автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса получения биодизельного топлива из растительных масел повышенной кислотности в условиях сельхозпредприятий

На правах рукописи

ХОАНГ Нгиа Дат

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ ПОВЫШЕННОЙ КИСЛОТНОСТИ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬХОЗПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность: 05.20.01 -Технологии и средства механизации сельского хозяйства

(по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ) и Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ФГБНУ СКНИИМЭСХ).

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник, Пахомов Виктор Иванович

Официальные онпоненты: Нагорнов Станислав Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве», заместитель директора по научной работе Колос Владимир Андреевич, кандидат технических наук, ФГБНУ «Всероссийский научно - исследовательский институт механизации сельского хозяйства», ведущий научный сотрудник отдела исследований проблем биоэнергетики, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Азово-Черноморский инженерный инсти-

тут ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», г. Зер-ноград.

Защита диссертации состоится «16» июня 2015 года в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.0S8.0S при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», www.donstu.ru.

Автореферат разослан « 2.2» апреля 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т. н., профессор

Л.В. Борисова

i российская 1 ,

I ГОСУДАРСТВЕННАЯ! .5

! библиотека

г о л [ !

--' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Сельское хозяйство любой развитой страны мира является одним из основных потребителей энергии и, в частности, дизельного топлива. Проблема получения альтернативных источников энергии для сельхозпроизводства и непосредственно из имеющихся местных сырьевых ресурсов и отходов очень актуальна, особенно, во Вьетнаме.

Вьетнам активно развивается, но имеет пока еще невысокую степень развития современных технологий производства и использования биотоплива. Территория Вьетнама находится в зоне тропиков, 60% населения работает в сельскохозяйственном производстве, поэтому биоэнергстика-это перспективное направление развития сельскохозяйственного сектора экономики.

В 2013 г. 40000 дизельных машин продали на рынке Вьетнама (21,75%), что выше на 2% от количества 2009 г. В сельском хозяйстве активно эксплуатируются дизельные двигатели тракторов, но во Вьетнаме производится только биобензин К 5, Е 10. Популярные биодизельные культуры в мире - рапс, соя, пальма, подсолнечник не растут или не дают высокую урожайность во Вьетнаме. Есть другая произрастаемая во Вьетнаме биодизельная культура - это ятрофа. Ятрофа устойчива к засухе и вредителям, при этом её семена содержат до 40% масла. Для производства биодизельного топлива можно использовать переработанное масло семян ятрофы. Ятрофа может произрастать на обеднённых сухих почвах (Вьетнам имеет 2 млн. га сухой не используемой земли) и имеет высокий выход масла из семян (1,8-2,4 тонн, масла /га) соизмеримый с основными биодизельыыми культурами соей и рапсом. Во Вьетнаме площадь посадки ятрофы составит 300 000 гектар к 2015 г. .Хотя ятрофа соответствует погодным и почвенным условиям во Вьетнаме, но сейчас в основном используется для экспорта, потому что нет эффективной технологии производства биодизельного топлива, в том числе в условиях небольших сельскохозяйственных предприятий предприятий.

Масло ятрофы, как правило, имеет высокое кислотное число, поэтому нужно большое количество катализатора при его переработки в биодизельное топливо. В качестве катализатора используются щелочь КОН или >1аОН, в результате чего происходит сильное омыление готового продукта, что создает определенные сложности в технологии производства, особенно в условиях непромышленных сельхозпредприятий. Для получения биодизельного топлива с требуемыми качественными показателями и с достаточно эффективностью необходимо совершенствование известной технологии производства биодизельного топлива из растительных масел и соответствующего комплект а оборудования.

Наиболее важное влияние на качественные показатели и интенсивность последовательного технологического цикла получения биодизельного топлива из растительных масел повышенной кислотности оказывает его завершающая стадия, заключающаяся в промывке и омылении полученного продукта.

Среди существующих способов промывки неомыленного продукта при производстве биодизельного топлива наиболее перспективным является промывка углекис-

лым газом. 11ри этом параметры и режимы этого процесса и оборудования во многом определят в целом показатели эффективности производства биодизельного топлива из растительных масел повышенной кислотности, что говорит об актуальности проведения исследований в этом направлении.

Целью работы является интенсификация процесса получения биодизельного топлива из растительных масел с повышенной кислотности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать целесообразность применения гидродинамического смешивания для интенсификации промывки биодизельного топлива углекислым газом мри его производстве из растительных масел с повышенной кислотностью.

2. Обосновать принципиальную конструктивно - техноло! ичсскую схему устройства для промывки биодизельного топлива углекислым газом.

