ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА С УЛУЧШЕННЫМИ

МАЛАХОВ КОНСТАНТИН СЕРГЕЕВИЧ

«ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ

ДИЗЕЛЬНОГО СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА

С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ»

05.20.03 –технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

технические науки

ДМ 220.041.03

Мичуринский государственный аграрный университет

393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101

тел. 5-31-37

Дата защиты диссертации – 25 ноября 2010 года

На правах рукописи

МАЛАХОВ Константин Сергеевич

ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ

ДИЗЕЛЬНОГО СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА

С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

кандидата технических наук

Мичуринск – Наукоград РФ, 2010

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Нагорнов Станислав Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ли Роман Иннокентьевич

доктор технических наук, профессор

Голубев Иван Григорьевич

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ)

Защита состоится «25» ноября 2010 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «МичГАУ».

Автореферат разослан «22» октября 2010 г. и размещен на сайте ФГОУ ВПО «МичГАУ» http://mgau.ru .

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перевод автотракторной техники на использование дизельного топлива с низким содержанием серы приводит к ухудшению его смазывающих свойств и выходу из строя дорогостоящей топливной аппаратуры. Устранить этот негативный фактор можно за счет применения биодизельного топлива, улучшающего смазывающие и ряд других эксплуатационных свойств нефтяного дизельного топлива. Однако из-за отсутствия современных ресурсосберегающих технологий получения биодизельного топлива производство дизельного смесевого топлива до сих пор не организовано. Поэтому разработка высокоэффективных технологических процессов непрерывного получения дизельного смесевого топлива с улучшенными свойствами является актуальной научной и практической задачей.

Исследования проводились в соответствии с Программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2006-2010 гг. по заданию 09.03.07 «Разработать технологии, материалы нового поколения, оборудование … для эффективного использования моторного топлива и смазочных материалов», а также с планом НИР ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии по заданию 09.03.07.03 «Разработать технологию производства биотоплива из растительных масел».

Цель работы. Разработка эффективной технологии непрерывного получения дизельного смесевого топлива, улучшающего эксплуатационные и экологические показатели работы автотракторных дизелей.

Объект исследования. Технологический процесс непрерывного получения биодизельного и дизельного смесевого топлива.

Предмет исследования. Закономерности интенсификации процесса получения биодизельного топлива за счет импульсно-кавитационного воздействия ферромагнитных частиц на реагенты в аппарате с вращающимся электромагнитным полем.

Методика исследования представлена теоретическими исследованиями на основе электромагнитодинамики и механики сплошной среды, экспериментальными исследованиями химической кинетики и тепломассообмена, работы двигателей на дизельном смесевом топливе. Достоверность полученных результатов исследования обусловлена применением современного исследовательского оборудования и приборов, методов регрессионного анализа и дифференциальных вычислений. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с использованием известных статистических методов и компьютерной техники.

На защиту выносится:

– теоретические предпосылки интенсификации процесса получения биодизельного топлива в аппарате с вращающимся электромагнитном полем;

– кинетические зависимости процесса метанолиза при импульсно-кавитационном воздействии ферромагнитных частиц на реагенты в аппарате с вращающимся электромагнитным полем;

– технология непрерывного получения дизельного смесевого топлива с улучшенными свойствами;

– результаты сравнительных моторных испытаний тракторных двигателей в стендовых и производственных условиях при использовании товарного дизельного и смесевого дизельного топлива.

Научная новизна. Заключается в комплексном подходе к решению задачи получения дизельного смесевого топлива, в результате которого:

– разработаны уравнения движения реакционной смеси в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц;

– установлена принципиальная возможность и подтверждена эффективность использования аппаратов с вращающимся электромагнитным полем для получения биодизельного топлива.

Практическая ценность работы. Внедрение технологии позволит регионам самостоятельно решать свои энергетические проблемы, а в целом – трансформировать растениеводство из основного потребителя дизельного топлива в его главного производителя, а также существенно экономить углеводороды нефти, являющиеся ценным сырьем для химической промышленности.

Реализация результатов исследования:

- в ЗАО “Агрокомплекс Тамбовский”, участок “Зелёновский”;

- в ЗАО “СИГНАЛ”;

- в ООО “Капиталъ-АгроСосновский”;

- в ГУППЗ “Орловский”;

- используется кафедрой «Автомобильная и аграрная техника» ТГТУ с целью обучения студентов специальности 110301 “Механизация сельскохозяйственного производства”.

