автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Технология непрерывного получения дизельного смесевого топлива с улучшенными свойствами

004613052 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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 е НОЯ 2010

Мичуринск - Наукоград РФ, 2010

004613052

Работа выполнена в государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН Россельхо-закадемии)

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» www.mgau.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета

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

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 сельскохозяйст-

4

венного 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); У1-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 трехста-дийного 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 импульс-но-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 несме-шивающиеся жидкости - сгйфт и растительное масло при перемешивании обра- * зуют 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 массо-передачи 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

8

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 (<лч>(у) = 0) уравнение можно представить в виде

— = Р - — £гас/(р) + 1)Лу , (1)

Л р

л З1 д1 3 п

где л = —г + —г + —^ - оператор Лапласа;

дх~ ду~ дг~

р~ /(Г,С,) - плотность реакционной смеси, кг/м3; и - кинематическая вязкость смеси, м2/с; р - давление, Па; I - время, с.

Переходя к проекциям на координатные оси двухмерного декартового

пространства, получаем систему уравнений

В уравнение (2) входит потенциальное поле силы я-. В случае аппарата вихревого слоя поле силы Г представляется 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

где у - удельная проводимость реакционной среды, См/м;

ем - относительный объем ферромагнитных проводящих частиц

в реакционной смеси; Е - вектор напряженности электрического поля, Вт/м; В - вектор магнитной индукции, Тл. Полученная система уравнений позволяет найти величины р, V, р при известных величинах электромагнитного поля Е и В. Система уравнений (3) представляет собой модель движения реакционной смеси в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц.

Экспериментально доказано, что при использовании ферромагнитных частиц, движущихся во вращающемся электромагнитном поле, можно применять исходные соединения разной степени очистки. Это обусловлено тем, что за короткое время реакции такие побочные процессы как омыление и гидролиз просто не успевают происходить. Кроме того, воздействие электромагнитного поля увеличивает скорость реакции этерификации (взаимодействия свободных жирных кислот с метанолом с образованием целевых продуктов - сложных метиловых эфиров карбоновых кислот). Применение вихревого слоя ферромаг-

(3)

нитных частиц обеспечивает чрезвычайно эффективное перемешивание за счёт создания интенсивной турбулентности потока, которое не может создать ни одна механическая мешалка. Кроме того, в рабочей камере индуктора возникают акустические волны, кавитация, которые также приводят к интенсификации массо-обменых процессов. Уровень механического и акустического воздействия на эфиры определяется при этом параметрами налагаемого на реакционную массу вращающегося электромагнитного поля и степенью заполнения реактора ферромагнитными частицами, образующими вихревой слой. Выделяющееся при этом тепло способствует дополнительной активации процессов.

В третьем разделе «Методика экспериментальных исследований» изложены основные этапы и методики проведения экспериментов, рассмотрены установки, специальные измерительные приборы и оборудование. Программа проведенных исследований включала: лабораторные испытания по комплексному определению состава, структуры, физико-химических, эксплуатационных и теплофизических свойств топлив; безмоторные исследования дизельной топливной аппаратуры на соответствие ее параметров технического состояния требованиям технических условий; сравнительные моторные испытания автотракторного дизеля 44 11/12,5 и его модификаций (Д-240, Д-242, Д-243) Минского моторного завода, работающего на смесях светлых нефтепродуктов и биодизеля, проводились в штатной комплектации. Все системы и механизмы двигателя были проверены и отрегулированы в соответствии с инструкцией по эксплуатации тракторов МТЗ-80/82. Двигатели имели камеру сгорания типа ЦНИДИ, были оснащены рядными топливными насосами высокого давления типа УТН-5, использовались форсунки ФД-22. Основными исследуемыми режимами внешней скоростной характеристики являлись режимы максимальной мощности при п = 2400 мин"1 и максимального крутящего момента при п = 1500 мин"'. При измерении дымности отработавших газов режим минимальной частоты вращения составлял п = 1080 мин"'.

В основе исследований по определению оценочных (мощностных, экономических, экологических) показателей эффективности работы автотракторного дизеля и агрегатов топливоподачи положен принцип сопоставления выбранных показателей в типичных условиях статических и динамических (эксплуатационных) режимов на основе анализа показаний измерительных приборов (давления, расхода топлива, комплексного анализа используемых топлив). Исследования проводились с применением измерительной и газоаналитической аппаратуры и

11

приборов непосредственного действия.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведен анализ результатов исследований, проверка корректности теоретических предпосылок, отработка основных конструктивно-режимных и технологических параметров опытно-промышленной установки для получения дизельного смесевого топлива с улучшенными свойствами. Исследованы биодизельные топлива, полученные из рапсового (МЭРМ), льняного (МЭЛМ), кукурузного (МЭКМ), подсолнечного масел (МЭПМ) и масла редьки (МЭМР).

На рисунке 2 показаны экспериментальные данные, представленные в координатах вязкость V - плотность р, которые дают наглядное представление о существовании корреляционной зависимости между этими теплофизическими характеристиками для компонентов биодизельного топлива.

Наличие экспоненциальных зависимостей позволяет определять теплофи-зические характеристики биодизельного топлива при различных температурах.

Оценено влияние различных факторов на протекание метанолиза. Наблюдается достижение более высоких (по сравнению с традиционной технологией) выходов продукта реакции при меньшем мольном соотношении «триацилглице-рины-метанал».

Проведена серия экспериментов по синтезу компонентов биодизельного топлива с мольным соотношением «триацилглицерины-метанол» от 1:4 до 1:9. Из полученных данных следует, что наилучшим мольным соотношением в нашем случае является мольное соотношение «триацилглицерины - метанол» рав-

♦ - МЭПМ, ■ - МЭЛМ, о - МЭМР, а - МЭКМ.

- МЭРМ,

830 840 850 860 870 880 890 Р. кг/м'

Рисунок 2 - Зависимости изменения вязкости и плотности для биодизельного топлива

ное 1:6. При увеличении доли спирта выход эфирной фазы несколько увеличивается, но при этом увеличивается её вязкость, заметно больше содержание спирта в эфирной фазе, что увеличивает энергетические затраты на удаление непрореагировавшего метанола. Если реакция протекает с меньшим выходом, значит в эфирной фазе остаются непрореагировавшие моно- и диацилглицери-ны, что приводит к увеличению плотности и вязкости компонентов биодизельного топлива, а значит, к ухудшению его эксплуатационных характеристик.

Присутствие моно- и диацилглицеринов вызывает засорение фильтров и сопел топливных форсунок, образование нагара на деталях двигателя; увеличение плотности и вязкости приводит к более жестким условиям работы топливного насоса высокого давления, повышенному износу его деталей, ухудшению показателей впрыска топлива, необходимости применения депрессорных присадок.

Изучено влияние концентрации катализатора на выход и характеристики биотоплива. Условия синтеза: время синтеза 13 секунд, мольное соотношение масло-спирт составляет 1:6, температура 60 °С. В исследованиях использован гидроксид калия в интервале концентраций от 0 до 1,5 масс. %. Результаты представлены на рисунке 3.

