CC BY
59
УДК 662.7
СПОСОБ СИНТЕЗА КОМПОНЕНТА ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА, УЛУЧШАЮЩЕГО ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© С.В. Романцова, С.С. Павлов, И.В. Ерохин
Ключевые слова: дизельное топливо; биодизельное топливо; вихревые аппараты; переэтерификация.
Добавление биодизельного топлива улучшает экологические и эксплуатационные свойства дизельного топлива. Предложена технологическая схема синтеза биодизельного топлива с использованием вихревых аппаратов.
Вредные вещества, которые содержатся в транспортных выхлопных газах, способствуют нарушению газообмена в организме и ухудшают функционирование всех систем организма человека; многие компоненты этих газов способны провоцировать мутации генов и развитие раковых заболеваний. Поэтому требования к современным топливам все время ужесточаются, в т. ч. по содержанию ароматических и серосодержащих соединений. Но в процессе деароматизации и гидрообес-серивания дизельной фракции нефти происходит удаление поверхностно-активных веществ, защищающих трущиеся поверхности от износа, что ухудшает смазывающую способность нефтяного дизтоплива. Для улучшения смазывающих свойств нефтяных дизтоплив, удовлетворяющих требованиям стандартов «Евро», необходимо добавлять в них противоизносные присадки. Ассортимент и объем выпуска отечественных присадок невелик. В качестве такой присадки может выступать биодизельное топливо, преимущества которого перед нефтяным топливом хорошо известны [1].
Биодизельное топливо не содержит соединений серы и углеводородов ароматического ряда; при его использовании снижаются выбросы оксида углерода (II), практически отсутствуют выбросы оксидов серы и полициклических углеводородов ароматического ряда.
В молекулах биодизельного топлива содержатся атомы кислорода, обеспечивающие его более полное сгорание, в результате чего уменьшается содержание в выхлопных газах сажи и углеводородов.
По сравнению с нефтяным дизтопливом, биодизельное топливо легко разлагается микроорганизмами и более безопасно при хранении и транспортировке из-за высокой температуры вспышки.
К преимуществам биодизельного топлива следует отнести его высокие смазывающие свойства [2] и цета-новое число [3]. Цетановые числа биодизельных топлив, производимых на российских НПЗ, равны 48...50 при норме 51. Цетановое число биодизеля в зависимости от вида использованного сырья колеблется от 54 до 58. В отличие от синтетических цетаноповышающих присадок биодизельное топливо не ухудшает, а улучшает смазывающие свойства топлива.
Наши исследования показали, что добавление 20 % (об.) биодизельного топлива снижает дымность отработавших газов по сравнению с нефтяным топливом с 15 до 8 %, уменьшает интегральные удельные выбросы
оксидов азота с 5,948 до 5,786 г/(кВт-ч), оксида углерода (II) с 2,782 до 2,007 г/(кВт-ч), а несгоревших углеводородов с 1,006 до 0,792 г/(кВт-ч).
Основной трибологической характеристикой топлив является диаметр пятна износа, значение которого строго нормируется: не более 460 мкм. Для дизельного топлива, прошедшего через стадии обессеривания и деароматизации и содержащего 0,035 % серы, этот показатель составил 586 мкм. После добавления 20 % биодизельного топлива этот показатель снижается до 310 мкм, а цетановое число увеличивается с 48 до 52.
В России биодизельное топливо, несмотря на его экологические и эксплуатационные преимущества, не получило широкого распространения. Одна из основных причин этого - его высокая стоимость, часто связанная с нерациональной технологией его синтеза по реакции переэтерификации.
Наиболее распространенным способом переэтерификации масел является смешивание нагретого растительного масла и раствора катализатора. Перемешивание реакционной смеси продолжается 2 ч, после чего реакционная масса несколько часов отстаивается до расслоения фаз, содержащих глицерин и биотопливо. Слой, содержащий эфиры биотоплива, отделяют, нейтрализуют, промывают водой [4]. Длительность процесса переэтерификации не позволяет реализовать в этом случае непрерывную схему производства. Один из путей увеличения скорости и сокращения времени реакции - увеличение температуры и давления при проведении процесса. Биодизельное топливо предлагается синтезировать [5] в сверхкритических условиях.
Недостатки способа: сложность аппаратурного исполнения и большие энергозатраты для достижения высоких значений температур (240.260 °С) и давлений (15.20 МПа).
Длительность протекания процесса переэтерифика-ции связана с тем, что компоненты реакционной массы -растительное масло и спирт - представляют собой не-смешивающиеся реагенты реакции. На начальной стадии реакционная масса состоит из двух фаз (спиртовой и липидной). Гетерогенные реакции протекают не во всем объеме системы, а только в объеме одной из фаз (в нашем случае - липидной) в результате диффузии в нее компонента из другой фазы (спиртовой). Следовательно, кинетику процесса в начале реакции контролирует массопередача реагентов путем диффузии [6].