Апробация работы. Результаты работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на II Международной научно-практической конференции «Современные технологии и оборудование для спиртовых производств и биотоплива» (г. Тамбов, ОАО «Тамбовский завод “Комсомолец” им. Н.С. Артемова», 2006); XIV Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукцию» (г. Тамбов, ГНУ ВИИТиН, 2007); Всероссийской школе-семинаре «Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий» (г. Тамбов, ГОУ ВПО ТГТУ, 2008); VI-й Между­народной научно-практической кон­ференции «Фундаментальные и прикладные исследования в системе образо­вания» (г. Тамбов, ГОУ ВПО ТГУ, 2008); XV Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (г. Тамбов, ГНУ ВИИТиН, 2009); Всероссийском научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В.И. Крутова (г. Москва, ГОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009); Всероссийской выставке «Энергосбережение и энергоэффективность» (25-29 августа, г. Тамбов, 2009); XI Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (9-12 октября, г. Москва); выставке «Центральный федеральный округ: энергосбережение и повышение энергетической эффективности» (г. Москва, Экспоцентр, 2009); на заседаниях Ученого Совета ГНУ ВИИТиН (2008…2009 гг.).

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 19 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 119 наименований, и приложений. Работа изложена на 163 страницах, содержит 17 таблиц и 56 рисунков.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения и результаты, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований»

рассмотрены особенности получения биодизельного топлива. Проанализированы известные технологические схемы и их аппаратурное оформление. Показан ход эволюции развития технологических процессов получения биодизельного топлива. Установлено, что по мере увеличения потребности в биодизельном топливе происходил поиск наиболее эффективных технологий и биореакторов. Выявлено, что традиционную циклическую технологию с невысоким выходом метиловых эфиров (от 85 до 95 %), длительным временем реакции (8 часов и более), невозможностью проведения непрерывного процесса, большой массой и габаритами вытеснила многореакторная непрерывная технология, использующая несколько биореакторов, объединенных в единую цепочку. Различные модификации многореакторной технологии в целом, включая проведение трехстадийного непрерывного метанолиза, характеризуются сложностью технологического процесса, в котором длительность реакции зависит от числа реакторов, а большая масса и габариты установок обуславливают высокую стоимость получения биодизельного топлива. Выход метиловых эфиров можно довести до 98 % только при высоком нагреве исходных компонентов (до 160 С) и давлении (до 0,3 МПа), характерным является более высокая чувствительность к качеству исходного сырья.

Отмеченные недостатки многореакторной непрерывной технологии обусловили дальнейший поиск ресурсосберегающих технологий получения биодизельного топлива. Показано, что основным направлением дальнейшего развития процесса является разработка новых конструкций биореакторов, в которых интенсификация процесса достигается за счет многофакторного воздействия на реагенты внешних силовых полей различной физической природы. Несомненный интерес в этом плане представляют технические решения, направленные на создание в биореакторе кавитационных воздействий. Проанализированы результаты исследований перспективных конструкций кавитаторов. Установлены их достоинства и недостатки.

На основании выполненного анализа литературных и патентных источников и в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи исследований:

– обосновать теоретические предпосылки интенсификации непрерывного процесса получения биодизельного топлива в аппарате с вращающимся электромагнитным полем;

– получить кинетические зависимости процесса метанолиза при импульсно-кавитационном воздействии ферромагнитных частиц на реагенты в аппарате с вращающимся электромагнитным полем;

– разработать технологию непрерывного получения дизельного смесевого топлива с улучшенными свойствами;

– провести сравнительные моторные испытания тракторных двигателей в стендовых и производственных условиях при использовании товарного дизельного и смесевого дизельного топлива.

Во втором разделе «Теоретические предпосылки процесса непрерывного получения дизельного смесевого топлива» представлено научное обоснование процесса получения дизельного смесевого топлива. Две разнородные и несмешивающиеся жидкости – спирт и растительное масло при перемешивании образуют эмульсию типа «спирт в масле». Если скорость сложной химической реакции определяется (лимитируется) скоростью её наиболее медленной стадии, то скорость элементарных реакций – их энергией активации. Её определяют как энергию, необходимую для осуществления эффективного столкновения молекул, приводящего к химическому взаимодействию. В химическое взаимодействие вступают только активные молекулы, обладающие энергией, достаточной для осуществления данной реакции. Для перевода неактивных молекул в активные им нужно сообщить необходимую дополнительную энергию – этот процесс называется активацией. От выбора соответствующего оборудования или устройства для указанной стадии процесса, по сути, зависит эффективность используемой технологии.

