Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологические основы получения биодизельного топлива. Методические указания
.pdf
31
Рис. 2. Зависимость коэффициента α2 от частоты вращения
четырехлопастной мешалки в пленочном испарителе
Немаловажным фактором в оценке качества самого биодизельного топлива является его вязкость – свойство текучих тел
(жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их
части относительно другой. Вязкость биодизельного топлива имеет
большое значение при проектировании оборудования для процессов
синтеза и использования биотоплива в дизельных двигателях. В
отношении работы двигателя, топливо с высокой вязкостью, как
правило, образует более крупные капли после инжекции, что может
привести к ухудшению распыления топлива, увеличению отложений в
двигателе, большому энергопотреблению и износу топливного насоса
и элементов форсунок. С другой стороны, топливо с низкой вязкостью
не может обеспечить достаточную смазку насосов впрыска топлива, в
результате возникают утечки и повышенный износ.
Вязкость этиловых эфиров жирных кислот в значительной
степени зависит от их химической структуры. Длина цепи, количество
и положение химических групп, в которых находится двойная связь, а
также характер окисленных фрагментов влияют на вязкость. Она
возрастает с увеличением длины углеродной цепи и уменьшается с
числом двойных связей.
Значение коэффициента кинематической вязкости биодизельно-
го топлива при температуре 40 °С составляет в пределах 3,5–5,0 мм2/с
по ГОСТ 33 или EN ISO 3104. Вязкость образцов биодизельного топлива определяется по методике, согласно ГОСТ 33-2000
(ИСО 3104-94), с помощью капиллярных вискозиметров ВПЖ-2.
Вязкость может быть хорошим способом определения
количественного содержание эфиров жирных кислот. В работе
представлена зависимость содержания этиловых эфиров жирных
32
кислот от коэффициента кинематической вязкости образцов биодизельного топлива, полученных из рапсового масла в сверхкритических флюидных условиях.
Вискозиметрия позволяет следить за конверсией реакции пере-
этерификации с самого ее начала. Вискозиметрия является простым,
быстрым, портативным и недорогим методом, который не требуют
больших начальных инвестиций или специализированного труда.
Оборудование
Для удаления избыточного этанола из продукта реакции
применяется роторный тонкопленочный испаритель с косозубыми
скребками американской фирмы Pope scientific (рис. 3)
Рис. 3. Роторный тонкопленочный испаритель с косозубыми
скребками и змеевиковым конденсатором
33
Принцип действия тонкопленочного испарителя (рис. 4) основан
на понижении температуры кипения упариваемого вещества за счет
создания в системе пониженного давления.
Рис. 4. Схема модернизированного роторного тонкопленочного
испарителя с косозубыми скребками, змеевиковым конденсатором
и электронагревом цилиндра испарителя: 1 – шаговый мотор
с переменной скоростью вращения; 2 – механизм передачи вращения
от мотора к ротору с лопастями; 3 – цилиндр испарителя;
4 – конденсатор; 5 – изоляция; 6 – колба-приемник сбора упаренного
вещества; 7 – колба-приемник отогнанного растворителя
и легкокипящих примесей; 8 – электронагреватель; 9 – регулятор
температуры; 10 – датчик температуры
34
Испаритель состоит из цилиндра испарителя 3 с рубашкой
термостатирования, роторной мешалки с косозубыми скребками с
переменной скоростью вращения 2, змеевикового конденсатора для
конденсации паров спирта 4, колб – приемников для сбора упаренного
вещества 6 и продукта перегонки 7. При поступлении продукта в
цилиндр испарителя 3 при помощи мешалки с косозубыми скребками
2 происходит его растекание в виде тонкой пленки по вертикальной
внутренней стенке корпуса аппарата. Толщина пленки составляет
0,1–0,5 мм в зависимости от скорости вращения ротора. Испарение
легкокипящего компонента (спирта) происходит за счет нагрева
тонкой пленки через корпус цилиндра, оборудованного рубашкой
для подачи теплоносителя в виде нагретой воды. При температуре
75–80 °С при разрежении происходит испарение спирта, пары
которого попутно конденсируясь в конденсаторе 4, стекают в колбуприемник продукта перегонки 7. Отогнанный спирт может быть
отправлен в резервуар для хранения спирта 1 (рис. 3) для повторного
использования в процессе получения биодизельного топлива.
Очищенное биодизельное топливо от избыточного спирта стекает в
колбу-приемник для сбора упаренного вещества 6.
Измерение коэффициента кинематической вязкости получае-
мого продукта реакции переэтерификации проводилось стандартным
стеклянным вискозиметром ВПЖ-2 (рис. 5) с диаметром капилляра
0,56 мм (с диапазоном измеряемого коэффициента кинематической
вязкости от 2 до 10 мм2с
-1
) и 0,73 мм (для диапазона от 6 до 30 мм
2с-1
).
Поток пробы в вискозиметре осуществляется под действием
силы тяжести. Измерение вязкости при помощи капиллярного
вискозиметра основано на определении времени истечения через
капилляр определенного объема жидкости из измерительного
резервуара 4 при прохождении меток М1 и М2.