3. Получить зависимости, раскрывающие взаимосвязь параметров н режимов работы устройства для гидродинамического смешивания в среде жидкость - газ при промывке углекислым газом биодизельного топлива из растительного масла повышенной кислотности.

4. Рассчитать рациональные параметры и режимы работы гидродинамического смесителя для промывки биодизельного топлива углекислым газом.

5. Определить характеристики срсды при взаимодействии промываемого углекислым газом биодизелыюго топлива из растительного масла.

6. Провести экспериментальные исследования технологического процесса промывки биодизельного юплива углекислым газом с использованием гидродинамического смешивания.

7. Определить экономическую эффективность применения модернизированного оборудования для производства бподпзелыюго топлива из растительных масел с повышенной кислотностью в условиях сельхозпредприятий (на примере Вьетнама и России) с использованием гидродинамического смсшивания при cío промывке углекислым газом.

Объектом исследования является технологический процесс промывки углекислым газом биоднзельного топлива из растительного масла повышенной кислотности с использованием гидродинамического смешивания.

Предмет исследования - взаимосвязь качественных и энергетических показателей процесса промывки углекислым газом биодизельного топлива из растительного масла повышенной кислотности с параметрами и режимами работы гидродинамического смесителя.

Научная новизна заключается в установлении взаимосвязи качественных и энергетических показателей процесса гидродинамического смешивания углекислого газа с биодизельным топливом из растительного масла повышенной кислотности при его промывке с параметрами и режимами работы гидродинамического смесителя.

Рабочая гииотеза - интенсификация технологического процесса промывки биодизельного топлива из растительного масла повышенной кислотности углекислым газом может быть достигнута путем применения гидродинамическою смсшивания с рациональными параметрами и режимами работы оборудования.

Практическая значимость заключается в усовершенствовании технологического процесса и оборудования для промывки углекислым газом биодизельного топлива из растительного масла повышенной кислотности, обеспечивающее эффективное получения биодизельного топлива в условиях сельхозпредприятий.

Методика исследований - применялись методы сравнения, монографического обследования, многофакторный эксперимент, использовались основные положения теории подобия и размерностей физических величин, математической статистики, гидродинамики.

Реализации. Результаты исследований использованы при модернизации пункта внутрихозяйственного "производства биодизельного топлива во ФГУП «Экспериментальное» (Зерноградский район Ростовской области) с модульной установкой для производства биодизельного топлива из растительных масел ОАО «ЗИОСАБ — ДОН» (г. Волгодонск Ростовской области).

На защиту выносится следующие положения:

•конструктивно - технологическая схема устройства для гидродинамического смешивания при промывке биодизельного топлива углекислым газом;

• зависимости, раскрывающие взаимосвязь параметров и режимов работы устройства для гидродинамического смешивания в среде жидкость - газ при промывке биодизельного топлива из растительного масла повышенной кислотности;

• методика инженерного расчета параметров гидродинамического смесителя.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том

числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения. Она изложена на 146 страницах машинописного текста, включает 60 рисунков, 22 таблиц, 2 приложения и содержит список литературы из 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели работы, основные задачи, её научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ состояния производства биодизельного топлива в мире и в России и республике Вьетнам. Анализ характеристик сырья для производства биотоплива показал возможность использование культуры ятрофы как наиболее оптимального материала получения биодизельного топлива на территории Республики Вьетнама (рисунок 1). Масло ятрофы имеет повышенную кислотность, поэтому для нейтрализации щелочного катализатора и получения биодизельного топлива требуемого качества особое значение в технологии его производства в условиях сельхозпредприятий имеет промывка полученного продукта углекислым газом.

Среди известных устройств для ввода и смешивания газа в жидкостной среде наиболее эффективными являются гидродинамические смесители. В них при взаимодействии потоков между собой возникают кавитационные эффекты, обеспечивающие интенсификацию взаимодействия на молекулярном уровне. Из за сложности и дороговизны они не нашли применения при производстве биодизельного топлива в непро-

мышленных условиях сельхозпредприятии.

В разработке путей совершенствования методов получения биодизельного топлива из растительных масел принимали участие Аблисв А.Р., Барановский С., Белов В., Богданович В.П., Буклагин Д.С., Бырько С.И., Голубев И.Г., Громаков A.B., Гумеров Н.М., Зазуля А.Н., Кульчицкий А., Лачуга Ю.Ф., Мишуров Н.П., Нагорнов С.А., Ор-сик Л.С., Пахомов В.И., Рыков В.Б., Савельев Г.С., Слепцов О.Н., Сорокин Н.Т., Уха-нов А.П., Agarwal A.KL, Chang K.S., Dang Tien Hoa, Dasari M.A., Dunn R.O., Fragioudakis K.., lshii Y., Knothe G., Lee K.T., Sendari A., Takeuchi R.