В основе разработки технологии непрерывного получения биодизельного топлива заложена следующая гипотеза. Для активации молекул метанола и триацилглицеринов растительного масла предлагается использовать биореактор, реакционный объем которого заполнен ферромагнитными частицами, совершающими под действием внешнего вращающегося электромагнитного поля сложные импульсно-колебательные движения. Вращающееся электромагнитное поле не только приводит в движение ферромагнитные частицы, перемешивающие реакционную массу, но и оказывает дополнительное воздействие на реагенты. Эффективность перемешивания приводит к изменению параметров массопередачи в сторону ее интенсификации, воздействие электромагнитного поля – к резкому повышению энергии активации исходных соединений и увеличению скорости химической реакции.

Важнейшими стадиями, от которых непосредственно зависит качество конечного продукта, являются процессы метанолиза и уровень однородности (гомогенизации), достигнутый при смешивании товарного дизельного и биодизельного топлива. Экспериментально установлено, что для интенсификации процесса получения биодизельного топлива только кавитационного и термического воздействия на растительные масла и метанол недостаточно. Для создания высокоинтенсивного процесса метанолиза предлагается в качестве биореактора использовать аппараты с вращающимся электромагнитным полем, удельная энергетическая насыщенность рабочей зоны которых в несколько раз превышает аналогичные показатели всех известных аппаратов. В результате изучения и анализа процессов получения биодизельного топлива из растительных масел, а также благодаря поисковым экспериментальным проработкам отдельных стадий разрабатываемой технологии была предложена общая схема получения дизельного смесевого топлива, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Технологическая схема получения смесевого топлива

Технологический процесс состоял из следующих стадий. Из резервуаров для хранения растительного масла 1 и метанола 2, с помощью насосов 3 по системе технологических трубопроводов с арматурой 4 жидкость проходит через емкость с катализатором 5. Количество катализатора определяется с помощью весов 6 и мерника 7. Далее, с помощью насоса 3 смесь проходит через реактор 8, включающий аппарат вихревого электромагнитного поля 9, систему охлаждения аппарата вихревого электромагнитного поля 10 и трансформаторное масло 11. Затем смесь проходит через насос 3 в сепаратор 12, откуда фаза сырого глицерина поступает в резервуар для ее хранения 17, а метиловый эфир - в аппараты очистки 14 с помощью кислоты (15-емкость для хранения кислоты). Далее эфир промывается в аппарате промывки 16 и насосом 3 перекачивается в резервуар для хранения биодизельного топлива 18. Из резервуара для хранения биодизельного топлива 18 и резервуара для хранения дизельного топлива 21 —топлива с помощью насосов поступают в роторный аппарат 22, а из него, проходя через ионизатор 19, смесевое дизельное топливо отпускается конечному потребителю 20.

Разработана модель движения реакционной смеси в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц. Для вывода уравнения движения реакционной среды в объеме аппарата вихревого слоя ферромагнитных частиц использовано следующее допущение. Принимали, что реакционная смесь представляла собой единую непрерывную фазу, электромагнитные свойства которой всецело определялись свойствами ферромагнитных частиц, а вязкостно-плотностные характеристики – свойствами системы «масло-метанол». В этом случае базовым уравнением движения такой фазы в кондукторе вихревого аппарата является уравнение движения вязкой жидкости (уравнение Навье-Стокса). С учетом принятого допущения о несжимаемости рассматриваемой жидкости () уравнение можно представить в виде

, (1)

где - оператор Лапласа;

- плотность реакционной смеси, кг/м3;

- кинематическая вязкость смеси, м2/с;

р – давление, Па;

t – время, с.

Переходя к проекциям на координатные оси двухмерного декартового пространства, получаем систему уравнений

. (2)

В уравнение (2) входит потенциальное поле силы . В случае аппарата вихревого слоя поле силыпредставляется в виде воздействия со стороны электромагнитного поля.

Преобразовав уравнения (1) и (2) для электропроводящей реакционной смеси, получим закон сохранения импульса в дифференциальной форме для двумерного пространства . (3)

где - удельная проводимость реакционной среды, См/м;

- относительный объем ферромагнитных проводящих частиц

в реакционной смеси;

E - вектор напряженности электрического поля, Вт/м;

B - вектор магнитной индукции, Тл.

Полученная система уравнений позволяет найти величины , , при известных величинах электромагнитного поля E и B. Система уравнений (3) представляет собой модель движения реакционной смеси в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц.