Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологические основы получения биодизельного топлива. Методические указания
.pdf
1
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ
БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Методические указания
Казань
Издательство КНИТУ
2018
2
УДК 665.75(07)
Т38
Технологические основы получения биодизельного топлива :
методические указания / сост. : Р. А. Усманов [и др.]; Минобрнауки
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ,
2018. – 48 с.
ББК 35.51я7
Т38
Печатаются по решению методической комиссии
механического факультета
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. С. А. Бурцев
канд. техн. наук, доц. А. А. Назаров
Составители:
Р. А. Усманов, С. В. Мазанов,
А. Р. Габитова, Ф. М. Гумеров
Рассмотрен процесс получения биодизельного топлива с использованием суб- и сверхкритических флюидных сред. Особое внимание уделено
анализу получаемого продукта.
Предназначены для бакалавров направления подготовки 13.03.01
«Теплоэнергетика и теплотехника», изучающих дисциплину «Технологические основы получения биодизельного топлива».
Подготовлены на кафедре «Теоретические основы теплотехники».
УДК 665.75(07)
ББК 35.51я7
3
Правила техники безопасности
1. Перед проведением лабораторной работы необходимо
усвоить содержание поставленной задачи экспериментального
исследования, ознакомиться с основами теории изучаемого явления и
физической сущностью измеряемых величин.
2. Включение и выключение лабораторной установки производится преподавателем.
3. Во избежание несчастных случаев запрещается заходить за
имеющиеся ограждения, трогать приборы, расположенные за лицевой
частью установки, облокачиваться на приборы.
4. Запрещается оставлять без надзора включенную установку.
5. В процессе выполнения работы необходимо строго
выдерживать указанную в данных методических указаниях
последовательность операций и заданные режимы.
6. Результаты измерений в каждом режиме необходимо показать
преподавателю и только после этого переходить к следующему
режиму.
7. Ознакомившись с правилами по технике безопасности,
расписаться в журнале.
Оценка погрешности эксперимента
Все измерения можно разделить на прямые и косвенные.
Прямые измерения производятся с помощью специальных приборов,
градуированных в единицах искомых величин. Например, при
измерении температуры с помощью термометра – в градусах Цельсия.
При косвенных измерениях значения искомой величины находятся на
основе прямых измерений физических величин, связанных с искомой
величиной функциональной зависимостью
y = f (x1, x2, ...). (1)
При проведении экспериментов часто искомая величина
непосредственно не измеряется. Она рассчитывается по
соответствующим формулам, а величины, входящие в эти формулы,
измеряются в опыте. Так, например, для определения конверсии
растительного масла в биодизельное топливо:
К=V
эф.
/(V
эф.
+V
непр.м.
)·100 %, (2)
4
необходимо определить объем эфиров и непрореагировавшего масла с
%.100
x
%.100
n
x
помощью мерных колб. Измерение этих объектов осуществляется с
некоторой погрешностью, поэтому точность определения конверсии
масла в биодизельное топливо имеет определенную погрешность.
Источниками погрешности измерений являются погрешности
приборов, несовершенство методики измерения, недостаточно строгое
поддержание требуемого режима, а также отдельные ошибки,
зависящие от самого экспериментатора. Погрешности подразделяются
на систематические, случайные и промахи.
Систематическими называются погрешности, остающиеся
постоянными или изменяющиеся по определенному закону. Сюда
относят погрешности приборов и ошибки методики измерения.
Случайными называются погрешности, принимающие при
повторных измерениях различные взаимно несвязанные значения.
Промахами называют грубые ошибки, допущенные в процессе
измерения, существенно превышающие систематические или
случайные погрешности, объясняемые объективными условиями
измерения. Причинами промахов являются чаще всего ошибки
наблюдателя или неисправности средств измерения.
Погрешности могут быть абсолютными в единицах измеряемой
величины, относительными и приведенными. Абсолютной
погрешностью измерения ∆ называют алгебраическую разность между
значениями х, полученными при измерении, и истинными значениями
Х определяемой величины, то есть
∆ = х – Х.
Относительной называют погрешность, выраженную в
процентах или долях от значений измеряемой величины:
(3)
Приведенной называют погрешность γ, выраженную в
процентах от какого-либо нормирующего значения Х
, чаще всего от
N
диапазона измерения, определяемого рабочей частью шкалы прибора:
(4)
5
Качество измерительного прибора оценивается классом
n
n
2
2
1
1
dx
x
W
+...+dx
x
W
+dx
x
W
=dW
n
n
x
x
W
W
x
x
W
W
x
x
W
WW
W
W
1
...