Рис. 1. Конструкция вихревого аппарата: 1 - диафрагма; 2 -камера; 3 - корпус; 4 - крышка для технологического обслуживания; 5 - патрубок; 6 - патрубок
Следовательно, увеличение скорости реакции может быть достигнуто путем интенсификации массопе-реноса и турбулизации потока.
Предлагается проводить реакцию переэтерифика-ции в вихревом аппарате, где интенсификация перемешивания достигается за счет взаимодействия двух вихрей, перемещающихся вдоль оси аппарата навстречу друг другу: перефирийного, вращающегося по закону потенциального вихря, и приосевого, вращающегося по закону квазитвердого тела [7]. Определяющая роль в переносе энергии от осевых слоев к периферийным отводится турбулентным пульсациям. Возникающее при этом турбулентное пульсационное воздействие активирует молекулы метанола и триацилглицеринов растительного масла, что также способствует увеличению скорости реакции переэтерификации.
Преимуществами данного способа являются: компактность, меньшая энергоемкость, простота конструкции и обслуживания вихревого аппарата, отсутствие системы охлаждения. На рис. 1 представлена схема конструкции вихревого аппарата.
Вихревой аппарат содержит корпус 3 и камеру 2 с тангенциально подведенными патрубками 5 и 6, к камере присоединяется диафрагма 1, на обратной стороне корпуса установлена крышка 4 для технологического обслуживания вихревого устройства (рис. 1). В устройстве обеспечивается высокая скорость проведения реакции переэтерификации благодаря эффективности процесса перемешивания.
Растительное масло подается через подводящий патрубок 5 (давление 0,2 МПа, температура 60 °C), одновременно с этим через патрубок 6 подается заранее приготовленный раствор катализатора. Предварительное смешивание осуществляется в камере 2, при дальнейшем прохождении закрученного потока по объему корпуса 3 происходит окончательное перемешивание. Выход готового продукта осуществляется через диафрагму 1.
Использование вихревых аппаратов дает возможность интенсифицировать реакцию переэтерификации и создавать экономичные непрерывные технологии синтеза компонентов для улучшения эксплуатационных и экологических свойств дизельного топлива.
ЛИТЕРАТУРА
1. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. М.: Изд-во МГАУ им. В.П. Горячкина, 2007. 340 с.
2. Agarwal A.K., Bijwe J., Das L.M. Effect of Biodiesel Utilization of Wear of Vital Parts in Compression Ignition Engine // Transactions of the ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2003. V. 125. № 2. P. 604-611.
3. Vellguth G. Eignung von Pflanzenolen und Pflanzenolderivaten als Kraftstoff fur Dieselmotoren // Grundlagen der Landtechnik. 1982. Jg. 32. № 5. S. 177-186.
4. Стопский Н.А. Химия жиров и продуктов переработки жирового сырья: учебник. М.: Колос, 1992. 285 с.
5. Способ получения биодизельного топлива: пат. № 2412236 Рос. Федерация: С2, С 11 С 3/04 / Винокуров В.А., Дадашев М.Н., Барков А.В. Заявл. 15.12.2008 г., опубл. 20.02.2011.
6. Способ переэтерификации растительных масел путем алкоголизма: пат. № 2425863 Рос. Федерация: МПК C11 B3/00 (2006.01) На-горнов С.А., Романцова С.В., Матвеев О.В., Рязанцева И.А., Малахов К.С. № 2009134566/13, заявл. 15.09.2009 г., опубл. 10.08.2011.
7. Азаров А.И. Вихревые трубы в промышленности. СПб.: Изд-во ЛЕМА, 2010. 170 с.
Поступила в редакцию 11 ноября 2013 г.
Romantsova S.V., Pavlov S.S., Erokhin I.V. METHOD OF SYNTHESIZING A COMPONENT OF DIESEL FUEL, IMPROVING ITS PERFORMANCE AND ENVIRONMENTAL PROPERTIES
Adding biodiesel improves its environmental and operational characteristics of diesel fuel. A flow diagram of the synthesis of biodiesel using a vortex apparatus is offered.
Key words: diesel; biodiesel; vortex apparatus; transesterifi-cation.
Романцова Светлана Валерьевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры органической и биологической химии, e-mail: [email protected]
Romantsova Svetlana Valeryevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Chemistry, Associate Professor, Associate Professor of Organic and Biological Chemistry Department, е-mail: [email protected]
Павлов Сергей Сергеевич, Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, e-mail: [email protected]
Pavlov Sergey Sergeyevich, All-Russian Scientific and Research Institute of Technics and Oil Products Use of Russian Academy of Agriculture Sciences, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, е-mail: [email protected]
Ерохин Игорь Вячеславович, Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, e-mail: [email protected]
Erokhin Igor Vyacheslavovich, All-Russian Scientific and Research Institute of Technics and Oil Products Use of Russian Academy of Agriculture Sciences, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, е-mail: [email protected]