Даже в отсутствие катализатора метанолиз частично проходит под действием вращающегося электромагнитного поля, однако выход метиловых эфиров растительного масла не превышает 20 %.

С увеличением концентрации гидроксида калия выход эфиров сначала увеличивается (до 0,75 %), а затем снижается.

Рисунок 3 - Зависимость выхода биодизельного топлива ii

от концентрации катализатора С,

Исследования по определению оптимального теплового воздействия на метиловые эфиры растительных масел проводили при значениях температур: 25, 45, 50, 55, 60 и 70 °С. При температуре синтеза 60 °С выход эфиров максимален, а вязкость имеет минимальное значение.

Снижение температуры на 10 °С приводит к незначительному изменению выхода и вязкости. Следовательно, синтез можно проводить при этой температуре. Дальнейшее снижение температуры уменьшает выход почти на 9 %, наблюдается увеличение вязкости.

Экспериментально установлено, что триацилглицерин должен иметь величину кислотности, меньше чем 1 мг КОН/г и все материалы должны быть безводны. Если величина кислотности больше, то больше щёлочи расходуется на нейтрализацию свободных жирных кислот, что формирует мыла (соли высших жирных кислот), которые не обладают каталитическим действием, при этом расходуется катализатор и уменьшается его эффективность.

Присутствие воды (которая может быть внесена со спиртом или маслом) ещё сильнее сдвинет равновесие реакции влево и, кроме того, будет способствовать гидролизу триацилглицеринов с образованием свободных жирных кислот, которые в свою очередь реагируют со щелочью с образованием мыла, проявляющее вышеупомянутые нежелательные эффекты.

При наложении вращающегося электромагнитного поля в присутствии ферромагнитных частиц происходит резкое сокращение времени реакции мета-нолиза. Это позволяет использовать исходные соединения разной степени очистки: реакции омыления и гидролиза в опытах не наблюдались. Возможно, что под воздействием электромагнитного поля с увеличением скорости реакции ме-танолиза условий для протекания побочных реакций становится гораздо меньше. Результаты экспериментов представлены на рисунках 4.

Из анализа полученных экспериментальных данных следует, что в нашем случае можно использовать более широкий спектр исходных веществ: спирт с содержанием воды до 0,7 % (масс.) и растительные масла с содержанием свободных жирных кислот в масле до 2 % (масс.), например, прогорклые или фритюрные масла. Влияние коэффициента заполнения аппарата ферромагнитными частицами кэ на выход биодизельного топлива показан в таблице 1. Здесь величина к, = УчЛ/а, где V,, - суммарный объем всех частиц, м3;

Уа- объем рабочей зоны аппарата м3.

Рисунок 4 - Зависимость выхода биодизельного топлива от содержания свободных жирных кислот в исходном масле

Таблица 1 - Влияние коэффициента заполнения аппарата ферромагнитными частицами на выход биодизельного топлива

Коэффициент заполнения, ка 0,001 0,01 0,1 0,35

Объем полученного эфира, мл Вверху слой спирта, внизу -небольшой слой глицерина 260 258 247

Объем глицериновой фазы, мл 46 46 63

Общий объем, мл 306 304 310

Объем очищенного эфира, мл 230 241 233

Ориентировочно выход, % 89,2 98,5 93,2

Вязкость при 20 °С, мм'/с 21,65 6,75 5,45 6,63

Анализ полученных результатов показывает, что без перемешивания (при коэффициенте к, -- 0) за счет воздействия на исходные реагенты вращающегося электромагнитного поля происходит интенсификация реакции метанолиза (в 1,25-1,3 раза быстрее по сравнению с реакцией, протекающей при тех же условиях, но без воздействия электромагнитного поля). Решающее влияние на ход процесса метанолиза оказывают действие, движение и энергия ферромагнитных частиц. В свою очередь эти параметры обусловлены формой частиц, их диаметром, отношением длины к диаметру, коэффициентом заполнения аппарата ферромагнитными частицами и целым рядом других факторов.

Проведенные эксперименты выявили новые, ранее не известные эффекты, возникающие при помещении стальных цилиндрических ферромагнитных час-

тиц во вращающееся электромагнитное поле. Под действием сил и моментов ферромагнитные частицы в аппарате совершают сложное движение - поступательное с частым и резким изменением скорости и направления, и вращательное с переменной угловой скоростью. При этом каждая частица движется отдельно от других. Эксперименты показали, что движение ферромагнитных частиц начинается при достижении индукции в рабочей камере более 0,09 Т.

Выявлено наличие двух характерных тенденций движения частиц. Во-первых, весь слой частиц (за счет центробежных сил) движется на некотором расстоянии от оси индуктора в сторону вращения электромагнитного поля (индуктор расположен вертикально). Во-вторых, большинство частиц при своем движении по окружности совершают одновременно сложные колебательные движения с большой амплитудой (примерно равной половине длины частицы) относительно своей середины. По-видимому, вокруг каждой частицы возникают локальные электромагнитные поля, которые в сумме определяют структуру магнитного поля в рабочем объеме индуктора, имеющую импульсный характер. Совершая сложные механические и магнитострикционные колебания, каждая частица является, во-первых, источником акустической (газовой) кавитации. Движение частиц, во-вторых, создает интенсивное движение жидкости, что в свою очередь создает условия для формирования разрывов жидкости, то есть кавитации струйной. Все вышеперечисленные факторы (формирующие интегральный технологический эффект) обуславливают наличие в таких аппаратах еще не известных явлений, которые способствуют резкой интенсификации химико-диффузионных процессов и повышению их эффективности.

При изучении кинетики реакции переэтерификации подсолнечного масла с метанолом принято, что в рафинированном подсолнечном масле свободные жирные кислоты практически отсутствуют, соответственно реакцией нейтрализации свободных жирных кислот можно пренебречь; кроме того, по результатам анализа не обнаружено продуктов омыления, соответственно и реакцию омыления триацилглицеринов можно не принимать во внимание. Ещё одно допущение заключалось в предположении, что начальная стадия, лимитируемая процессом массопередачи, была незначительна по времени, поэтому реакцию алкоголиза

рассматривают как псевдогомогенную каталитическую реакцию.

При рассмотрении кинетики обратимые реакции всех трёх стадий обычно рассматривают как элементарные реакции, следующие второму порядку полной кинетики и первого порядка относительно концентрации катализатора.

Рассмотрены кинетические параметры проведения синтеза. В диффузионной области реакции рассчитана и экспериментально определена скорость диффузии Од иоэксп.

Уд = ОБ [АС] 13, где £> - коэффициент диффузии, м2/с; д - толщина диффузионного слоя, м.

Оэксп = -с1Смс/Л = - (МУ)с1п/А =оД/У Для интенсификации Ifpoцecca необходимо увеличивать концентрацию метилового спирта, площадь соприкосновения фаз и коэффициент скорости массопередачи. На начальном этапе реакции концентрация метилового спирта в спиртовой фазе и так высока. Увеличение площади соприкосновения фаз и коэффициента скорости массопередачи достигается интенсификацией перемешивания.

