УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОДИЗЕЛЯ И ГЛИЦЕРИНА

Полезная модель относится к технологиям и установкам переработки растительного масла и получения биодизеля, который может быть использован во всех типах дизельных двигателей как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, и глицерина в качестве побочного продукта, пользующегося спросом в фармакологии.
Известна мини-линия для производства биодизельного топлива, содержащая приемную емкость, устройство для очистки семян, устройство для отжима масла, размещенное под устройством для очистки семян, емкость для принятия отжатого масла, установленное под устройством для отжима масла, а также насос подачи масла и фильтр. Кроме того, она дополнительно обеспечена эжектором, первый вход которого через насос подачи дизельного топлива соединен с емкостью для дизельного топлива, второй вход эжектора соединен с емкостью для принятия масла, а выход эжектора соединен с емкостью для биодизельного топлива, при этом устройство для очистки семян выполнено в виде вибросита, а устройство для отжима масла выполнено в виде двухшнекового пресса с электроподогревом (патент Украины на полезную модель №18129).
Технология, применяемая в известном устройстве, предусматривает достаточно протяженный во времени цикл и большой расход электроэнергии для нагрева компонентов. Кроме того, известная конструкция содержит большое количество не взаимосвязанных между собой узлов, что создает дополнительные сложности при производстве биодизельного топлива и негативно сказывается на его себестоимости.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является установка для производства биодизельного топлива, содержащая емкости для хранения исходных компонентов, соединенные через запорную арматуру с гидродинамическим смесителем, насос-кавитатор высокого давления механический, обеспечивающий реакцию этерификации, краны шаровые управляемые, колонны-отстойники, где происходите разделение смеси на биодизель и водно-глицериновую смесь (http://www.energy-saving-technology.com/page-ru/biod/biodizel.html).
Известный комплекс непрерывного производства биодизеля не требует больших производительных площадей, однако предусматривает наличие колонн-отстойников, применение которых существенно удлиняет и усложняет процесс производства биодизеля.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание компактного устройства для получения биодизеля и глицерина в качестве
побочного компонента, обеспечивающего непрерывный цикл производства конечного продукта при снижении его себестоимости.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого технического решения, заключается в оптимизации процесса получения биодизеля и глицерина за счет оснащения устройства элементами, стабилизирующими реакцию этерификации, которая является основным процессом при производстве биодизеля и глицерина.
y
Поставленная задача решается тем, что устройство для получения биодизеля и глицерина, включающее емкости для исходных компонентов, соединенные через запорную арматуру с насосами-дозаторами, которые подсоединены к гидродинамическому смесителю, выполненному с возможностью предварительного смешивания исходных компонентов до состояния биодизельной смеси, насос-кавитатор, соединенный с гидродинамическим смесителем, и накопительные емкости для биодизеля и глицерина, согласно техническому решению, снабжено буферным устройством, подключенным к выходу насоса - кавитатора выполненным в виде изогнутого канала для перемещения биодизельной смеси, и центробежным очистителем, выполненным с возможностью разделения неоднородной биодизельной смеси на биодизель и глицерин в центробежном поле с их непрерывным выводом в накопительные емкости, при этом вход центробежного очистителя подключен к выходу канала буферного устройства, а выходы -к емкостям для накопления биодизеля и глицерина. При этом буферное устройство представляет собой спирально изогнутый протяженный трубопровод, длина которого определяется из соотношения , где l - длина трубопровода (м), Q - часовая производительность (л), d - условный диаметр трубопровода (дм), а гидродинамический смеситель представляет собой вертикально расположенную цилиндрическую камеру смешивания с радиально направленными входными патрубками для насосов-дозаторов.
Принципиальная схема устройства приведена на фиг.1. Позициями на схеме обозначены:
1 - емкость для хранения катализатора;
2 - емкость для хранения спирта;
3 - емкость для хранения очищенного растительного масла;
4 - накопительная емкость для биодизеля;
5 - накопительная емкость для глицерина;
6 - фильтры;
7 - запорные вентили;
8 - 10 - насосы-дозаторы;
11 - гидродинамический смеситель;
12 насос-кавитатор;
13 буферное устройство;
14 центробежный очиститель.
Биодизель и глицерин получают в результате реакции этерификации, инициируемой в предлагаемом устройстве.
Устройство представляет собой емкости для хранения исходных компонентов и накопления конечных продуктов, соединенные посредством запорной арматуры и технологических узлов, обеспечивающих химическое взаимодействие исходных компонентов в результате процесса этерификации. Три емкости для хранения исходных компонентов представляют собой вертикально ориентированные металлические цилиндрические баки, выходы которых снабжены фильтрами 6 и запорными вентилями 7.
Для хранения катализатора предназначена емкость 1. В качестве катализатора используют щелочь, например, едкий натр или едкий калий. В зависимости от выбранного типа катализатора изменяют пропорциональное соотношение исходных компонентов.
Для хранения спирта предназначена емкость 2. В качестве спирта, как одного из компонентов, необходимых для проведения реакции этерификации, чаще всего используют метанол.
Для хранения очищенного растительного масла предназначена емкость 3. Растительное масло, например, рапсовое или подсолнечное является основным компонентом для производства биодизеля.