Вопросы смешива-

Пиодизельные культуры используемые в мире

йж:

Не растет или не Сак I- Дасг 1ыс01сую

урожайностью Вигваме

ПАшшшш

Ятрофа

У l^aciyi на бедны* сучи нотах

(Вьетнам имеет 2 мнлл. геггар сухой не используемой

земли)

Имею 1Ю1Ш выход масла ю сема» - Урохайиис гь 4-6 тона/га - Содержат 32-10%

Ншф 1.28-2/ тонн, масла/га

ння жидкостей, газа с жидкостями, в том числе с маслом, изучали в своих работах Богданович В. П., Брагинский Л.Н., Бретштейдер С. И., Громаков A.B., Ва-сильцов Э.А., Железняк A.C., Касаткин А.Г., Ле-вич В.Г., Марков В.А., Орочко Д.И., Романков П.Г., Штербачек 3. Процесс промывки биодизельного топлива посвящены работы Казак Н.И., Назарова О. И.., Полшцук A.B., Поли-щук В.Н. и других ученых.

Во Вьетнаме Гос. Пмн посадки ягрофы 300 ООО г «пар на 2015 гад

Рисунок 1- Преимущества ятрофы

Проведенный анализ известных исследований показал, что закономерности, раскрывающих взаимосвязь показателен процесса промывки биодизельного топлива из растительного масла углекислым газом с параметрами устройства для его осуществления и свойствами среды изучены недостаточно. Не определены рациональные характеристики срсды жидкость - газ, в частности размеры пузырьков газа и конструктивные особенности, параметры и режимы работы устройства для смешивания углекислого газа с омыленным биодизельным топливом при его производстве из растительных масел повышенной кислотности.

Для повышения качества и интенсификации процесса промывки биотоплива на завершающей стадии его производства целесообразно использовать гидродинамическое смешивание в устройствах зжекторного типа, изучив его особенности при смешивании газа в жидкостной среде.

Во второй главе проводится обоснование принципиальной конструктивно-технологической схемы гидродинамического смесителя для промывки омыленного

углекислым газом биодизельного продукта, исходя из критериев получения в нем минимально необходимых по размерам пузырьков газа.

Для этого был теоретически рассмотрен процесс функционирования гидродинамическою смесителя эжекторного тина (рисунок 2 и 3), осуществляющего смешивание потоков биодизельного топлива из ятрофового масла с углекислым газом при его промывки.

и

Рисунок 2 - Гидродинамический смеситель эжекторного типа

* ) •д/ 1-

□п

/ /

и1»

Рисунок 3 - Игла для регулирования выхода газа 11о методу я-теоремы подобия и размерностей физических величин выделены три критерия 7Сх,пг,пг, определяющие характер протекания процесса функционирования гидродинамического смесителя со средой «жидкость - газ» (Рейнольдса Яе, Эйлера Ей и Коши Со):

т, = Дяг,; я,), я", = Ле, ;г2 = Ни, пъ = Со, Яе = ) (Ей, Со), ^ = ; ^¡г} (:1) где Др - давление потока, Н/м"; р - плотность жидкости, кг/м3; и - скорость по-

Нс

тока, м/с; /и - коэффициент динамической вязкости, —г-; Е - модуль упругости жид-

м

кости и газа, Н/м".

Получили закономерности, раскрывающие взаимосвязь параметров (диаметра и длины камеры смешивания), режимов (давление и скорость потока - рисунок 4) со свойствами среды (динамическая вязкость, плотность, упругость) с энергетическими

показателями процесса (мощность на гомогенизацию - рисунок 5).

На основании метода подобия и размерностей физических величин получен критерий турбулентности потока:

а 10" V пл

где О - диаметр трубопровода, м.

Рассчитаны режимы, рекомендован диаметр камеры смешивания (30...35 мм). Установлено снижение давления потока и мощности на перемешивание с увеличением диаметра трубопровода. Определена наименьшая интенсивность изменения давления при диаметре более 30 мм, где зависимость приобретает характер линейной функции. Получена закономерность изменения мощности на гомогенизацию, которая наиболее интенсивно возрастает (в 1,5 раза) с уменьшением длины камеры смешивания с 15 до 10 мм, а при 30...35 мм перестает снижаться. Предложена длина камеры смешивания не более 35 мм.