Присутствие в реакционной массе вихревого слоя ферромагнитных частиц, интенсивно движущихся во вращающемся электромагнитном поле, приводит к увеличению дисперсности эмульсии и, как следствие, к увеличению площади соприкосновения спиртовой и липидной фаз. Кроме того, при интенсификации перемешивания под действием сил трения уменьшается толщина диффузного слоя, что приводит к увеличению численных значений коэффициента диффузии.

При рассмотрении кинетики обратимые реакции всех трёх стадий обычно рассматривают как элементарные реакции, следующие второму порядку полной кинетики и первому порядку относительно концентрации катализатора. Концентрация катализатора считается постоянной, скорость реакции можно считать не зависящей от концентрации метилового спирта.

Таким образом, кинетические уравнения относительно каждого компонента следующие

¿Ст/ Л = -к/ СранСтСмс + С юн Сэ Сд

<юя/л = к, Скон СтСмс ~ Ь С юн Сэ Сд- к} СКон СдСмс + к4 Сюн Сэ См ¿См/& = кз С юн Сд Смс - Ь С юн Сэ См - кз Сюн См Смс - ке С/юн Сэ Сг

йСг/Ж = к5 Скон Си Смс - К С юн Сэ Сг

с1Сэ/ск = к/ Скон С г Смс - кг С ¡юн Сэ Сд + к3 С ¡юн Сд Смс ~ к* Сюн Сэ См + + кз Скон См Смс ~ кб Скон Сэ СГ

/Л = кI Скон Ст Смс + Ь Скон Сэ Сд - к3 Скон Сд Смс + к4 С ¡юн Сэ См -- к; С ¡сон См Смс + ке Сюн Сэ С г

где А/, кз и к; — константы прямых скоростей для стадий 1,2,3; к2, к4 и к6 — константы обратных скоростей для стадий 1,2,3 ; Сщн, Сг, Сд, См, Смс, Сэ, Сг, — концентрация гидроксида калия, триа-цилглицерина, диацилглицерина, моноацилглицерина, метилового спирта, эфира, глицерина, соответственно.

*

Полученные при исследовании кинетики реакции метанолиза экспериментальные данные позволили определить константы скорости каждой из стадий реакции:

А,'= 7,7-Ю'3 с"1; Лз'=4,15-10-3с|; к,'= 2,8М0'2с';

¿2'= 0,348 м3/(моль-с); к4'= 0,118 м3/(моль-с); кв= 6,53 -10'2 м3/(моль-с) Скорости обратных реакций невелики, самой медленной является обратная реакция третьей стадии. Вероятная причина этого в том, что активация исходных реагентов позволила сдвинуть равновесие в сторону образования продуктов реакции; самая низкая скорость обратной реакции на третьей стадии может быть объяснена несмешиваемостью метиловых эфиров и глицерина, что создаёт большое сопротивление массопередачи в этом направлении. Самой быстрой является стадия превращения моноацилглицерина в глицерин. Вероятно, это можно объяснить наименьшими стерическими препятствиями для атаки нуклеофилом по сравнению с более разветвлёнными ди- и триацилглицеринами. Стадией, определяющей скорость реакции, является превращение триацилгли-церина в диацилглицерин.

Для адаптации двигателя внутреннего сгорания к работе на смесевом биодизельном топливе проведены сравнительные моторные исследования работы дизеля на товарном дизельном топливе и топливных композициях по параметрам рабочего цикла, мощносгным, экономическим и экологическим показателям. Результаты экспериментальных исследований обработаны в виде графиков. На рисунке 5 представлены результаты сравнительных моторных исследований работы дизеля на товарном дизельном (ДТ), метиловом эфире растительного

масла (МЭРМ) и дизельном смесевом топливе (80%ДТ+20%МЭРМ), свидетельствующие о возможности и перспективности использования дизельного смесе-вого топлива, полученного по разработанной технологии.

Иэменетете эффективной мощности от нагрузки работы двигателя (п = 2200 об/жн)

Зависимость удельного аффективного расхода тошнее от нагружн работы двигателе (л * 2200 об/мн4

70

2 60 л

5 50

О

% 40 з

; 30 ш

| 20 10

А

/

г

I 10 20 30 40 Нагрузка на прмозе, кгы

-80%ДТ-20%МЭРМ -л-МЭРМ ~*-ДТ

700

£ 600 ; , 600 и

400

• 5

зоо

в- С 1 - 200 5 юо 0

•1

1

50

10 20 30 40 50 Нагрузка на тормозе, юм -80%ДГ-20%МЭРМ -«—МЭРМ -*~ДТ

Рисунок 5 - Сравнительные моторные исследования работы дизеля на товарном дизельном (ДТ), метиловом эфире растительного масла (МЭРМ) и дизельном смесевом топливе (80%ДТ+20%МЭРМ)

В пятом разделе «Экономическая оценка результатов исследований» представлен расчет экономического эффекта по известной методике за счет снижения стоимости полученного смесевого топлива при эксплуатации одного трактора типа МТЗ-82. Экономическая эффективность от использования смесевого топлива только на одном тракторе составила около 19000 рублей в год. В этом эффекте не учтено, что применяя смесевое топливо (светлые нефтепродукты и биодизель) мы улучшаем его качество (обуславливающее снижение затрат на проведение ТО и ремонтных работ), устраняем перерасход топлива (связанный с использованием некондиционных нефтепродуктов), уменьшаем загрязнение окружающей среды (способствующее обеспечению экологической безопасности сельскохозяйственного производства), обеспечиваем животноводство ценным кормом (жмых и шрот, имеющие среднее содержание белка 35-40%), получаем глицерин с последующей его реализацией в фармацевтическую и химическую промышленность. Это дает возможность повысить эффективность процесса получения смесевого топлива и получить дополнительную прибыль.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработана технология непрерывного получения дизельного смесевого топлива с улучшенными свойствами.

2 Технологическая эффективность аппаратов с вращающимся электромагнитным полем складывается из целого ряда факторов, одновременно оказывающих положительное воздействие на обрабатываемые реагенты:

- вращающееся электромагнитное поле намагничивает ферромагнитные частицы, которые взаимодействуют друг с другом, с обрабатываемыми реагентами и стенками камеры аппарата;

- в рабочей камере аппарата возникает интенсивная турбулентность, которая приводит к интенсификации массообменых процессов;

- движение в рабочей камере аппарата большой массы ферромагнитных частиц сопровождается их интенсивным столкновением с выделением энергии, формирующей заряды на ферромагнитных частицах;

- каждая частица представляет собой своеобразный микро-электролизер, непрерывная работа которых насыщает рабочую камеру аппарата ионами различной полярности, что способствует ускорению реакций.

Все вышеперечисленные факторы (формирующие интегральный технологический эффект) обуславливают наличие в таких аппаратах еще не известных явлений, которые способствуют резкой интенсификации химико-диффузионных процессов и повышению их эффективности.

3 Получены кинетические зависимости процесса метанолиза при им-пульсно-кавитационном воздействии ферромагнитных частиц на реагенты в аппарате с вращающимся электромагнитным полем. С помощью построенной модели установлено, что реакция протекает сначала в диффузионной, а затем в кинетической области. Основными факторами, влияющими на процесс биоконверсии растительного сырья в биотопливо при наложении вихревого электромагнитного поля в присутствии ферромагнитных частиц, является снижение энергии активации реакции и интенсификация перемешивания.

