На правах рукописи
ПАВЛОВ Сергей Сергеевич
ПОЛУЧЕНИЕ БИОДОБАВОК ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ
ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Специальность 05.20.03
Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Мичуринск-наукоград 2013
Работа выполнена в государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии).
Научный руководитель:
|
доктор технических наук, профессор
Нагорнов Станислав Александрович
|
Официальные оппоненты:
|
Манаенков Константин Алексеевич,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой «Машиностроение и технический сервис»
Улюкина Елена Анатольевна,
доктор технических наук, доцент,
«Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина», заведующая кафедрой «Химия»
|
Ведущая организация:
|
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГБНУ
«Росинформагротех»)
|
Защита диссертации состоится 22 ноября 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет».
Автореферат размещен на сайтах www.vak.ed.gov.ru, www.mgau.ru
Отзывы в двух экземплярах, заверенные и скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 393760, Тамбовская область,
г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 220.041.03.
Автореферат разослан _____________2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В.Ю. Ланцев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Проблемы истощения запасов нефти, необходимых для производства моторных топлив, наряду с глобальным загрязнением окружающей среды, существенная негативная роль в котором принадлежит двигателям внутреннего сгорания, становятся наиболее значимыми для человечества. Ситуация значительно ухудшится вследствие быстрого роста (в 3 раза к 2050 г.) автомобильного и машинотракторного парка, среди которых преобладает техника с дизельными двигателями. Из-за опережающего спроса на моторное топливо будет неизбежно возрастать дефицит нефти, который по оценкам специалистов уже к 2025 г. превысит величину более 2 млн. т в день.
При этом цены на топливо для дизельных двигателей, которое является основным энергоресурсом в сельскохозяйственном производстве, растут быстрее, чем его качество, определяемое совокупностью потребительских свойств, в первую очередь эксплуатационных и экологических.
Предлагается гипотеза продления сроков использования нефтепродуктов и улучшения потребительских свойств дизельного топлива за счет введения в него биодобавок, полученных переэтерификацией триацилглицеринов растительных масел спиртом. Разработка энергоэффективного технологического процесса получения биодобавок для улучшения потребительских свойств дизельного топлива является одной из главных задач сельскохозяйственной энергетики, имеющей краеугольное значение для сельскохозяйственного производства.
Степень разработанности темы. Для получения биодобавок разработаны биореакторы, использующие для интенсивного перемешивания исходных веществ следующие способы: механическое перемешивание; различные гидродинамические кавитаторы; роторные импульсно-кавитационные аппараты; аппараты с вихревым слоем ферромагнитных частиц, движущихся под воздействием вращающегося электромагнитного поля. Однако получение биодобавок по вышеуказанным способам имеет ряд недостатков: сложность и высокая стоимость изготовления основных узлов биореакторов; необходимость введения в технологический процесс дополнительных стадий (охлаждение обмоток индуктора); отсутствие эффективных способов разделения конечных продуктов реакции и проведения стадий нейтрализации и промывки.
Исследования проводились в соответствии с планом НИР ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии по заданию 09.04.07.04 «Разработать улучшенную технологию переработки сырья растительного и органического происхождения в моторное топливо» и областной целевой программой «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия Тамбовской области на 2008 – 2012 годы», утвержденной Законом Тамбовской области № 317-з от 5 декабря 2007 г.
Цель работы. Улучшение потребительских свойств дизельного топлива за счет введения в него биодобавок, полученных переэтерификацией триацилглицеринов растительных масел спиртом.
Объект исследования. Технологический процесс получения биодобавок переэтерификацией триацилглицеринов растительных масел спиртом в аппаратах, использующих вихревой эффект Ранка–Хилша и эффект Коанда, для интенсификации синтеза исходных веществ, эффективности разделения и промывки конечных продуктов.
Предмет исследования. Закономерности движения растительных масел и спирта в вихревом аппарате, осложненного одновременно протекающими реакциями переэтерификации и тепломассопереносом.
