакции ме-ганализаконцентрация эфиров вреакционноймассеуве-личивается, они действуют как сорастворитель, поэтому через некоторое время система становится гомогенной и кинетику процесса лимитирует химическая реакция.
Активация реагирующих молекул возможна при нагревании веществ, вьщелении энергии в ходе самой реакции, атакжеслучае поглощения реагентами квантов излучения (светового, радиоактивного,рентгеновского, элект-ромагнитногоидр.),поддействиемулыразвука или электрического разряда и даже при ударах о стенку сосуда
В исследуемых ус ловиях активаци и молекул метанола и триацилглицеринов растительного масла происходит под действием вращающегося электромагнитного поля, которое приводит в движение присутствующие ферромагнитные частицы. Образующийся вихревой слой колеблющихся ферромагнитных частиц способствует эффективному перемешиванию реакционной массы. Турбули-зация потока ведет к изменению параметров массопере-дачи, воздействие электромагнитного поля — к изменению энергии исходных соединений и скорости химической реакции. Резкое сокращение времени реакции позволяет использовать исходные соединения разной сте-
пени очистки. Так, содержание воды в спирте во избежание протекания побочной реакции омыления строго лимитируется, как «отсутствие». В исследуемых условиях снижения выхода целевого продукта не наблюдалось вплоть до концентрации воды 0,7 %. Вероятно, такая ситуация связана с тем, что за столь короткое время реакция омыления просто не успевает происходить.Мы предполагаем, что технологическая эффективность аппаратов с вращающимся электромагнитным полем складывается из ряда факторов, одновременно оказывающих воздействие наобрабатываемыежидкости:
ферромашитныечастицы взаимодействуюгмежду собой, обрабатываемыми жидкостями и стенками камеры аппарата;
в рабочей камере индуктора возникают акустические волны и кавитация, которые приводят к интенсификации массообменых процессов;
движение ферромагнитных частиц в рабочей камере индуктора сопровождается интенсивными столкновениями с выделением энергии, формирующей зарвды на ферромагнитных частицах;
Выход
5 %
98
96
94
Выход
%
Выход
%
98
2,5 Содержание кислоты, %
15 Концентрація | катализатора, %
2 Содержание воды, %
Рисунок. Зависимость выхода биодизельного топлива: а) от содержания олеиновой кислоты в исходном масле; б) от концентрации каташзатора; в) от содержания воды в исходном спирте.
каждая частица представляет собой своеобразный мик-ро-электролизер, непрерьюная работа которых насыщает рабочую камеру ивдуктора ионами различной полярности, что способствует ускорению реакций;
при перемапничи вании частиц возн и кает явлен ие маг-нигострикции. Число перемагничиваний, по-видимому, во много раз превышает число соударений частиц. Скорость изменения линейных размеров сопоставима со скоростью света. В результате формируется силовой импульс, действующий на большом расстоянии. Вероятно, каждая частица при своем движении непрерывно излучает силовые импульсы большой силы, способствующие резкой интенсификации химико-диффузионных процессов;
в какие-то моменты частицы соприкасаются с образованием замкнутой электрической цепи, в которой под воздействием вращающегося электромагнитного поля индуцируются сильные токи, инициирующие микродуги. Выделяющееся при этом тепло способствует дополнительной активации процессов и прямому переносу вещества (диффузии);
в результате магнитострикционных импульсов, кавитации, индукционных токов, микродуг, быстрого перемещения ферромагнитныхчастиц и других факторов на несколько порядковувеличивается поверхность взаимодей-
ствия (поверхность раздела фаз) и растет поверхностная энергия, обусловливающая резкое ускорение (интенсификацию) процесса метанолиза растительных масел.
Все перечисленные факторы (формирующие интегральный технологический эффект) обусловливают наличие втаких аппаратах еще не известных явлений, которые способствуют резкой интенсификации химико-диффузи-онных процессов и повышению их эффективности.
Выводы. Таким образом, мы разработали оригинальную технологию производства биодизельного топлива из растительных масел с обработкой сырья силовыми энергетическими полями различной физической природы.
Выявлен импульсный характер воздействия на реакционную систему, инициируемый вращением электромагнитного поля и случайным движением ферромагнитных частиц. Образующийся вихревой слой колеблющихся ферромагнитныхчастиц способствует турбулизациии эффективному перемешиванию реакционной массы.
Освоение разработанной технологии позволит повысить срок службыдизельныхдвигателей на 30...35 %; снизить затраты на ремонт и техническое обслуживание автотракторной техники на 35.. .40 %; уменьшить расход нефтепродуктов при производстве сельскохозяйственной продукции на 12...15 %.
Литература.
1. Острикое В.В., Нагорное С.А., Гафуров И.Д. Топливо и смазочные материалы: Учебное пособие. — Уфа: Изд-во Башкирского ГАУ, 2006.-292 с.
3. Использование биологических добавок в дизельное топливо/В. Ф. Федоренко, Д. С. Буклагин, С.А. Нагорное, А.Н. Зазуля, И.Г. Голубев. — М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. — 52 с.
3. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей — М. : Издательский центр ФГОУВПОМГАУ, 2007. - 340 с.
4. Результаты испытаний и перспективы эксплуатации дизелей на биотопливе/ В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, С.А. Нагорное, А.Н. Зазуля, И.Г. Голубев и др. — М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. — 133 с.
5. Работа дизелей на нетрадиционных топливах/В.А. Марков, А.И. Гайворонский, Л.В. Грехов, IIA. Иващенко. — М.: Изд-во «Ле,’ион-автодата», 2008. — 464 с.
6. Инновационные технологии производства биотоплива второго поколения/В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, С.А. Нагорное, А.Н. Зазуля, И.Г. Голубев и др. — М.: ФГНУ«Росинформагротех», 2009. — 68 с.
RECEPTION BIOFUEL FROM VEGETABLE OILS A.N. Zazulja, S.A. Nagornov, S.V.Romantsova, K.S.Malakhov
Summary. The effective technology of continuous reception of biodiesel fuel from vegetable oils is developed.
Key words: biofuel, the diesel engine, vegetable oils, technology.
УДК 631.372.112.001
ПЛАНЕТАРНАЯ УПРУ ГАЯ МУФТА В ТРАНСМИССИИ КОЛЕСНОГО ТРАКТОРА КЛАССА 1,4
ДА. НЕХОРОШЕЕ, кандидат технических наук, доцент ДД НЕХОРОШЕВ, кандидат технических наук, доцент Волгоградская ГСХА E-mail: [email protected]
Резюме. Предложен способ повышения производительности машинно-тракторного агрегата и снижения динамических нагрузок в трансмиссии колесного трактора с помощью установки планетарной упругой муфты сцепления. Ключевые слова: трактор, трансмиссия, пневмогид-
равлический аккумулятор, планетарная муфта, гидронасос планетарный редуктор.
Эффективный способ увеличения производительности машинно-тракторного агрегата (МТА) — повышение мощности двигателя и рабочих скоростей движения тракторов. Однако увеличение энергонасыщенности тракторов связано с дополнительными динамическими нагрузками в силовой передаче. Эго сопровождается значительным изменением крутящего момента и частоты вращения вала двигателя, а также интенсивным буксованием