4 Анализ результатов исследований полнометражного дизеля показывает практическую возможность существенного улучшения его экологических показателей при работе на смесевом топливе: уменьшение эффективной мощности дизеля на номинальном режиме не превышает 1 %; возрастание часового и удельного эффективного расходов не превышает, соответственно, 1,9 % и 2,6 %,

20

а содержание углеводородов в отработавших газах уменьшается более чем на 8 % по отношению к работе на товарном дизельном топливе; уменьшение выбросов СО в отработавших газах превышает 20 %; снижение дымности доходит до 40 %.

5 Наилучшие эксплуатационные, экологические и экономические результаты получены при использовании смесевого топлива, состоящего из 25 % биодизеля и 75 % дизельного топлива. Экономическая эффективность от использования такого смесевого топлива толы® на одном тракторе составляет около 19000 рублей в год.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Малахов, К.С. Исследование кинетики процесса метанолиза при переработке растительного сырья в биотопливо [Текст] / С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, С.И. Дворецкий, В.П. Таров, И.А. Рязанцева, К.С. Малахов // Вестник ТГТУ. - 2009. - Т. 15. - № 3. - С. 572-580.

2. Малахов, К.С. Состояние и эволюция технологий получения биотоплива из растительных масел [Текст] / А.Н. Зазуля, С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, К.С. Малахов // Достижения науки и техники АПК. - 2009. - № 12. - С. 58-60.

3. Малахов, К.С. Получение биодизельного топлива: современные тенденции, проблемы и пути их решения [Текст] / С.А. Нагорнов, С.И. Дворецкий, C.B. Романцова, К.С. Малахов, И.А. Рязанцева // Вопросы современной науки и практики. Университет имени В.И. Вернадского. - 2009. - № 10(24). - С. 55-60.

4. Малахов, К.С. Моторные исследования работы дизеля на смесевом топливе [Текст] / С.А. Нагорнов, Р.В. Фокин, К.С. Малахов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. «Машиностроение». - 2009. -№ 4. - С. 122.

5. Малахов, К.С. Конкурирующие реакции алкоголиза и переэтерификации в процессе производства биотоплива из смеси подсолнечного и льняного масел [Текст] /C.B. Романцова, Н.В. Вервекина, К.С. Малахов // Вестник Тамбовского Университета. Сер. Естественные и технические науки. Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина. - Тамбов, 2007. - Т. 12. - Вып. 6. -

С. 659-660.

В сборниках научных трудов и материалах конференции:

6 Малахов, К.С. Хроматографический метод определения углеводородного состава биодизельного топлива [Текст] / С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, А.П. Ликсутина, К.С. Малахов // Пути использования биомассы в качестве энергоресурсов. - Сб. научн. тр. ГНУ ВИИТиН. Вып. № 12. - Тамбов: ГНУ ВИИТиН, 2006.-С. 115-132.

7 Малахов, К.С. Использование фуллеренов для улучшения процесса сгорания светлых нефтепродуктов [Текст] / А.Г. Ткачев, С.А. Нагорнов, К.С. Малахов // Современные технологии и оборудование для спиртовых производств и биотоплива: Сб. научных докладов II международной научно-практической конференции — Тамбов: Изд-во ОАО «Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С. Артемова», 2006. - С. 43-47.

8 Малахов, К.С. Улучшение энергоэкологических показателей автотракторных дизелей [Текст] / С.А. Нагорнов, К.С. Малахов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукцию: Сб. науч. докл. XIV междунар. научно-практич. конф. 4.2. Энергосбережение при производстве сельскохозяйственной продукции. - Тамбов.: Издательство ГНУ ВИИТиН, 2007. - С. 86-91.

9 Малахов, К.С. Повышение энергоэкологических показателей автотракторных дизелей [Текст] / С.А. Нагорнов, К.С. Малахов // Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий: Сборник научных трудов Всероссийской школы-семинара /Тамб. гос. техн. ун-т - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2008. -с. 271-275.

10 Малахов, К.С. К вопросу о совершенствовании экологических показателей двигателей [Текст] / С.А. Нагорнов, К.С. Малахов, И.А. Рязанцева // Биоэнергетика и проблемные вопросы ее развития. Сб. научн. тр. ГНУ ВИИТиН. Выпуск 17. — Тамбов, 2009. — С. 75-83.

11 Малахов, К.С. Повышение эффективности горения топлива [Текст] / С.А. Нагорнов, К.С. Малахов // Биоэнергетика и проблемные вопросы ее разви-

тия. Сб. научн. тр. ГНУ ВИИТиН. Выпуск 17. — Тамбов, 2009. — С. 84-89.

12 Малахов, К.С. Исследование кинетики процесса метанолиза при синтезе компонентов биотоплива [Текст] / С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, И.А. Рязанцева, Р.В. Фокин, К.С. Малахов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: Сб. научн. докл. XV междунар. научно-практич. конф. Россельхозакадемия, ГНУ ВИИТиН. — Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2009. — С. 434-438.

13 Малахов, К.С. Получение компонентов биодизельного топлива по реакции алкоголиза [Текст] / С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, Д.О. Матвеев, О.В. Матвеев, И.А. Рязанцева, К.С. Малахов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: Сб. научн. докл. XV междунар. научно-практич. конф. Россельхозакадемия, ГНУ ВИИТиН. — Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2009. — С. 439-442.

14 Малахов, К.С. Термодеструкция растительных масел при использовании их в качестве биотоплива [Текст] / С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, А.П. Ликсутина, К.С. Малахов, О.В. Матвеев, Д.О. Матвеев, Р.В. Фокин // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: Сб. научн. докл. XV междунар. научно-практич. конф. Россельхозакадемия, ГНУ ВИИТиН. — Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2009. — С. 457-462.

15. Малахов, К.С. Фракционный состав биотоплив, полученных из растительного сырья [Текст] / С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, А.П. Ликсутина, Д.О. Матвеев, О.В. Матвеев, И.А. Рязанцева, К.С. Малахов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: Сб. научн. докл. XV междунар. научно-практич. конф. Россельхозакадемия, ГНУ ВИИТиН. — Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2009. — С.

463-467.

16. Малахов К.С. К расчету аппаратов с вихревым слоем для получения биодизельного топлива [Текст] // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: Сб. научн. докл. XV междунар. научно-практич. конф. Россельхозакадемия, ГНУ ВИИТиН. — Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2009. — С. 481-485.

17. Малахов К.С. Использование аппаратов с вихревым слоем для получения биодизельного топлива [Текст] // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: Сб. научн. докл. XV междунар. научно-практич. конф. Россельхозакадемия, ГНУ ВИИТиН. — Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2009. — С. 468-472.

18 Малахов, К.С. Выбор сырья при производстве биотоплива [Текст] / А.П. Ликсутина, Р.В. Фокин, К.С. Малахов // Биоэнергетика и проблемные вопросы ее развития. Сб. научн. тр. ГНУ ВИИТиН. Выпуск 17. — Тамбов, 2009. — С. 43-48.