Методика исследования. При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований закрученных потоков в вихревых аппаратах. Теоретические исследования проводились на основе известных положений законов классической механики жидкости и газа, термодинамики, тепломассопереноса, технического анализа, программирования, математического моделирования с использованием программного комплекса Flow Vision. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения обоснованности выбранных направлений исследований. Достоверность полученных результатов исследования обусловлена применением современного исследовательского оборудования и приборов, методов регрессионного анализа, результатами испытаний.
Основные научные положения диссертации, выносимые на
защиту:
– теоретические предпосылки интенсификации процесса получения биодобавок путем переэтерификации триацилглицеринов растительных масел спиртом в вихревых аппаратах;
– технологический процесс непрерывного получения дизельного смесевого топлива с улучшенными свойствами;
– результаты моделирования и экспериментальных исследований системы вихревых труб, разработанных на эффекте Ранка–Хилша, для проведения непрерывного процесса сепарации конечных продуктов реакции;
– результаты теоретических и экспериментальных исследований системы самовакуумирующих вихревых аппаратов, разработанных на эффекте Коанда, для проведения непрерывных процессов промывки и нейтрализации биодобавок.
Научная новизна.
Заключается в комплексном подходе к решению задачи улучшения потребительских свойств дизельного топлива за счет введения в него биодобавок, полученных из возобновляемого энергетического сырья, в результате которого разработаны:
– структурно-гидродинамические закономерности движения потоков в цилиндрической области трубы;
– математическая модель движения реакционной смеси в вихревом аппарате.
Практическая значимость:
– разработан способ получения биодобавок в вихревых аппаратах, основанных на эффекте Ранка–Хилша, разработана методика расчета биореактора;
– при проведении численного моделирования гидродинамических процессов впервые для капельных жидкостей установлено влияние конструктивных параметров области энергоразделения вихревой трубы.
Результаты проведенных исследований использованы и внедрены в: ООО «Агроинжиниринг»; ООО «Теплоресурс»; реализация результатов исследования используется кафедрой «Автомобильная и аграрная техника» ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по направлению подготовки магистров по программам 110300.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства и 190600 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов.
Апробация работы. Результаты работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на XVI 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 ВНИИТиН, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Актуальные научные разработки – 2012»
(г. София, Болгария, 2012); VIII Международной научно-практической конференции «Современные научные достижения – 2012» (г. Прага, Чехия, 2012); конференции молодых ученых и специалистов отделения механизации, электрификации и автоматизации «Инновации в сельском хозяйстве» – 2013; Всероссийской выставке «Энергосбережение и энергоэффективность» (25 – 29 августа, г. Тамбов, 2011–2012 гг.); Российских агропромышленных выставках «Золотая осень» (г. Москва, ВВЦ, 2011–2012); заседаниях Ученого совета ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 115 наименований, и приложений. Работа изложена на
153 страницах, содержит 15 таблиц, 20 рисунков.
Содержание работы
Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, обозначены цель и задачи исследования, изложены основные научные положения и результаты, которые выносятся на защиту.
В первой главе «Анализ способов и технических средств получения биодобавок для улучшения потребительских свойств дизельного топлива» обоснована необходимость использования биодобавок к дизельному топливу, проанализировано современное представление об известных способах получения биодобавок переэтерификацией триацилглицеринов растительных масел спиртом, в результате анализа результатов исследований разработана классификация биореакторов по принципу действия, приведен обзор работ по исследованиям вихревых течений. Анализ известных работ показал, что большинство аналитических и теоретических трудов, направленных на объяснение эффекта Ранка–Хилша, оказались безуспешными. Выяснилось, что задача математического моделирования вихревых аппаратов и процессов сепарации на их основе до сих пор остается до конца не разрешенной из-за сложной структуры потока и эффекта температурного разделения. Наиболее полные исследования проведены с газами, поведение собственно капельных жидкостей в вихревых трубах изучено менее обстоятельно.