Используемое сырье
Продукт реакции переэтерификации использовать из сырья,
описанного в лабораторной работе 1.
Проведение опытов
1. Установка включается преподавателем.
2. Измерить объем образца продукта реакции переэтерифика-
ции, полученного в лабораторной работе 2, занести значение (V
таблицу 1 и залить образец в колбу для исходного сырья.
) в
1
35
№ об-
разца
Р,
МПа
Т, К
V
1
,м
3
V
2
,м
3
V
3
,м
3
τ
1
, c
τ
2
, c
τ
3
, c
τ
4
, c
τ
5
, c
1 2
3
4
Рис. 5. Схематическое изображение капиллярного вискозиметра
ВПЖ-2: 1, 2 – колено; 3 – отводная трубка; 4 – измерительный
резервуар; 5, 6 – резервуар; 7 – капилляр; M1 – начальная отметка;
M2 – конечная отметка
Таблица 1. Опытные данные
36
3. Открыть кран для охлаждающей воды, поступающей в
.
1
i
n
змеевик конденсатора 4.
4. Установить температуру нагрева (80 °С) при помощи
регулятора температуры 9 электронагревателя 8.
5. По достижении необходимой температуры, включить
тумблер вакуумного насоса и дождаться установления показаний
манометра в 50 мм рт. ст.
6. Включить ротор с лопастями мешалки.
7. Открыть вентиль подачи исходной смеси в испаритель и
провести эксперимент.
8. После полного разделения исходной смеси выключить
установку.
9. Отобрать пробы из колбы-приемника для сбора упаренного
вещества и колбы-приемника растворителя.
10. Измерить объем полученных проб и занести данные (V2, V3)
в таблицу 1.
11. На вискозиметре ВПЖ-2 при температуре термостатируе-
мой жидкости равной 40 °С и атмосферном давлении провести
измерения времени истечения полученных образцов продукта реакции
переэтерификации в количестве 5 раз для каждого образца и занести
данные в таблицу 1.
Обработка опытных данных
1. Рассчитать коэффициент кинематической вязкости по
формуле
υ = (g∙τ∙K) / 9,807, (2)
где υ – коэффициент кинематической вязкости продукта реакции,
2
мм
/с; g – ускорение свободного падения, м/с2; τ – время истечения
жидкости, с; K – постоянная вискозиметра (К = 0,03 для ВПЖ-2).
По полученным данным вычислить среднее значение
коэффициента кинематической вязкости для каждого образца
(3)
2. Вычислить концентрацию спиртовых эфиров жирных кислот
по формуле (4) на основе средних значений коэффициента
кинематической вязкости продукта реакции
37
С = А∙Ln(υ) + B, (4)
1
, мм
2
/с
2
, мм
2
/с
3
, мм
2
/с
4
, мм
2
/с
С
1
, %
С
2
, %
С
3
, %
С
4
, %
где С – содержание биодизельного топлива в образце, % об;
υ – кинематическая вязкость, мм2/с; А= -51,06; В = 174,44 –
коэффициенты уравнения.
3. Результаты расчетов занести в таблицу 2.
Таблица 2. Расчетные данные
4. Построить график зависимости концентрации эфиров жирных
кислот от продолжительности реакции при данной температуре опыта.
5. Сравнить полученные значения концентрации эфиров
жирных кислот, определенных по «вязкостной корреляции» со
значениями, полученными хроматографическим методом из
лабораторной работы 2.
6. Рассчитать систематическую погрешность определения
коэффициента кинематической вязкости υ.
Контрольные вопросы
1. Способы разделения продукта реакции переэтерификации
от побочных продуктов. Достоинства и недостатки.
2. Вязкость и ее роль в оценке качества биодизельного
топлива.
3. Пленочные испарители. Принцип действия. Преимущества.
4. Схема экспериментальной установки и методика
проведения эксперимента.
5. Методика расчета концентрации эфиров жирных кислот в
продукте реакции по «вязкостной корреляции». Достоинства и
недостатки.
6. Источники погрешностей измерения. Виды погрешностей.
Методика расчета.
38
Лабораторная работа 4
Анализ образцов биодизельного топлива
на ИК-Фурье спектрометре
Цель работы: освоить методику анализа качества получаемых
образцов биодизельного топлива на ИК-Фурье спектрометре
Eraspec.
Задание
1. Изучить устройство и принцип работы ИК-Фурье
спектрометра Eraspec.
2. Проанализировать образцы биодизельного топлива на
ИК-Фурье спектрометре Eraspec.
3. Сравнить полученные результаты с рассчитанными по
«вязкостной корреляции».
4. Составить отчет о выполненной работе, который должен
содержать: название работы, цель, схему экспериментальной
установки, опытные данные и их обработку, выводы.
Основы теории
Определение состава биодизельного топлива необходимо для
оценки его соответствия международным стандартам качества
(ASTM D6751 и EN14214).
Для оценки состава биодизельного топлива применяются
различные методы: хроматография, спектроскопия, вискозиметрия,
титрование и др.
Наиболее точными методами определения состава биодизель-
ного топлива являются методы хроматографии, методы ядерного
магнитного резонанса и инфракрасной спектрометрии.
Имеются и другие способы оценки, такие как тонкослойная
хроматография без детектора, вискозиметрия, титрование и
термогравиметрический анализ для вычисления конверсии, которые
являются более дешевыми и быстрыми. Но эти методы не позволяют
провести покомпонентный анализ продукта.
Хроматографические методы. Методы хроматографии
являются наиболее часто используемыми, т.к. они позволяют
39
осуществить комплексный анализ продукта и получить подробную
%,100
3
МЭЖК
масло
масло
МЭЖКпрод
МЭЖК
M
М
m
Wm
С
информацию о его составе и качестве.
Хроматографические методы используются для определения
покомпонентного состава биодизеля и делятся на тонкослойную
хроматографию, жидкостную хроматографию, гель-проникающую
хроматографию и газовую хроматографию.
Тонкослойная хроматография (ТСХ) является наиболее простым
из хроматографических методов. Преимуществом этого метода
является то, что он позволяет оценить не только сложные эфиры
жирных кислот, но и три-, ди- и моноглицериды. Кроме того,
требуется довольно мало времени для анализа – 30 образцов могут
быть проанализированы за 2–3 часа. Однако этот метод имеет низкую
точность и чувствителен к наличию влаги. Более того, анализ только
качественный и не позволяет точно определить конверсию.
Газовая хроматография (ГХ) является наиболее часто
используемым способом из-за его высокой точности для
количественной оценки основных и побочных компонентов продукта
реакции.
Была разработана методика ГХ для оценки количества эфиров
жирных кислот, три-, ди- и моноглицеридов в реакции
переэтерификации соевого масла. В этом методе, перед выполнением
анализа, моно- и диглицериды должны быть силилированы
N,O-бис(триметилсилил) трифторацетамидом.
Также содержание, к примеру, МЭЖК может быть определено с
помощью газового хроматографа SP-2100, снабженного детектором
пламенной ионизации и капиллярной колонкой HJ ПЭГ-20 М.
В качестве газа-носителя использовались азот, в качестве горючего
газа – водород и воздух. Метил салицилат был использован в качестве
внутреннего стандарта и этилацетат в качестве растворителя. Выход
МЭЖК был рассчитан по следующей формуле:
где W
помощью ГХ; m
- массовая концентрация МЭЖК в продукте, определенная с
МЭЖК
– масса биодизельного топлива; m
прод
рапсового масла, использованного в реакции; M
(1)
– масса
масло
– средняя
масло
40
молярная масса триглицеридов; M
– средняя молярная масса
МЭЖК
МЭЖК в продукте.
Количество этиловых эфиров определяли с помощью газовой
хроматографии. Газовый хроматограф оснащен детектором пламенной
ионизации и капиллярной колонкой (Teknokroma SupraWax-280 с
размерами 30 м × 0,32 мм × 0,25 мкм). Гелий был использован в
качестве газа-носителя, метил гептадеканоат был использован в
качестве внутреннего стандарта.
Жидкостная хроматография (ЖХ). Основным преимуществом
жидкостной хроматографии (ЖХ) в отличие от ГХ является простота
подготовки образца и то, что внутренний стандарт не требуется. Ранее
ЖХ проводили с помощью метода гравитационного потока, используя
колонку диаметром более 150–200 мм, заполненную стеклянными
твердыми частицами и адсорбированной жидкостью в качестве
неподвижной фазы. Хорошо известно, что коэффициенты полезного
действия колонок могут быть значительно улучшены за счет
уменьшения размера насадочных частиц, что приводит к новой
сложной технологии с использованием колонки с насадочными
частицами, имеющими диаметр не более 3–10 мм и прибор работает
при высоком давлении. Затем ее назвали высокоэффективная
жидкостная хроматография (ВЭЖХ), чтобы отличить эту новую
технологию с оригинальным методом гравитационного потока.
В настоящее время все виды жидкостной хроматографии
работают при высоком давлении, и ВЭЖХ и ЖХ взаимозаменяемы.
ВЭЖХ способна проанализировать меньше характеристик био-
дизельного топлива, но время анализа короче, чем при ГХ. Более того,
этот метод может быть применен к биодизельному топливу из
различного сырья и больше подходит для анализа смесей. Среди
существующих детекторов для ВЭЖХ анализа – испарительный
детектор светорассеяния вполне подходит для анализа биодизельного
топлива.
Существует методология распределения плотности, что
позволяет определять общее содержание три-, ди- и моноглицеридов и
эфиров жирных кислот в образцах биодизельного топлива. Анализы
можно проводить с помощью муфт из циано-модифицированного
диоксида кремния с двумя колонками для гель-проникающей
хроматографии и изократическим элюентом (хлороформ/этанол
0,6 %). Этот метод прост и надежен. Метод ВЭЖХ оказался простым,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]