19 Малахов, К.С. Сохранение качеств биодизельных топлив при хранении [Текст] / C.B. Романцова, И.А. Рязанцева, К.С. Малахов // Биоэнергетика и проблемные вопросы ее развития. Сб. научн. тр. ГНУ ВИИТиН. Выпуск 17. — Тамбов, 2009. —С. 67-74.

Подписано в печать 15октября 2010. Формат 60-84/16. Объем 1,0 л.л. Тираж 100 экз. Бесплатно 392022» г. Тамбов, пер. Ново-Рубежный, 28, ГНУ ВНИИТиН Россель хозакадемин

ВВЕДЕНИЕ.

1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований.

1.1 Аналитический обзор известных технологий получения биодизельного топлива из растительных масел.

1.2 Классификация способов проведения реакции метанолиза.

1.3 Аппараты с вихревым слоем ферромагнитных частиц.

1.4 Выводы. Цель и задачи исследований.

2 Теоретические предпосылки процесса непрерывного получения дизельного смесевого топлива.

2.1 Выбор технологического процесса получения биодизельного топлива.

2.2 Модель движения реакционной смеси в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц.

2.3 Вывод уравнений электромагнитодинамики аппарата вихревого слоя.

2.4 Вывод уравнений гетерофазных жидкофазных реакций синтеза биодизельного топлива.

2.5 Численная реализация математической модели синтеза биодизельного топлива.

3 Методика экспериментальных исследований.

3.1 Общая методика исследований.

3.2 Методика получения дизельного смесевого топлива с улучшенными свойствами.

3.3 Методика определения метиловых эфиров жирных кислот.

3.4 Методика определения содержания неомыляемых веществ.

3.5 Методика определения собственной влаги.

3.6 Методика определения кислотного числа.

3.7 Методика определения йодного числа.

3.8 Методика определения перекисного числа.

3.9. Методика определения числа омыления.

ЗЛО Методика проведения исследований работы дизеля.

4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

4.1 Исследование закономерностей изменения вязкости и плотности биодизельного топлива от температуры.

4.2 Влияние различных факторов на протекание метанолиза.

4.2.1 Влияние мольного соотношения «масло-спирт» на выход и характеристики биодизельного топлива.

4.2.2 Влияние концентрации катализатора на выход и характеристики биотоплива.

4.2.3 Влияние температуры на выход и характеристики биодизельного топлива.

4.2.4 Влияние содержания свободных жирных кислот и воды на выход и характеристики биодизельного топлива.

4.2.5 Влияние коэффициента заполнения аппарата ферромагнитными частицами на выход биодизельного топлива.

4.3 Деструкция и изменение физико-химических свойств сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот при термическом воздействии на растительное сырьё.

5. Экономическое обоснование результатов исследований.

5.1 Экономическая эффективность применения смесевого топлива

Постоянное повышение цен на нефтяное топливо отрицательно сказывается на экономике сельхозтоваропроизводителей. Моторное топливо сегодня самый дорогой ресурс, стоимость которого только в производстве продукции растениеводства ежегодно увеличивается на 15-18 % и в структуре ее себестоимости превышает 20 % [1,2]. Поэтому в «Концепции развития аграрной науки.» [3] отмечено, что одним из приоритетных направлений является использование смесевого топлива для дизельных двигателей с биодобавками из возобновляемых источников энергии.

В соответствии с ГОСТ Р 52808-2007 [4] под дизельным смесевым топливом понимается топливо, изготовляемое путем смешивания дизельного и биодизельного топлива, а под биодизельным топливом - сложный метиловый эфир с качеством дизельного топлива, получаемый из масла растительного или животного происхождения и используемого в качестве топлива.

Практическое использование дизельного смесевого топлива в России стало официально разрешенным после разработки ГОСТ Р 52368-2005 [5], допускающего присутствие в дизельном топливе метиловых эфиров жирных кислот (до 5 %).

Промышленный выпуск дизельного смесевого топлива планируется освоить в 2010 году. Однако в настоящее время в России нет ни одного предприятия по производству биодизельного топлива.

В соответствии с санитарными нормами с 2010 г. моторные топлива должны соответствовать требованиям экологического стандарта «ЕВРО-4», с 2013 г. - «ЕВРО-5» [6]. Применение дизельного топлива с содержанием серы меньше 0,035 %, имеющего худшие смазывающие свойства, приведет к существенному увеличению износа плунжеров насоса высокого давления и снижению срока безотказной работы других агрегатов топливной аппаратуры. Необходимо вводить присадки в топлива, улучшающие их смазывающие свойства, но в России такие присадки пока еще серийно не производятся.

На данный момент имеется сравнительно небольшое количество работ, посвященных разработке технологий непрерывного» получения' биодизельного топлива, противоречивость, которых^ к тому же не позволяет однозначно использоватьрезультатыизвестныхисследований для:практического пользования.

Доступных сведений о технологиях непрерывного получения дизельного смесевого топлива.еще меньше. Поэтому цель настоящей работы — разработка эффективной технологии непрерывного получения дизельного смесевого топлива, улучшающего эксплуатационные и экологические показатели автотракторных дизелей.

Актуальность и перспективность выбранного направления исследований несомненны — оно включено в перечень критических технологий Российской Федерации среди приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России, утвержденных Президентом Российской Федерации 30 марта 2002 г. № Пр-576.

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 и приборы для хранения сельскохозяйственной техники и эффективного использования моторного топлива и смазочных материалов», а также с планом НИР ГНУ ВНИИ-ТиН Россельхозакадемии по заданию 09.03.07.03 «Разработать технологию производства биотоплива из растительных масел».

Внедрение, эффективной: технологии получения дизельного смесевого топлива: с улучшенными свойствами позволит регионам самостоятельно'решать свои энергетические проблемы, а в целом — трансформировать растениеводство из основного? потребителя дизельного? топлива, в его главного производителям а! также: существенно: экономить углеводороды нефти,, являющиеся ценным сырьем для химической промышленности.

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.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработана технология непрерывного получения дизельного смесе-вого топлива с улучшенными свойствами.

2 Технологическая эффективность аппаратов с вращающимся электромагнитным полем складывается из целого ряда факторов, одновременно оказывающих положительное воздействие на обрабатываемые реагенты:

- вращающееся электромагнитное поле намагничивает ферромагнитные частицы, которые взаимодействуют друг с другом, с обрабатываемыми реагентами и стенками камеры аппарата;

- в рабочей камере аппарата возникает интенсивная турбулентность, которая приводит к интенсификации массообменых процессов;

- движение в рабочей камере аппарата большой массы ферромагнитных частиц сопровождается их интенсивным столкновением с выделением энергии, формирующей заряды на ферромагнитных частицах; каждая частица представляет собой своеобразный микроэлектролизер, непрерывная работа которых насыщает рабочую камеру аппарата ионами различной полярности, что способствует ускорению реакций.

Все вышеперечисленные факторы (формирующие интегральный технологический эффект) обуславливают наличие в таких аппаратах еще не известных явлений, которые способствуют резкой интенсификации химико-диффузионных процессов и повышению их эффективности.