Мр>Л1Г«ОСИЙ

(ииодгдо

Окр. 10'

м'/с

900

ут

Д14Ж»тр пумрьма

Длима кммрыомшиммя I, М

Рисунок 4 - Поверхность изменения критического расхода газа от диаметра пузырька и скорости потока

Рисунок 5 - Поверхность изменения мощности на гомогенизацию в зависимости от длины камеры смешивания

Получено рациональное соотношение расходов углекислого газа Q/QкP < 1,19, характеризующее статическую область образования пузырьков: увеличение частоты их образования с минимальными размерами (радиус пузырька Лу- 0,608 мм).

Обоснован режим (давление на срезе сопла соответствует критическому), при котором углекислый газ приобретает в камере смешивания свойства жидкости, растворяясь в биодизельном топливе, а смесь становится квазиоднородной. Обоснованный критерий смены режимов потока из сверхзвукового в дозвуковой, позволил определить условие квазиоднородности смеси:

Г ( г

(4,432-10"'р.,- 1- ¿Ц

[ ) )

и

где р„1,р„1+1- давление углекислого газа на входе и срезе сопла, Па; и - скорость потока, м/с, е - модуль упругости биодизельного топлива и углекислого газа, Н/м2.

Доказано, что формируемый при этом сверхзвуковой поток жидкость-газ трансформируется в дозвуковой, сопровождаемый при акустическом эффекте кавитации прыжком перемешивания за счет изоэнтропного скачка давления. Обоснована физика процесса кавитационного воздействия углекислого газа на биодизельное топливо, результатом которого является улучшение физико-химических свойств среды за счет структуризации молекул раствора, что положительно влияет на смешивание.

Представлено определение параметров и режимов работы гидродинамического смесителя. Рассмотрим схему образования пузырька на выходе из отверстия (рисунок 6). Когда пузырёк начинает отрываться, тогда сила действия давления газа равна сумме сил давления жидкости и поверхностного натяжения.

^ = (4)

где

Я„„ - давления газа в трубке;

5 - площадь сечения трубки;

Гпн - сила поверхностного натяжения пузырька;

Рж - давление жидкости;

5' - поверхностная площадь пузырька;

Р„ = 10* Па - атмосферное давление.

После преобразования и подстановки составляющих формулы (4), получим:

= сг.2 л, + (р^л + Рп){4хЛ'--кг2) (5)

2Я-

где У - объем пузырька, отрывающегося от отверстия; К,- объем пузырька.

3 I V (7)

где 11 - длина сегмента сферы (рисунок 6)

А = Л'—л//?'2—г2 (8)

Полученные данные представлены на рисунке 7.

Из анализа рисунка 7 следует, что радиус пузырька зависит от радиуса трубопровода больше, чем от давления.

Для радиуса пузырька меньшего или равного 1 мм выбираем радиус трубопровода меньше 1 мм для осуществления процесса промывки биодизельиого топлива.

V

Рисунок 8 - Смещение иглы

Радиус пузыря Я1,мм

Рисунок 6 - Схема образования Рисунок 7 - Зависимость размеров пу-

пузырька при отрыве от отверстия зырька от радиуса трубопровода и давления

эжектора газа. 1- Ргаз =400 кПа; 2- Ргм =450 кПа;

3-Рт=500кПа; 4- Рт =600 к Па В предлагаемом гидродинамическом смесителе эжекторного типа (рисунок 2) диаметр отверстия для выхода смеси биодизельного топлива и углекислого газа принят равным 2,8, исходя из конструктивных соображений, поэтому необходимо использовать иглу для регулирования проходного сечения (рисунок 3).

За счёт смещения иглы (рисунок 8), имеющей конусную заточку, относительно отверстия (среза сопла), можно обеспечить изменение проходного сечения для выхода газа (рисунок 9).

Рисунок 9 - Проходное сечение (а) и конусная заточка (б) иглы

1 1,5 2

Радиус трубки г, мм

Из анализа рисунка 9 следует, что

5 =ж.(1,4.10~3)2 -5"

где площадь сечения иглы;

площадь проходного сечения сопла; 2гу> - диаметр конусной заточки иглы.

г 4

' уг _ ^

(9) (10)

3,5

= — Л Гуг 3 5 г» Гуг мах ~ :

1,4.3,5

= 1,225

Для радиуса пузырька меньшего или равного 1 мм выбираем радиус трубопровода меньше 1 мм для осуществления процесса промывки биодизельного топлива, поэтому принимаем от 0,8 до 1,2 мм.