11
2
2
1
1
,...
22
2
2
1 n
xxxW
точности. Чаще всего класс точности принимается равным
допустимой приведенной погрешности. В случае, когда класс
точности прибора неизвестен, при определении относительной
погрешности абсолютная погрешность ∆ принимается равной
половине цены деления прибора.
Выясним, как будут влиять погрешности измерения отдельных
величин на погрешность искомой величины. Пусть искомая величина
W является функцией нескольких величин (х1, х2, …, х
), измеряемых
n
непосредственно в опыте:
W = f (х
Если бы ошибки в измерении х1, х2, …, х
, х2, …, х
1
). (5)
n
были бесконечно
n
малыми, то погрешность в расчете величины определялась бы ее
полным дифференциалом:
. (6)
В действительности погрешности в измерениях х1, х2, …, х
n
будут конечными величинами, поэтому максимально возможная
относительная ошибка определяется как
В соответствии с теорией погрешностей, принимая закон
распределения погрешностей измеряемых величин нормальным,
искомая величина относительной погрешности определяемой функции
W = f(х1, х
где 𝛿х
х
, которые измеряются при определении искомой величины W.
n
1
, 𝛿х
, …, х
2
, …, 𝛿х
2
) находится как среднеквадратическая:
n
– относительные погрешности величин х
n
. (7)
(8)
, х2, …,
1
6
Лабораторная работа 1
Получение биодизельного топлива в СКФ условиях
на установке периодического типа
Цель работы: освоить методику получения спиртовых эфиров
жирных кислот на экспериментальной установке, реализующей
статический метод исследования.
Задание
1. Ознакомиться с основами теории получения биодизельного
топлива, способах ускорения реакции переэтерификации. Изучить
устройство экспериментальной установки получения биодизельного
топлива в периодическом режиме.
2. Рассчитать необходимые объемные расходы подаваемых в
реактор компонентов в зависимости от исходного мольного
соотношения.
3. Провести серию экспериментов по получению спиртовых
эфиров жирных кислот из растительного масла.
4. Рассчитать конверсию триглицеридов жирных кислот
(ТЖК) в биодизельное топливо на основе «метода промывки».
5. Выявить зависимость изменения выхода получаемых
эфиров жирных кислот с течением времени проведения реакции.
6. Составить отчет о выполненной работе, который должен
содержать: название работы, цель, схему экспериментальной
установки, опытные данные и их обработку, выводы.
Основы теории
Биодизельное топливо – это топливо, состоящее из
моноалкильных эфиров жирных кислот, получаемое реакцией
переэтерификации от химически реагирующих растительного масла
или животного жира со спиртами, такими как метанол и этанол. Как
правило, переэтерификация – реакция между триглицеридами жирных
кислот и спиртом, которая состоит из трех последовательных и
обратимых реакций, где формируются диглицериды жирных кислот и
моноглицериды жирных кислот в качестве промежуточных продуктов
(рис. 1).
7
Рис. 1. Реакция переэтерификации триглицеридов жирных кислот
В этой реакции, одна из алкоксильных групп в триглицеридах
жирных кислот заменяется другой алкоксильной группой в спирте для
формирования нового сложноэфирного соединения, которым является
алкиловый эфир жирной кислоты (RCOOСН3). После того, как
заменяются все три алкоксильные группы, имеющиеся в
триглицеридах жирных кислот, формируются три моля алкиловых
эфиров жирных кислот и один моль молекулы глицерина. Поскольку
эти реакции обратимы, то большее количество спирта, чем требуется по стехиометрии уравнения, приводит к сдвигу равновесия
реакции в сторону получения большего количества эфиров жирных
кислот.
Различные технологии, применимые для получения биодизель-
ного топлива, зависят от используемого в производстве сырья:
растительного масло (рапсовое, подсолнечное, пальмовое, соевое и
пр.), животных жиров, микроводорослей.
В качестве спиртовой составляющей чаще всего используют
метиловый или этиловый спирты.