3 Получены кинетические зависимости процесса метанолиза при им-пульсно-кавитационном воздействии ферромагнитных частиц на реагенты в аппарате с вращающимся электромагнитным полем. С помощью построенной модели установлено, что реакция протекает сначала в диффузионной, а затем в кинетической области. Основными факторами, влияющими на процесс биоконверсии растительного сырья в биотопливо при наложении вихревого электромагнитного поля в присутствии ферромагнитных частиц, является снижение энергии активации реакции и интенсификация перемешивания.

4 Анализ результатов исследований полнометражного дизеля показывает практическую возможность существенного улучшения его экологических показателей при работе на смесевом топливе: уменьшение эффективной мощности дизеля на номинальном режиме не превышает 1 %; возрастание часового и удельного эффективного расходов не превышает, соответственно, 1,9 % и 2,6 %, а содержание углеводородов в отработавших газах уменьшается более чем на 8 % по отношению к работе на товарном дизельном топливе; уменьшение выбросов СО в отработавших газах превышает 20 %; снижение дымности доходит до 40 %.

5 Наилучшие эксплуатационные, экологические и экономические результаты получены при использовании смесевош топлива, состоящего из 25 % биодизеля и 75 % дизельного топлива. Экономическая эффективность от использования такого смесевого топлива только на одном тракторе составляет около 19000 рублей в год.

1. Нагорнов, С.А. Повышение качества хранения светлых нефтепродуктов Текст. / С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, А.Н. Зазуля, И.Г. Голубев. -М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. 256 с.

2. Нагорнов, С.А. Повышение эффективности работы нефтехозяйств в АПК. Научное издание Текст. / С.А. Нагорнов, А.Н. Зазуля, C.B. Романцова, И.Г. Голубев. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 168 с.

3. Огарков А. Необходима государственная программа использования возобновляемых источников энергии // Экономика сельского хозяйства России. -2007. -№ 3. -С. 15.

4. Митусова Т.Н., Калинина М.В. Перспективы использования биодизельного топлива // Мир нефтепродуктов. — 2005. № 5. - С. 20-23.

5. Терентьев, Г.А. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов Текст. /Г.А. Терентьев, В.М. Тюков, Ф.В. Смаль. М.: Химия, 1989: - 272 с.

6. Шилова, Е.П. Опыт применения альтернативных видов топлива для автомобильной и сельскохозяйственной техники: Науч. аналит. обзор Текст. / Е.П. Шилова, И.В. Крюков, H.H. Толкачев [и др.]. М.: ФГНУ «Росинфор-магротех», 2006. - 96 с.

7. Девянин, С.Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей Текст. / С.Н. Девянин, В.А. Марков, В.Г. Семенов. -М.: Издательский центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2007. 340 с.

8. Марков, В.А. Работа дизелей на нетрадиционных топливах Текст. /В.А. Марков, А.И. Гайваронский, JI.B. Грехов, H.A. Иващенко. М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008. - 464 с.

9. Федоренко, В.Ф. Результаты испытаний и перспективы эксплуатации дизелей на биотопливе Текст. / В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, С.А. Нагорнов [и др.]: -М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. 136 с.

10. Шилова, Е.П. Биотопливо для автотракторной техники из возобновляемых источников энергии: Аналитическая справка (обзор) Текст. /Е.П. Шилова. -М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2006. 19 с.

11. Федоренко, В.Ф. Использование биологических добавок в дизельное топливо Текст. / В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, С.А. Нагорнов [и др.]: -М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. 52 с.

12. Савельев, Г.С. Производство и использование биодизельного топлива из рапса Текст. / Г.С. Савельев. М.: ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, 2007.-96 с.

13. Нагорнов, С.А. Перспективное топливо для дизельных двигателей Текст. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского 2006. - № 1(3). - С. 212-216.

14. Топливо и смазочные материалы: Учебное пособие / Остриков В.В., Нагорнов С.А., Гафуров И.Д. Уфа: Изд-во Башкирского ГАУ, 2006. - 292 с.

15. Светлые нефтепродукты: способы получения, основные свойства и использование /А.П. Уханов, Ю:В! Гуськов, С.А. Нагорнов, А.Н. Зазуля. -Пенза: РИО ПГСХА, 2008. 203 с.

16. Топливо и смазочные материалы. / В.В. Остриков, С.А. Нагорнов* 0:А. Клейменов, H.H. Тупотилов, С.А. Булавин, C.B. Стребков: Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений. Белгород: Изд-во Белгородской ГСХА, 2008. - 230 с.

17. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости: учебное пособие / В.В. Остриков, С.А. Нагорнов, O.A. Клейменов, В.Д. Прохоренков, И.М. Курочкин, А.О. Хренников, Д.В. Доровских — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. 304 с.

18. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости: Учебное пособие /В.В. Остриков, А.П. Уханов, К.У. Сафаров, С.А. Нагорнов, O.A. Клейменов, В.Д. Прохоренков. -Ульяновск, 2009. — 575 с.

19. Тютюнников, Б.Н. Химия жиров: Учеб. Текст. / Б.Н. Тютюнников. М.: Пищевая промышленность, 1965. - 632 с.

20. Стопский, H.A. Химия жиров и продуктов переработки жирового сырья: Учеб. Текст. / H.A. Стопский. -М.: Колос, 1992.-285 с.

21. Щербаков, В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья Текст. / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов. М.: КолосС, 2003. - 360 с.

22. Паронян, В.Х. Технология жиров и жирозаменителей Текст. / В.Х. Паронян. М.: ДеЛи принт, 2006. - 760 с.

23. Физико-химические свойства топлива из рапсового масла / С.А. Нагорнов, О.В. Матвеев, C.B. Романцова, В.А. Поварова // Энергосбережение в сельском хозяйстве: Тез. докл. Междунар. научн.-техн. конф. (г. Москва, ВИЭСХ, 1998). 4.2.-М., 1998.-С.198-199.

24. Нагорнов, С.А. Битопливо для дизелей Текст. / С.А. Нагорнов, А.А. Макушин, C.B. Романцова, О.В. Матвеев, А.П. Ликсутина, Р.В. Фокин //Автомобильная промышленность. 2006, №10, с. 34-36.

25. Нагорнов С.А., Малахов К.С., Рязанцева И.А. К вопросу о совершенствовании экологических показателей двигателей // Биоэнергетика и проIблемные вопросы ее развития. Сб. научн. тр. ГНУ ВИИТиН. Выпуск 17. — Тамбов, 2009. С. 75-83.

26. Нагорнов С.А., Малахов К.С. Повышение эффективности горения топлива // Биоэнергетика и проблемные вопросы ее развития. Сб. научн. тр. ГНУ ВИИТиН. Выпуск 17. — Тамбов, 2009. — С. 84-89.

27. Нагорнов С.А., Матвеев О.В., Рязанцева И.А. Работа топливной аппаратуры на биодизельном топливе // Биоэнергетика и проблемные вопросы ее развития. Сб. научн. тр. ГНУ ВИИТиН. Выпуск 17. — Тамбов, 2009. — С. 98-100.