На рисунке 10 представлена зависимость радиуса пузырька газа от смещения иглы. ___

Г™ " —

; Радиус пузыря

: т, мм

! 1.4

<1уг, мм

Рисунок 10 - Зависимость радиуса пузырька от смещения иглы 1- Рт =400 кПа; 2- =450 к11а; 3- Р^ =500 кПа;4- Рт =600 к Па

Выбираем диаметр трубопровода для биодизельного топлива с!в = 6 мм, при этом давление составляет Р = 3,17 х 105 Па. Выбираем смещение иглы ^ =Ц мм и давление РШ11 = 400 000 Па, при этом количество сопел составляет п =13,85 радиус пузыря 1*1= 0,608 мм, отношение суммы площади поверхности пузырьков к5 - 4,93.

В третьей главе представлена методика экспериментальных исследований.

Для получения биодизелыюго топлива в качестве исходного компонента использованы растительные масла с повышенным значением кислотного числа, исключающим их пищевое применение.

- ятрофовое масло (Jatropha Curcas), произведенное в Республике Вьетнам с кислотным числом около 11,0 -13,3 мг КОН/г.

В качестве алкоголятора применялись следующие компоненты:

- спирт метиловый ГОСТ 2222-78,

- сгшрт изопропиловый ГОСТ 9805-84.

Пробы биодизельного топлива, полученные в результате проведения опытов, оценивали по кинематической вязкости; температуре вспышки; кислотному числу; плотности; рН среды.

Определение физико-химических показателей полученного биотоплива проводили с помощью стандартных методов испытаний с использованием существующих приборов, аппаратуры и приспособлений.

Производились анализы масла ятрофы по основным топливно-технологическим показателям. Так кинематическая вязкость чистого масла ятрофы составляет около 34,35 мм2/с, содержание серы - 0,033%, что намного меньше, чем у традиционного минерального дизельного топлива и, следовательно, обеспечит сокращение вредных выбросы в атмосферу.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке для моделирования процесса производства биодизельного топлива (рисунок 11) оснащенной гидродинамическим смесителем, штоковым дозатором.

Рисунок 11 -Установка углекислотной промывки биодизельного топлива: 1 - насос; 2 - гидродинамический смеситель; 3- ёмкость для биодизеля; 4 - баллон с углекислым газом; 5 - дозатор углекислого газа; 6 - датчик температуры; 7 - газовый редуктор; 8 - вакуумметр; 9 - счетчик газа.

Процесс производства биодизельного топлива осуществлялся но известной технологии путем прямой переэтерификации глицеридов ятрофового масла с метиловым спиртом или с изопропиловым спиртом в присутствии едкого калия. В результате получали метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), изопропиловый эфир рапсового масла (ИЭРМ) или метиловый эфир ятрофового масла (МЭЯМ) и изопропиловый эфир ятрофового масла (ИЭЯМ), являющийся биодизельным топливом различного качества. Качественные показатели процесса гидродинамического смешивания пузырьков углекислого газа при промывки продукта определяли с помощью микроскопа

МИКРОМЕД Р-1, а готового биодиэельного топлива - в специализированной лаборатории по известным методикам.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований и их анализ. Данные представлены в таблицах 1, 2.

Таблица 1 - Факторы и интервалы их варьирования

Нижний Основной Верхний Интервал Наименование

уровень уровень уровень варьиро- фактора

(-1) (0) (+1) вания

дг|: 1 б 11 5 Время обработки, мин.

х->: 0 100 200 100 Вакуумметрическое

давление, мм рт. ст.

х3: 38,13 47,13 56,13 9 Расход СОг, л/мин.

Таблица 2 - План эксперимента и выходные параметры опытов

Но Матрица Натуральные значения пере- Выходной па-

мер опы планирования менных раметр (рН среды)

та (и) х\ хг Врсмя обработки, мин. Вакуумметрическое давление, мм рт. ст. Расход со2, л/мин. У(и, 1) А«, 2)

1 -1 -1 -1 1 0 38,13 8,1 8,2

2 +1 -1 -1 11 0 38,13 8,2 8,5

3 -1 И -1 1 200 38,13 8,2 8,6

4 -1 -1 +1 1 0 56,13 8,4 8,4

5 -1 0,19 0,19 1 119 48,84 8,7 8,6

6 0,19 -1 0,19 6,95 0 48,84 8,4 8,5

7 0,19 0,19 -1 6,95 119 38,13 8,7 8,7

8 -0,29 +1 +1 4,55 200 56,13 8,3

9 + 1 -0,29 + 1 И 71 56,13 8,7 8,4

10 + 1 +1 -0,29 11 200 44,52 8,6 8,5

В эксперименте варьируются: время обработки биодизельного топлива; вакуу-метрическое давление перед штоковым дозатором и объемный расход углекислого газа. В процессе экспериментальных исследований контролируется величина рН среды обработанного биодизельного топлива. Согласно плану эксперимента, рассчитывается 10 опытов по 2 параллельных испытания в каждом.

В результате экспериментальных исследований достигнута стабилизация такого физико-химического параметра как величина рН среды обработанного биодизельного топлива. Оптимальное значение рН составляет 8,731, при расходе углекислого газа 43,818 л/мин и продолжительности обработки 8,04 мин., то есть на 14,4% меньше значения рН необработанного биодизельного топлива (10,2), что свидетельствует о полноценности протекания процесса обработки и эффективности применения системы

углекислотной промывки. В случае при расходе газа О = 0,045 м3/мин и смещение иглы^. = у,\мм плотность пузырьков была максимальной (четыре пузырька на 1 мм2); таким образом, каждый пузырек находился на расстоянии от соседнего на 0,5 мм. Установлена максимальная частота образования пузырьков и наилучшая, из представленных опытов, однородность структуры смеси жидкость - газ. Уменьшение диаметра при увеличении количества, т.е. дробление пузырьков, осуществляется под влиянием малых завихрений, поскольку поток со скоростью перемещает их без нарушения структуры (рисунки 12 - 14).

Рисунок 12 - Расход газа Рисунок 13 - Расход газа Рисунок 14 - Расход газа Q 0,0094 м3/мин при q = 0,0450 м3/мин при Q - 0,0557 м3/мин при смещении иглы dy. = 1,2мм смещении иглы dt = Цмм смещении иглы = \лш

На основании расчетных данных, подтвержденных практическими испытаниями установлено, что при применении технологии производства биодизельного топлива с углекислотной промывкой оптимальным является расход углекислот 1-аза 0 = 0,045 м3/мин. При этом физико-химические параметры биодизельного топлива не превышают предельных норм стандарта (ГОСТ 305-82) на дизельное топливо.

Так цетановое число не существенно различается с дизельным топливом, температура вспышки близка к 101 °С, показатели плотности и удельная теплота сгорания не превышают аналогичные показатели дизельного топлива более чем на 5,- 10%, что на практике не являются существенными недостатками. Это позволяет использовать нолученное биодизельное топливо без дополнительной регулировки топливной аппаратуры дизельного двигателя.

Адекватность теоретических исследований определялась путём их сопоставления с экспериментальными данными. Проверка адекватности результатов исследований производилась как для модели, полученной путём математического моделирования технологического процесса методом ортогонального планирования трехфак-торного эксперимента, так и для теоретических закономерностей изменения расхода газа.

Проверка адекватности математической модели показала, что но критерию Фишера (Р= 2,21 < /гиа5, = 3,07) уравнение математической модели является адекватным. В таблице 3 приведены данные теоретических и экспериментальных исследований расхода газа.

Таблица 3 - Сравнение расходов газа при давлении 400 кПа и смещении иглы 1,1 мм

Расход газа, м /мин.

Теоретический

0,045

экспериментальный

0,044

Относительная погрешность результатов исследования составляет 3,82 %

Критический расход газа, м /мин.

0,035

0,037

Относительная погрешность результатов исследования составляет 5,71 %

Анализ таблицы 3 показывает, что относительная погрешность данных, полученных при теоретическом обосновании параметров и режимов смесителя для осуществления процесса промывки биодизеля углекислым газом, составляет 3,82...5,71 %, следовательно, результаты исследования можно считать достоверными. Помимо этого подтверждается полученное в результате теоретических исследований соотношение расходов газа, равное 1,19, при соблюдении которого наблюдается увеличение частоты образования пузырьков с минимальными размерами.

На основании проведённых исследований разработана методика инженерного расчета гидродинамического смесителя:

1. Определяем свойства и характеристики среды жидкость - газ: физико - химические свойства биодизеля и размеры пузырьков углекислого газа.

2. Выбираем для соответствующих размеров пузырьков углекислого газа, в зависимости от свойств среды (плотности биодизеля (р), коэффициента поверхностного натяжения пузырька (б)), давления истечения (рж,) и атмосферного (ри), а также высоты промывочной ёмкости (/У), радиус сопла (г) по формуле (6).

3. В зависимости от радиуса (г,) проходного сечения сопла и конусности иглы (<р), выбираем смещение {<!„) для получения заданного размера пузырька:

П = г-ёуг1ё(<р/2) (11)

4. Определяем расход газа по формулам (3) и (12):

б = и7°-2 (12)

5. Определяем критический расход газа как предельный, при котором наблюдается лишь увеличение диаметра пузырька (</„) при постоянной частоте образования:

6 (13)

6. Проверяем соотношение расходов газа, характеризующее статическую область образования пузырьков (увеличение частоты отрыва при минимальном размере):

Р/Р«Р< 1.19 (14)

7. В зависимости от расхода газа, диаметра проходного сечения и выбранного смещения иглы с учётом заданного времени истечения компонентов (биодизель и углекислый газ) определяем количество сопел.