Достоинства биодизельного топлива в его нетоксичности,
биоразлагаемости и получении из возобновляемых ресурсов. Кроме
того, биодизельное топливо обладает более высоким цетановым
числом, по сравнению с дизельным нефтяным топливом и низким
содержанием выбросов продуктов сгорания, таких как оксиды
8
углерода, азота. Благодаря этим экологическим составляющим,
решающие экологическую проблему, а также в связи с освобождением
от зависимости на импортные потребности, можно ожидать, что
биодизельное топливо способно стать хорошей альтернативой
нефтяному дизельному топливу.
Традиционный и промышленно осуществленный метод
получения биодизельного топлива с каталитической (гомогенный
катализ) реакцией переэтерификации в своей основе, реализуется в
температурном диапазоне 60–67
о
С при атмосферном давлении и
мольном соотношении спирт/масло 6:1 (рис. 2а).
Длительность реакции, изменяющаяся в интервале τ = 1–20 ч,
определяется прежде всего природой катализатора (кислотный
или щелочной). К основным недостаткам этой технологии относятся излишняя длительность процесса, формирование нежелательных продуктов омыления, необходимость очистки продукта
реакции от катализатора и побочных продуктов, а также громозд-
кость используемого оборудования. Перечисленное достаточно
существенно снижает рентабельность процесса получения биодизельного топлива, что в итоге формирует себестоимость, на
10–15 % превышающую себестоимость нефтяного дизельного
топлива.
Одним из путей решения вышеотмеченных проблем являет-
ся осуществление обсуждаемой реакции в сверхкритических
флюидных (СКФ) условиях для реакционной смеси (рис. 2b).
Сверхкритическому флюидному состоянию присущи достоинства
жидкого состояния (высокие значения плотности и связанной
с ней растворяющей способности) и газообразного (низкая вязкость
и высокая диффузионность). При небольших изменениях температуры или давления в асимптотической близости к критической
точке [Т = (1,0–1,1)Ткр, ρ = (0,7–1,3)ρ
] плотность СКФ среды
кр
значимо меняется, меняя ее растворяющую способность в широких
пределах, а низкие значения вязкости, на 1–2 порядка меньшие
той, что характерны для жидких органических растворителей,
существенным образом улучшают скорости тепло- и массопереноса. Подобные свойства благоприятны для осуществления химических реакций, процессов экстракции, разделения и фракционирования.
9
а
b
Рис. 2. Схема получения биодизельного топлива: а – по традиционному способу; b – в сверхкритических
флюидных условиях реакционной смеси
10
Технология с использованием СКФ сред может быть дополнена
рядом модифицирующих факторов, таких к примеру, как
ультразвуковое эмульгирование реакционной смеси, использование
сорастворителя среды реакции, гетерогенного катализатора,
проточного реактора, оптимального принципа его нагрева и др.
Процесс в СКФ условиях, как правило, менее требователен к качеству
исходного сырья, менее стадиен (рис. 2b), установки малогабаритны,
приемлемая конверсия масел/жиров в биодизельное топливо может
быть достигнута в течение нескольких или десятков минут.
Вместе с тем, существует ряд проблем, в частности, связанных с
высокими параметрами проведения процесса (P = 25–40 МПа,
Т > 513 К) в этом случае и высокими мольными соотношениями
спирт-масло (40:1 и выше), которые не способствуют достижению
желаемой рентабельности промышленной реализации.
Оборудование
Схема экспериментальной установки периодического действия
по получению биодизельного топлива в сверхкритических флюидных
условиях представлена на рис. 3. Установка характеризуется
возможностью осуществления химической реакции при температурах
до 800 К и давлениях до 60 МПа.
Экспериментальная установка включает в себя системы
создания давления, а также регулирования и измерения температуры
автоклава.
Система создания давления состоит из реакционного автоклава
(1) и 1,6 кВт муфельной печи (2) марки Т–40/600. Муфельная печь
предварительно нагревается до температуры на 50–100 градусов выше
температуры проведения опыта. Ячейка заполняется смесью масла и
спирта в той степени, что исключает присутствие воздуха в
реакционном автоклаве. Заправленная ячейка помещается в
муфельную печь. За счет изохорного нагревания смеси реагентов
формируется необходимое давление в автоклаве.
Система измерения температуры включает в себя хромель-
алюмелевую термопару и универсальный измерительный прибор
ОВЕН ТРМ-101. Регулирование и поддержание температуры процесса
обеспечивается термостатом муфельной печи. Точность поддержания
температуры составляет ±1 K. Горячий спай абсолютной термопары
проведен внутрь реактора. Система измерения давления включает в
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]