28. Уханов, А.П. Результаты экспериментальных исследований дизеля 4411,0/12,5 при работе на биотопливных композициях Текст. / А.П. Уханов,?

29. Бубнов Д.Б. Адаптация дизеля сельскохозяйственного трактора для работы на рапсовом масле: Автореф. дис. на . канд. техн. наук: 05.20.03/ Д.Б. Бубнов Москва, 1996. - 17 с.

30. Пономарев В.Е. Адаптация малоразмерного высокооборотного дизеля 148,2/7,5 с непосредственным впрыском для работы на рапсовом масле: : Автореф. дис. на . канд. техн. наук: 05.04.02/ В.Е. Пономарев Москва, 1998.-16 с.

31. Вальехо П. Испытания дизеля МД-6 при работе на рапсовом масле /П. Вальехо, C.B. Гусаков и др. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2001.-№4.-С. 42-44.

32. Белов В.М. Применение в дизелях топлива растительного происхождения / В.М. Белов, С.Н. Девянин //Научный ж. «Вестник МГАУ»: Техника и технологии агропромышленного комплекса. М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2003. -Вып. 4.-С. 15-21.

33. Barsic N.J., Humke A.b. Performance-and Emissions Characteristics of a Naturally Aspirated Diesel Engine with Vegetable Oil Fuels // SAE Technical Paper Series. 1981.-№810262.-P: 1-10:

34. Humke A.L., Barsic N.J. Performance and Emission Characteristics of a Naturally Aspirated Diesel Engine with Vegetable Oils (Part 2) // SAE Technical Paper Series. 1981. -№ 810955. - 7 p.

35. Baranescu R. A., Lusco J J. Sunflower Oil as a Fuel Extender in Direct-Injection Turbocharged Diesel Engines // SAE Technical Paper Series. 1982. -№ 820260. -P: 1-14.

36. Fort E.F., Blumberg P.N., Staph H.E., Staudt J.J. Evaluation, of Cottonseed* Oil as Diesel Fuel// SAE Technical Paper Series. 1982. - № 820317. - P: 1-18.

37. Vellguth G. Eignung von Pflanzenölen und Pflanzenolderivaten als Kraftstoff fur Dieselmotoren // Grundlagen der Landtechnik. 1982. - Jg. 32. - № 5.-S. 177-186.

38. Goettler HJ., Ziejewski М., Knudson A.M. Performance of a Diesel Engine Operating on Blends of Diesel Fuel and Crude Sunflower Oil at Normal and Elevated Fuel Temperatures // SAE Technical Paper Series. 1985. - № 852087. -P. 1-9.

39. Mazed M.A., Summers J.D., Batchelder D.G. Peanut, Soybean and Cottonseed Oil as Diesel Fuels // Transactions of the ASAE. 1985. - Vol. 28. - № 5. -P. 1375-1377.

40. Schlautman N.J., Schinstock J.L., Hanna M.A. Unrefined Expelled Soybean Oil Performance in a Diesel Engine // Transactions of the ASAE. 1986. — Vol. 29. 1. - P. 70-73, 80.

41. Niehaus R.A., Goering C.E., Savage L.D., Sorenson S.C. Cracked. Soybean Oil as a Fuel for a Diesel Engine // Transactions of the ASAE. 1986. - Vol. 29.-№>3.-P. 683-689.

42. Краснощеков, Н.В. Энергоавтономное сельскохозяйственное предприятие, использующее биологическое топливо из семян рапса /Н.В; Краснощеков, F.C. Савельев // Тракторы и сельскохозяйственный транспорт. Ml: ВИМ- 2000. - С. 148-169.

43. Любарский, В.М. Технические и энергетические аспекты использования семян рапса для производства биодизельного топлива / В.М. Любарский, К.И. Плескис //Тр. Таврической гос. агротехнической академйи. Мелитополь: ТДАТА. -2001. -Т. 17. -Вып. 2. -С. 46-50.

44. Малашенков К.А. Экономическое обоснование применения альтернативного топлива, используемого в сельском хозяйстве для машинно-тракторных агрегатов: Автореф. дис. на . канд. экон. наук: 08.00.05/ К.А. Малашенков — Москва, 2000. 20 с.

45. Слепцов О.Н. Эффективность применения топлив растительного происхождения;в АПК: Автореф. дис. на . канд. техн. наук: 05.20.01/ 0:Н. Слепцов Москва, 2007. — 18 с.

46. Коршунов Д.А. Улучшение эксплуатационных показателей транспортного дизеля путем использования биотоплив на основе рапсового масла: Автореф. дис. на . канд. техн. наук: 05.04.02/ Д.А. Коршунов Москва, 2008. -16 с.

47. Ефанов A.A. Улучшение экологических характеристик дизеля> регулированием состава смесевого биотоплива: Автореф: дис. на . канд. техн. наук: 05.04.02/ A.A. Ефанов Москва, 2008. - 16 с.

48. Хеваге Ч.А. Снижение выбросов сажи малоразмерного высокооборотного» дизеля с непосредственным впрыском путем добавки рапсового масла в топливо: Автореф. дис. на . канд. техн. наук: 05.04.02/ Ч.А. Хеваге -Москва, 1997. 17 с.

49. Федоренко, В.Ф. Развитие биоэнергетики, экологическая и продовольственная безопасность: Науч. изд. Текст. / В.Ф. Федоренко, Д.С. Букла-гин, Н.П. Мишуров [и др.]. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. - 144 с.

50. Kaufman K.R., Ziejewski M. Sunflower Methyl Esters for Direct Injected Diesel Engines // Transactions of the ASAE. 1984. - Vol. 27. - № 6. - P. 16261633.

51. Walter H., Schäfer A. Rapsolfettsauremethylester als Kraftstoff fur Nutz-fanrzeug-Dieselmotoren // ATZ. 1990. - Jg. 92. - № 4. - S. 168-173.

52. Agarwal A.K., Das L.M. Biodiesel Development and Characterization for Use as a Fuel in Compression Ignition Engines // Transactions of the ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2001. - Vol. 123. - № 2. - P. 440447.

53. Федоренко, В.Ф. Состояние и развитие производства биотоплива: Науч. аналит. обзор Текст. / В.Ф. Федоренко, Ю.Л. Колчинский, Е.П. Шилова. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. - 131 с.

54. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития: Науч. аналит. обзор Текст. / Под ред. д.э.н. C.F. Митина М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007.-204 с.

55. Федоренко, В.Ф. Состояние и развитие производства биотоплива: Науч. аналит. обзор; Текст. / В.Ф. Федоренко, Ю.Л. Колчинский, Е.П. Шилова. -М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. 130 с.

56. Орсик, Л.С. Биоэнергетика: мировой опыт и, прогноз развития. Научное издание Текст. / Л.С. Орсик, Н.Т. Сорокин, В.Ф. Федоренко [и др.]. -М.:,ФГНУ «Росинформагротех», 2008. 404 с.

57. Схаляхов, A.A. Производство биотоплива из масел и жиров Текст. / A.A. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой. Майкоп: Изд-во Майкопского ГТУ, 2008.-132 с.