На основании выполненного анализа литературных и патентных источников и в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи исследования:
– разработать и обосновать схему технологического процесса получения биодобавок в биореакторах вихревого слоя и смесевого дизельного топлива;
– разработать математические модели описания процессов в вихревых аппаратах, разработанных на эффекте Ранка–Хилша, для проведения непрерывного процесса сепарации конечных продуктов реакции;
– разработать систему самовакуумирующих вихревых аппаратов, основанных на эффекте Коанда, для проведения непрерывных процессов промывки и нейтрализации биодобавок.
Во втором разделе «Теоретические предпосылки процесса получения биодобавок в биореакторах вихревого слоя» представлены исследования закрученных потоков на основе решения полной системы уравнений Навье–Стокса. С использованием современных пакетов прикладных программ вычислительной гидродинамики имеется возможность создать математическую модель с незначительными допущениями и повысить точность описания вихревого эффекта для практической реализации. Для этого выбран программный комплекс CFD Flow Vision версии 2.05.04. Программный комплекс предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, а также визуализации этих течений методами компьютерной графики.
Моделируемые течения включают в себя стационарные и нестационарные, сжимаемые, слабосжимаемые и несжимаемые потоки жидкости. Использование различных моделей турбулентности и адаптивной расчетной сетки позволяет моделировать сложные движения жидкости, включая течения с сильной закруткой, горением, течения со свободной поверхностью. Программный комплекс Flow Vision основан на конечно-объемном методе решения уравнений гидродинамики и использует прямоугольную адаптивную сетку с локальным измельчением. Комплекс включает в себя уравнения:
Навье–Стокса
 ; (1)
 , (2)
где источник S равен
 ;  (3)
энергии
 . (4)
Экспериментально установлено, что для интенсификации процесса получения биодобавок только кавитационного и термического воздействия на растительные масла и метанол недостаточно. Для создания высокоинтенсивного процесса метанолиза предлагается в качестве биореактора использовать вихревые аппараты, удельная энергетическая насыщенность рабочей зоны которых в несколько раз превышает аналогичные показатели всех известных аппаратов. Технологическая схема приведена на рисунке 1.
Растительное масло из резервуара 1 и раствор метилового спирта и катализатора из резервуара 3 подают в аппарат 2, где происходит предварительное смешивание продуктов. Нагретая предварительно до 40 С смешавшаяся масса подается при помощи насоса в первичный вихревой аппарат 6. Окончательный синтез производится в вихревом аппарате 7. Полученные продукты реакции проходят через вихревые сепараторы, в которых происходит удаление загрязнений (вихревой аппарат 8) и разделение полученных продуктов реакции в виде глицерина и метилового эфира (вихревой аппарат 9). Глицерин отправляется на хранение в резервуар 4, а метиловый эфир отправляется в приемный резервуар 5. Из приемного резервуара 5 метиловый эфир подается в вихревой вакуумный аппарат 10, в котором происходит промывка и нейтрализация водой и фосфорной кислотой, забираемой из резервуара 11. После очистки и нейтрализации метиловый эфир подается в аппарат 12 для выпаривания. Резервуар для выпаривания 12 оснащен вихревым блоком 13 для конденсации испаряемого метанола и воды. В данный вихревой блок 13 подается сжатый воздух из компрессора 15. Сконденсированные метанол и вода попадают в резервуар для сбора конденсата 14, а промытый и очищенный метиловый эфир отправляется в приемный резервуар 16. Из резервуара 16 метиловый эфир подается во вторичный вихревой аппарат (ВАПС-2) 17, куда одновременно с ним из резервуара 18 подается нефтяное дизельное топливо. Помещение нефтяного дизельного топлива и метилового эфира в ВАПС-2 необходимо для предварительного смешивания и упрощения подачи в вихревые реакторы 19, 20, на выходе из которых получается смесевое топливо. Далее полученное смесевое топливо проходит через вихревые сепараторы 21, 22 для отделения механических примесей и возможного попадания воды. Очищенное смесевое топливо отправляется в резервуар для хранения 23.
|