8. Определяем давление биодизеля на входе в сопло, с учётом динамического напора (ря), создаваемого насосом, по формуле:

9. Выбираем диаметр камеры смешивания (О) из интервала линейного изменения зависимости давления от свойств среды (динамической вязкости биодизеля (ц) и плотности (р)) при турбулентном режиме движения потока, рассчитанной по формуле (2).

10. Определяем длину камеры смешивания (Ь) с учётом коэффициента пропорциональности (Кс ~Ъ..5) из условия минимума расхода мощности (ЛО на гомогенизацию биодизеля с углекислым газом по зависимости:

8

р- й » р- ь (16)

На основании проведённых исследований разработана конструкция многосоплового гидродинамического смесителя (рисунок 15), предназначенного для осуществления завершающей стадии технологии производства биодшельного топлива, заключающейся в промывке и омылении полученного при этерификации продукта углекислым газом.

«к; -.■• ..•• ■ .'/".• / - •' '.-.'. •• /

Рисунок 15 - Схема многосоплового гидродинамического смесителя: 1 - корпус; 2 - блок - шайба; 3 - штуцер газовый; 4 - шток регулировочный; 5 - прокладка; 6 - шайба - рассекатель; 7 - гайка накидная; 8 - корпус шайбы

В данном случае для ускорения процесса и улучшения его качественных показателей используется эффект кавитации. Гидродинамический смеситель обеспечивает смешивание и обмен энергией двух потоков: сырья биодизельного продукта, полученного из ятрофового масла с повышенной кислотностью, и углекислого газа для его промывки и омыления.

В ФГБНУ СКНИИМЭСХ была разработана модульная установка для производства биодизельного топлива из растительных масел (рисунок 16), в которой для ин-

тснсификации смешивания масла и метилового спирта при этерификации был использован гидродинамический смеситель.

Осуществлена модернизации пункта внутрихозяйственного производства бноди-зельного топлива во ФГУП «Экспериментальное» (Зерноградский район Ростовской области) с модульной установкой для производства биодизельного топлива из растительных масел ОАО «ЗИОСАБ - ДОН» (г. Волгодонск Ростовской области).

Рисунок 16 - Модульная установка для производства биодизельного топлива

В пн1 ой главе представлена оценка экономической эффективности получения биодизельного топлива из растительных масел повышенной кислотности с применением гидродинамического смешивания. Для определения экономического эффекта от использования гидродинамического смесителя при производстве биодизельного топлива рассчитали два варианта: базовый - модульная установка БИОДОН - 1, выпускаемая ОАО «ЗИОСАБ-ДОН» (г. Волгодонск) и новый - модернизированная установка БИОДОН - 1М с гидродинамическим смесителем для процесса омыления биодизельного топлива.

В условиях сельхозпредприятий Вьетнама обеспечивает при годовом производстве биодизельного топлива 350 т/год из сырья ятрофы обеспечивается получение чистого дисконтированного дохода модульной установкой - 34,0 млн. руб., дисконтированный срок окупаемости при этом составит 0,3 года. В условиях России при цене дизельного топлива 31,4 руб./кг при производстве биодизельного топлива из некондиционного масла семян подсолнечника с повышенной кислотностью дисконтированный срок окупаемости проекта составляет 2,4 года, и чистый дисконтированный доход достигает в размере 3,4 млн. руб.

1. Проблема получения биодизельного топлива из собственного сырья в сельхозпредприятиях очень актуальна, особенно, в республике Вьетнам, имеющей малый запас минеральных ресурсов. Для производства биодизельного топлива наиболее под-

ОЫДИ1 ВЫВОДЫ

ходящей культурой для природно - климатических условий Вьетнама является ятро-фа. Масло ятрофы имеет высокое кислотное число, поэтому необходимо совершенствование технологического процесса производства биодизельного топлива в части его промывки от омыленного продукта.

2. Промывка биодизельного топлива от омыленного продукта осуществляется посредством смешивания с пузырьками углекислого газа специальным устройством. Среди известных устройств наиболее эффективными являются гидродинамические смесители. В качестве такого смесителя может быть применён струйный аппарат -эжекгор, работающий со средами жидкость - газ, в котором обеспечивается смешивание и обмен энергией двух потоков: сырья биодизельного продукта, полученного из растительного масла, и углекислого газа для его промывки.