58. Федоренко, В.Ф. Инновационные технологии производства биотоплива второго поколения Текст. / В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, С.А. На-горнов [и др.]. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. - 68 с.

59. Зазуля, А.Н. Получение биодизельного топлива из растительных масел Текст. / А.Н. Зазуля, С.А. Нагорнов, C.B. Романцова, К.С. Малахов // Достижения науки и техники АПК. 2009. - № 12. - С. 58-60.

60. Зелепугин, Д.Ю. Развитие технологий, основанных на использовании сверхкритических флюидов Текст. / Д.Ю. Зелепугин, H.A. Тилькунова, И.В. Чернышова, B.C. Поляков // Сверхкритические флюиды: Теория и практика. 2006. - Т. 1. - № 1. - С. 27-51.

61. Грабов, JI.H. Производство альтернативного биодизельного топлива и перспективы развития Текст. / JI.H. Грабов, А.И. Шматок // Промышленная теплотехника. — 2008. Т.ЗО. - № 1. - С. 60-65.

62. Белов В. Биотопливо из рапса //Сельский механизатор. -2004. -№ 5. -С. 32.

63. Сергачев В. Биодизель шанс для крестьян России // Агромир Черноземья. - 2006. -№ 7. - С. 29-31.

64. Биоэнергетика: перспективы развития // Экономика сельского хозяйства России. 2007. - № 7. - С. 3739:

65. Возможности рапса как альтернативы дизельному топливу // Железные дороги мира. 2003. - № 10. - С. 41-46.

66. Головенчик Е. Зарубежный опыт организации производства и использования дизельного биотоплива на основе продуктов переработки рапсового масла // Агроэкономика. 2005. — № 8. - С. 40-42.

67. Герасименко Е. Солярка с собственного поля // Новое сельское хозяйство. 2003. -№ 3. - С. 46-49:

68. Биотоплива будет больше //Экономика сельского хозяйства России. — 2008. № 3. - С.86-89.

69. Трактор с запахом блинчиков //Агробизнес-Россия. Агробизнес: экономика оборудование - технологии. - 2005. - № 1. - С. 51.

70. Савельев Г.С. Биологическое моторное топливо для дизелей на основе рапсового масла /Г.С. Савельев, Н.В. Краснощеков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2005.- № 10. — С.11-16.

71. Савельев Г.С. Результаты испытаний двигателя ММЗ-243 трактора МТЗ-82 при работе на смеси рапсового масла с дизельным топливом //Сб. тр. научно.-практ.конф. «Переработка рапса на биологическое топливо». Ростов-на-Дону, 2006. - С. 14-18.

72. Рапс /Д. Шлар, Н. Маковских, В. Захаренко и др. М.: ФУАинформ, 1999.-208 с.

73. Жалнин Э.В., Пугачев П.М., Орехов А.П. Технология возделывания семян рапса и их переработки в биотопливо // Техника и оборудование для села. 2008. - № 7. - С. 20-24.

74. Результаты испытаний и перспективы эксплуатации дизелей на биотопливе / В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, С.А. Нагорнов, А.Н. Зазуля, И.Г. Голубев, А.П. Ликсутина. -М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. 136 с.

75. Топливо и смазочные материалы: Учебное пособие / Остриков В.В., Нагорнов С.А., Гафуров И.Д. Уфа: Изд-во Башкирского ГАУ, 2006. - 292 с.

76. Система использования техники в сельскохозяйственном производстве. /Под ред. акад. Россельхозакадемии Н.В. Краснощекова М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2003. — 520 с.

77. Статистические материалы и результаты исследований'развития, агропромышленного производства России-М.: Изд-во-РАСХН, 2008.-28 с.

78. Смирнова М. Перспективы комплексного использования рапса (зарубежный и отечественный опыт) // Международный сельскохозяйственный журнал.'- 1996. -Ко 1. С. 50-52.

79. Производство моторного топлива из семян рапса / Евич П., Шедива 3., Порев И.А'., Лисина С.Ю. // Техника в сельском хозяйстве. 1996. -№ 5. — С. 31-32.

80. Schwab A.W., Bagby М.О., Freedman В. Preparation and Properties of Diesel Fuels from Vegetable Oils // Fuel. 1987. - Vol. 66. - № 10. - P. 13721378.

81. Vellguth G. Eignung von Pflanzenölen und Pflanzenolderivaten als Kraftstoff fur Dieselmotoren // Grundlagen der Landtechnik. 1982. - Jg. 32. - № 5.-S. 177-186.

82. Lee K.T., Foglia T.A., Chang K.S. Production of Alkyl Ester as Biodiesel from Fractionated Lard and Restaurant Grease // JAOCS. 2002. - Vol. 79. -№2.-P. 191-195.

83. Ikilic C., Yucesu H. Investigation of the Effect of Sunflower Oil Methyl Esther on the Performance of a Diesel Engine // Energy Sources. 2006. — Vol. 27.-№ 13.-P. 1225-1234.

84. Myo-Т., Hamasaki K., Kinoshita E., Kitte M. Diesel Combustion Characteristics of Coconut Oil Methyl Ester // Transactions of the JSME. Ser: B. -2006.-Vol. 72. -X» 715. - P. 846-851'.

85. Нагорнов С.А. Анализ направлений разработки перспективных технологий и аппаратурного оформления для производства биотоплива //

86. Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий: Сборник научных трудов /Тамб. гос. техн. ун-т Тамбов: Издательство ТГТУ, 2008. - с. 17-22.

87. Miyamoto N. Present Status and Future of Alternative Fuel Engines // Nihon Jidosha gijutsu. 2000. - Vol. 47. - № 3. - P. 35-41.

88. Промтов Мг.А. Пульсационные аппараты»роторного типа: теория и практика. М.: Машиностроение-1, 2001. - 260 с.

89. Червяков В.М., Юдаев В.Ф. Гидродинамические и кавитационные явления в роторных аппаратах. -М.: Машиностроение-1, 2007. 128 с.

90. Данилов A.M. Альтернативные топлива: достоинства и недостатки. Проблемы применения /A.M. Данилов, Э.Ф. Каминмкий, В.А. Хавкин // Российский химический журнал. 2003. - Т. XLVII. - № 6. - С. 4-11.

91. Field Endurance Test of Diesel Engines Fueled with Sunflower Oil /TJ. German, K.R. Kaufman, G.L. Pratt, J. Derry // Diesel Fuel Blends: SAE Technical Paper Series. 1985. -№ 850239. - P. 1-13.

92. Ли Р.И. Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт автомобилей. Учебное пособие по выполнению курсового проекта. Мичуринск: Мич ГПИ, 2006. - 53 с.

93. Varde K.S. Soy Oil Sprays and Effects on Engine Performance // Transactions of the ASAE. 1984. - Vol. 27. - № 2. - P. 326-330, 336.

94. Schneider-H.J. Treibstoff vom Feld:. Alternative Antriebe:. Bio-Masse Ermöglicht einen Geschlossenen Kohlendioxid-Kreislauf // ACE Lenkrad. 1991. - Jg. 38.-№9.-S. 29-31.