CC BY
88
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 630.847.7:53.093:53.096
Р. Р. Гайфуллина, М. С. Курбангалеев, З. И. Зарипов,
B. D. Willson
СУШКА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Ключевые слова: сушка, непрерывное вакуумирование, вакуумно-импульсная сушка микроводоросли, биодизель. Представлены экспериментальные результаты двух методов сушки микроводорослей.
Keywords: drying, continuous vacuumization, vacuum-impulse drying, microalgae, biodiesel.
The experimental results of two drying methods for microalgae are presented.
Введение
В условиях постоянного роста цен на моторное топливо вследствие повышения потребления и неуклонного приближающегося угрозы истощения мировых запасов углеводородного сырья мировые научные центры активно ведут научные исследования в области получения традиционного топлива из возобновляемого сырья. Многие исследования подтвердили, что наиболее перспективным возобновляемым сырьем являются микроводоросли. Микроводоросли относятся к уникальной возобновляемой культуре, обладающей наибольшим потенциалом с точки зрения выработки энергии, для которой не нужны пахотные земли, которая в процессе жизнедеятельности потребляет СО2, а выделяет
О2. По энергетическому выходу они значительно превосходят пальмовое и рапсовое масло, обычно применяемое для производства биодизеля. [1, 2] Средний выход биодизеля из микроводорослей может превышать в 10 - 20 раз среднего выхода биодезеля из мясляничных культур и растительного сырья. [1 - 8] Таким образом, применение микроводорослей в виде сырья для производства топлива позволяет решать одновременно экономические, энергетические и экологические проблемы.
Существуют различные способы получения биотоплива из микроводорослей, но все они включают в себя такие этапы как культивация, подготовка сырья, экстрагирование сырья, получение биодизеля. Особое внимание привлекает к себе с точки зрения энергоемкости - это этап подготовки сырья. Поскольку в него входит один из самых энергоемких процессов как сушка микроводорослей. Стоимость процесса сушки микроводорослей может достигать до 30 % от всей стоимости конечного продукта [6], что заставляет нас искать новые пути оптимизации процесса сушки.
Экспериментальная часть
В научной лаборатории кафедры теоретических основ теплотехники Казанского государственного технологического университета на экспериментальной установке для сушки капиллярно-пористых материалов (рис. 1) [9, 10] были проведены ряд экспериментов по сушке
микроводорослей.
Образцы представляют собой гидросмесь темно-зеленного цвета, которая наноситься на поверхность тарелки толщиной 2 мм. Объем сушильной камеры позволяет одновременно сушить микроводоросли на четырех тарелках. Перед началом эксперимента каждая тарелка взвешивается на лабораторных весах, после чего все тарелки загружаются в сушильную камеру и на каждую из них устанавливается датчик температуры. Помимо четырех датчиков температур установленных на тарелках (внутри камеры) в эксперименте участвуют еще 6 датчиков температур, из которых два
расположены внутри сушильной камеры для контроля температуры воздуха в камере, одна - на выходе из теплогенератора, две - на терморегулировании и еще одна термопара для измерения температуры окружающей среды (помещения).
Рис. 1 - Функциональная схема экспериментальной установки: 1 - сушильная камера, 3 -вакуумный насос, 4 - ресивер, 5 - теплообменник-конденсатор, 2, 6, 7, 8, 10, 11 - запорно-регулирующие клапаны, 9 - теплогенератор
Система управления и контроля над изменением температур построена на базе двух программируемых восьмиканальных микропроцессоров ОВЕН ТРМ 138. Для осуществления связи ТРМ 138 с ПК, подключенные через преобразователь интерфейса ОВЕН АС4, используется программное обеспечение SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER.
Конечную и начальную влажность образцов определяется весовым методом с помощью лабораторных весов и прибора анализатора влажности HG-53.Hologen Moisture Analyzer (METTLER-TOLEDO GbmH).
Диапазон температур был выбран по рекомендации авторов [8, 11].
Результаты и их обсуждение
Выбранные образцы были высушены на экспериментальной установке (рис. 1) с помощью двух методов сушки при различных условиях (табл. 1) до конечной влажности удовлетворяющие требованиям указанных автором [11] (конечная влажность должна быть не выше 7 %).
Таблица l
Образец № Начальная влажность, % Конечная влажность, % Метод сушки Температура стадии конвективного нагрева, tK, 0С Длительность стадии вакуумиро-вания, твак , мин. Время всего процесса, т мин
1 63,58 4,17 НВ 65 50 75
2 67,94 3,57 ВИС 65 10 мин./цикл 110
3 68,04 5,95 ВИС 60 15 мин./цикл 120
4 68,66 3,88 ВИС 60 10 мин./цикл 98
Примечание: НВ - непрерывное вакуумирование, ВИС - вакуумно-импульсная сушка.
Оба метода включают в себя стадии конвективного нагрева и вакуумирования. Отличие этих методов состоит в том, что в вакуумно-импульсном методе применяется циклический
принцип сушки с чередованием стадий конвективного нагрева и вакуумирования в отличие от сушки при непрерывном вакуумировании. Эта отличительная особенность ярко прослеживается на рисунке 2 (чередующиеся температурные пики при сушке образцов № 2, 3, 4).
Рис. 2 - График изменения средней температуры для образцов № 1, 2, 3, 4 при различных условиях сушки
Количество циклов при вакуумно-импульсном методе зависит от вида образца и его структуры, массы, начальной и требуемой конечной влажности, допустимого температурного диапазона для сушки образца. Принимая во внимание вышесказанное, образцы № 2, 3, 4 были высушены за пять циклов сушки методом ВИС при различных условиях (табл.1). Эксперимент показал, что в случаи ВИС наиболее оптимальные параметры сушки были подобраны для сушки образца № 4, которые позволяют высушить микроводоросли за 98 минут до конечной влажности 3, 88 %.
