Введение

Биодизель в последнее время получил большое значение в его способности заменить ископаемые виды топлива. Экологические вопросы, связанные с выхлопами газов при использовании ископаемых видах топлива, были решены благодаря тем, что биодизель оказался гораздо более экологичный, чем ископаемое топливо. Биодизель представляет собой смесь моно-алкильных эфиров, полученных из соевого, ятрофного, рапсового, пальмового, подсолнечного, кукурузного, арахисового, рапсового и хлопкового масел. Помимо растительных масел, биодизель может быть получен из других источников, таких как жир животных (говяжий жир, сало), отработанного масла, жиров и водорослей. Метод с использованием всех вышеперечисленных источников был запатентован Фолья и соавт. (1998), утверждая, что процесс будет экономически эффективным, так как он использует недорогое сырье.

Непосредственное использование растительных масел в качестве биодизельного топлива можно путем смешивания их с обычным дизельным топливом в соответствующей пропорции. Но прямое использование этих масел является неудовлетворительным и непрактичным для долгосрочной эксплуатации в доступных дизельных двигателей в связи с высокой вязкостью, кислотными загрязнениями, свободными жирными кислотами в результате, которого формируется смола окисления, полимеризация и отложения углерода. Таким образом, растительные масла, обрабатываются так, чтобы получить свойства похожие на свойства ископаемого топлива. В основном используется три метода обработки для преобразования растительного масла, пиролиз, микроэмульгирование и переэтерификация. Пиролиз относится к химическим изменениям, вызванных воздействием тепла. Микроэмульгирование, которое включает в себя дизельное топливо, растительные масла, спирт, поверхностно-активных веществ и улучшитель цетанового числа в соответствующих пропорциях. Спирты, такие как метанол, этанол и пропанол используются в качестве добавок для снижения вязкости, высшие спирты используются в качестве поверхностно-активных веществ и алкил нитраты используются как улучшители цетанового числа. Самый популярный способ получения биологического дизельного топлива - переэтерификация растительных масел. Биодизель полученный путем переэтерификации смесь моно-алкильных эфиров высших жирных кислот. Смесь этих моно-алкильных эфиров используется в качестве замены ископаемого вида топлива.

Анализ выполненной работы

Исследования гидродинамики

После выбора конструкции биореактора и схемы его подключения, как показано на рисунке 1, были проведены исследования гидродинамики.

Рис.1. Схема установки

Внимание обращалось на поведение масло-спиртовой смеси в прозрачной трубке 5 с переменным по длине сечением. Размеры указаны на рисунке 2.

Рис.2. Трубка

По методике производства биодизеля расходы масла и спирта отличаются в 10 раз, например, если расход масла равен 30 мл/мин, то спирта – 3мл/мин

Описание экспериментальной установки

Перильстатические насосы 3 нагнетают жидкости из емкостей 1 и 2. Далее жидкости поступают в Т-образный смеситель. Регулировка расходов осуществляется кнопками на насосах. После смешивания смесь поступает в трубку 5. С помощью фотоаппарата ведется фотосъемка наблюдаемого в трубке 5 режима течения. Пройдя трубку, смесь поступает в приемный сосуд 6. Демпферы 4 служат для сглаживания пульсаций, которые создаются при нагнетании, особенно, при больших скоростях вращения роликов насоса.

Рис. 3. – Снимок режима течения в трубке

После исследования гидродинамики в системе жидкость-жидкость, в систему была добавлена твердая фаза – частицы с иммобилизованным ферментом. Для того чтобы фермент не уносился потоком смеси, в трубке были установлены сетки на входе и выходе. Это видно на рисунке 2. Исследования 3-ех фазной системы проводились также как и двухфазной системы.

Интенсификация массопереноса в биореакторе

Для интенсификации процесса массопереноса уже была выбрана сама конструкция биореактора., т.к. жидкость, несущая частицы с ферментом, меняет свою скорость также как и частицы меняют скорость движения, то отставая от быстро движущейся жидкости в узком сечении, то опережая медленно текущую жидкость в широком сечении. Вследствие инерции частицы создается дополнительная скорость обтекания, которая должна сыграть роль в ускорении процесса массообмена. К дополнению этого еще было предложено использовать перемену направления движения потока жидкости в трубке. В процессе движения частиц с ферментом в потоке жидкости имеют свойство слипания между собой, образовывая “комки”, тем самым снижается площадь поверхности контакта фаз, что ухудшает массоперенос. Перемена направления скорости решает эту проблему.

Теоретическое изучение нестационарного массообмена в данных условиях наталкивается на значительные трудности, как это обычно бывает при исследовании нестационарного пограничного слоя в сложных гидродинамических условиях. Увеличение скорости движения жидкости, равно как и увеличение размера частиц, должно привести к относительному возрастанию коэффициента массоотдачи. В первом случае возрастает перепад скоростей между разными сечениями, во втором – инерционность частиц. Разумеется, скорость движения жидкости должна быть выше скорости взвешивания, при равенстве этих скоростей невозможно применение метода, а эффект увеличения массообмена равен нулю.

Если частица пребывает в потоке жидкости, изменяющей направление скорости, то при этом возникает скорость обтекания, связанная с инерцией частицы. Кратковременное участие частицы в потоках, имеющих различное направление и величину скорости, приводит к тому, что частица всегда отстает от жидкости или опережает ее, благодаря чему появляется переменная во времени скорость обтекания.

Подводя итоги, интенсификация процесса массопереноса будет производиться двумя методами, формой биореактора и изменением направления скорости потока жидкости с частицами с иммобилизованным ферментом.