3. На основании метода подобия и размерностей физических величин получен критерий турбулентности потока, обоснован диаметр камеры смешивания не менее 30...35 мм. Установлена зависимость снижения давления потока и мощности на перемешивание от размеров трубопровода. Определена наименьшая интенсивность изменения давления при диаметре более 30 мм, где зависимость приобретает характер линейной функции. Получена закономерность изменения мощности на перемешивание, которая наиболее интенсивно возрастает (в 1,5 раза) с уменьшением длины камеры смешивания с 15 до 10 мм, а при 30. ..35 мм перестает снижаться.

4. Получено рациональное соотношение расходов углекислого газа Q/QKp < 1,19, характеризующее статическую область образования пузырьков: увеличение частоты их образования с минимальными размерами. Определены параметры и режимы функционирования смесителя: расход газа Q = 0,045 м3/мин при смещении иглы </„ = 1,1, радиусе сопла /■ = 1,4мм, давлении ргта - 400 кПа, радиусе пузырька Л/ = 0,608 мм, отношении суммы площади поверхности пузырьков к5 = 4,9.

5. Биодизельное топливо из сырья ятрофы соответствуют требованиям. Оптимальное значение рН составляет 8,731, при расходе углекислого газа 43,818 л/мин и продолжительности обработки 8,04 мин., то есть на 14,4% меньше значения рН необработанного биодизельного топлива (10,2).

6. Относительная погрешность результатов теоретического обоснования параметров и режимов смесителя для осуществления процесса промывки биодизеля углекислым газом и экспериментальных данных составляет 3,82...5,71 %, следовательно, результаты исследования можно считать достоверными.

7. Применение тдродинамического смесителя для процесса обработки биодизеля углекислым газом позволяет сократить расход углекислого газа на 64% и электроэнергии на 59,5% и сократить время полного отстаивания биодизеля на 37,4%.

8. Производство биодизельного топлива с использованием гидродинамического смешивания в условиях сельхозпредприятий Вьетнама из сырья ятрофы обеспечивает при достижении годового производства биодизельного топлива 350 т/год получение чистого дисконтированного дохода модульной установкой - 34,0 млн. руб. и дисконтированный срок окупаемости при этом составит 0,3 года. В условиях России при производстве биодизельного топлива из некондиционного масла семян подсолнечника с по-

вишенной кислотностью дисконтированный срок окупаемости проекта составляет 2,4 года, и чистый дисконтированный доход достигает в размере 3,4 млн. руб.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации в журналах из перечня ВАК РФ:

1. Хоанг, Нгиа Дат. Обоснование применения культуры ятрофы как материала для получения биотоплива/ В.И. Пахомов, М.Н. Московский, Хоанг Нгиа Дат// Весник Донского государственного технического университета - 2014. - Т. 14, №4 (79). - с. 150-157.

2. Хоанг, Нгиа Дат. Функционирование гидродинамического смесителя в среде жидкость - газ при производстве биодизельного топлива из масла ятрофы / Хоанг Нгиа Дат, Г.Г. Пархоменко, В.И. Пахомов, В.Б. Рыков, С.И. Бырько, И.В. Божко // Сельскохозяйственные машины и технологии. -2015. - № 3. - с. 34 - 38.

3. Хоанг, Нг иа Дат. Обоснование параметров технологического процесса нейтрализации остатков пщроксида калия (КОН) при производстве биотоплива из культуры ятрофы/ М.Н. Московский, Хоанг Нгиа Дат //Инженерный вестник Дона: электронный научный журнал. - № 1. - 2015. - 9с. Режим доступа: httpV/www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1 v2015/2824.

Публикации в других изданиях:

4. Хоанг Нгиа Дат. Применение ятрофового масла в качестве жидкого биотоплива / Хоанг Нгиа Дат, С.И. Бырько // Разработка инновационных технологий и технических средств для АПК: сб. науч. тр. 9 - й междунар. научно - практ. конф. СКНИИМЭСХ. - Зерноград, 2014. - с. 26 - 30.

5. Хоанг Нгиа Дат. Применение растительных масел с повышенным кислотным числом при производстве жидкого биотоплива / В.И. Пахомов, В.Б. Рыков, С.И. Кам-булов, С.И. Бырько, Хоанг Нгиа Дат, В.В. Колесник // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: Материалы международной научно -практической конфенции в рамках 18-й международной агропромышленной выставки «Интерагромаш-2015» - Ростов-на-Дону, 2015. - с. 78 - 81.

В печать 14. £74.2015.

Объём ^ О усл. п.л. Формат 60x84/16.

Заказ № Тираж <00экз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

15'--57 28

2012477856

2012477856