Сравнивая сушку образцов № 4 и 1 по времени видно, что на процесс сушки образца № 4 требуется больше времени, чем в случаи сушки образца № 1. Таким образом, с учетом длительности процесса сушки и простоты технологии наиболее оптимальным методом является сушка микроводорослей при НВ (образец № 1).
Заключение
На экспериментальной установке для сушки капиллярно-пористых материалов были проведены ряд экспериментов по сушке микроводорослей двумя методами (ВИС и НВ) при различных условиях. Результаты экспериментов показали, что оба метода могут быть применены для сушки микроводорослей, поскольку конечная влажность всех образцов удовлетворяют требованиям указанных в литературе [11]. Наиболее оптимальные параметры сушки для метода ВИС являются конвективный нагрев образца до 60 0С и длительность стадии вакуумирования твак = 10 мин./цикл (образец № 4). Эти параметры позволяют высушить микроводоросли за 98 минут с начальной влажностью 68,66 % до конечной влажности 3, 88 %. Однако, при сравнении длительности процесса и простоты технологии, сушка микроводорослей при непрерывном вакуумировании является наиболее оптимальным методом при конвективном нагреве образца до 65 0С и времени непрерывного
44
вакуумирования 50 мин., которая позволяет высушить образец №1 с начальной влажностью 63,58 % до конечной влажности 4,17 % в течение 75 мин.
Дальнейшие исследования будут направлены на разработку систем управления и оптимизации режимов сушки при непрерывном вакуумировании и вакуумно-импульсной сушки растительного сырья с учетом таких факторов как вид растительного сырья, количество, влажность (исходная и требуемая), глубина вакуума, производительность камеры сушки, соотношение объемов ресивера и камеры, потребление энергии.
Работа выполнена при поддержке: Роснаука, госконтракт № 02.740.11 и РФФИ, грант № 09-03-12135.
Литература
1. Thurmond, W. Five key strategies for algae biofuels commercialization / W. Thurmond // Biofuels International. - 2009. - Vol. 3. - №5 (http://www.emerging-markets.com/media/index.html)
2. National Algal Biofuels Technology Roadmap: A technology roadmap resulting from the National Algal
Biofuels Workshop / U.S. Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Office of the Biomass Program; Ferrell, J., Sarisky-Reed, V. - Maryland, 2010. - 140 p.
(http://www1.eere.energy.gov/library/viewdetails.aspx?productid=4329&Page=1)
3. Sjors van Iersel, Alessandro Flammini. Algae-based biofuels: applications and co-products / S. van Iersel, A. Flammini. // FAO Environmental and Natural Resources Service Series. - Rome: FAO, 2010. - № 44 -117 p. (http://www.fao.org/docrep/012/i1704e/i1704e00.htm)
4. Verma, N.M. Prospective of biodiesel production utilizing microalgae as the cell factories: A comprehensive discussion / N. M. Verma, S. Mehrotra, A. Shukla, B. N. Mishra // African Journal of Biotechnology - 2010. - Vol. 9 (10). - P. 1402 - 1411. (http://www.academicjournals.org/AJB)
5. Gouveia, L. Microalgae as a raw material for biofuels production / L. Gouveia, A. C. Oliveira // J. Ind.
Microbiol Biotechnol. - 2009 - No 36. - Р. 269 - 274
(http://www.springerlink.com/content/r41577u434w17147/)
6. Chen, P. Review of the biological and engineering aspects of algae to fuels approach / P. Chen M. Min, Y. Chen, L. Wang, Y. Li, Q. Chen, C. Wang, Y. Wan, X. Wang, Y. Cheng, S. Deng, K. Hennessy, X. Lin, Y. Liu, Y. Wang, B. Martinez, R. Ruan // Int J Agric & Biol Eng. - 2009. - Vol. 2. - №.4. - Р. 1 - 30. (http://www.ijabe.org/index.php/ijabe/article/viewArticle/200)
7. Ryan, C. Cultivating Clean Energy: The Promise of Algae Biofuels / Ryan C. - NRDC, 2009. - 92 p. (http://www.nrdc.org/energy/cultivating.asp)
8. Shelef, G.A. Microalgae Harvesting and Processing: A Literature Review: A Subcontract Report / G. A. Shelef, A. Sukenik, M. Green Solar Energy Research Institute, Golden Colorado, SERI/STR-231-2396, 1984. - 71 p. (http://www.nrel.gov/docs/legosti/old/2396.pdf)
9. Гайфуллина, Р.Р. Экспериментальный стенд по исследованию вакуумно-импульсной сушки / Р.Р. Гайфуллина, М.С. Курбангалеев, В.Ф. Мадякин, Я.К. Абрамов, З.И. Зарипов, Д.А. Анашкин, Б.М. Хисматов // Современные проблемы технической химии: матер. докл. Всерос.науч.-техн. и метод.конф. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. - С. 97 - 99.
10. Гайфуллина, Р.Р. Экспериментальная установка для исследования кинетики сушки капиллярнопористых материалов по вакуумно-импульсной технологии. / Р.Р. Гайфуллина, М.С. Курбангалеев,
З.И. Зарипов, Д.А. Анашкин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - №2 - С. 132 - 137.
11. Becker, E.W. Microalgae: Biotechnology and Microbiology / E. W. Becker. - London: Cambridge University Press, 1994. - 292 р. (http://books.google.ru/books).
© Р. Р. Гайфуллина - магистр КГТУ; М. С. Курбангалеев - канд. техн. наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КГТУ, [email protected]; З. И. Зарипов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, [email protected] B. D. Willson - doctor, prof. Colorado State University.