Каждая из емкостей для хранения исходных компонентов 1-3 соединена с соответствующим входом насоса-дозатора 8-10. Насосы - дозаторы являются перекачивающим инструментом, настроенным на определенную производительность в соответствии с заданным процентным соотношением исходных компонентов, необходимым для нормального протекания реакции этерификации. Насосы - дозаторы, в свою очередь, соединены со входами гидродинамического смесителя 11, осуществляющего предварительное смешивание исходных компонентов до состояния биодизельной смеси и инициацию реакции этерификации. Гидродинамический смеситель представляет собой вертикальную цилиндрическую проточную камеру с тремя радиально направленными входными патрубками, через которые в смеситель подаются исходные компоненты с заданной дозировкой. Входные патрубки могут быть с расположены по длине окружности цилиндрической камеры на равноудаленном расстоянии друг от друга. В гидродинамическом смесителе (например, выполненном в виде емкости) происходит первая ступень реакции этерификации растительного масла метанолом. Выход
гидродинамического смесителя 11 присоединен ко входу насоса-кавитатора 12, обеспечивающего химическое взаимодействие и основное смешивание компонентов до состояния биодизельной эмульсии. Насос-кавитатор 12 введен в устройство в качестве альтернативы применения нагревателей большой мощности, так как процесс кавитации отличается от обычного кипения тем, что при повышении относительной скорости потока понижается давление потока до давления насыщенных паров (вакуума). При этом жидкость вскипает, и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров. Кавитационные пузырьки, попадая в область повышенного давления, охлопываются (замыкаются, конденсируются) кумулятивными струйками в точки. В этих точках кумулятивные эффекты приводят к точечному повышению давлений до десятков тысяч атмосфер, с образованием точечных температур в десятки тысяч градусов по Кельвину. Конструктивно насос-кавитатор может быть выполнен в виде металлической трубки с каналом переменного сечения, обеспечивающей более высокое давление на входе, по сравнению с давлением на выходе из нее.
y
На выходе из насоса-кавитатора смонтировано буферное устройство 13, предназначенное для обеспечения завершения двуступенчатой реакции этерификации, проходящей в гидродинамическом смесителе и насосе-кавитаторе. В отличие от известных устройств и технологий, заявляемое техническое решение обеспечивает постоянное динамическое перемещение эмульсии за счет применения буферного устройства 13, которое представляет собой трубопровод, изогнутый в виде спирали или змеевика. Для оптимального протекания реакции этерификации протяженность спирального трубопровода выбирают исходя из зависимости , где l - длина трубопровода (м), Q - часовая производительность (л), d - условный диаметр трубопровода (дм). При этом буферное устройство 13 может быть размещено на передвижной платформе. При прохождении через канал буферного устройства биодизельная эмульсия, образованная в результате реакции этерификации в гидродинамическом смесителе и насосе-кавитаторе, стабилизируется и происходит завершение реакции с одновременным выделением и связыванием молекул глицерина Буферное устройство 13 такой конструкции достаточно компактно по сравнению с общепринятыми колоннами-отстойниками и создает дополнительные возможности обеспечения непрерывности цикла производства. В отличие от колонн-отстойников, в которых происходит разделение биодизельной эмульсии на биодизель и глицерин в статичном режиме, буферное устройство при динамическом перемещении эмульсии способствует плавному погашению скорости движения жидкости. Выход буферного устройства соединен со входом центробежного очистителя 14, осуществляющего
окончательное разделение биодизельной эмульсии на биодизель и глицерин. Конструктивно центробежный очиститель 14 представляет собой ротор, установленный на оси, и включающий корпус с подводящими и отводящими каналами. Центробежный очиститель 14 может быть изготовлен в соответствии с патентом на полезную модель №40014, «ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ОЧИСТИТЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ», (патентообладатель ЗАО «Тесар-СО»).
Кроме вышеперечисленных узлов, устройство содержит две накопительные емкости для конечных продуктов: биодизеля 4 и глицерина 5, которые подключены через фильтры 6 и запорные вентили 7 к центробежному очистителю 14. Устройство снабжено датчиками нижнего и верхнего уровня жидкости, размещенных в емкостях хранения исходных компонентов и блоком автоматического и ручного управления элементами устройства, включающим пуско-регулирующее, коммутационное, индикаторное оборудование.
Устройство работает следующим образом.
Устройство размещают в отапливаемом помещении. Емкости, предназначенные для хранения исходных компонентов, заполняют соответственно: емкость 1 - калиевой щелочью, емкость 2 - метанолом, емкость 3 - очищенным растительным маслом. Для начала производства биодизеля и глицерина из емкостей 1-3 исходные компоненты подают в гидродинамический смеситель насосами 8-10 в соответствие с заданной дозировкой. Так как перекачивающие насосы снабжены дозаторами, то процесс соблюдения точности дозирования происходит в автоматическом режиме. В результате прохождения компонентов через проточный гидродинамический смеситель получают биодизельную смесь, которую подают в насос-кавитатор. На выходе из насоса-кавитатора, в результате активизации кавитационных процессов, получают биодизельную эмульсию, которую направляют в буферное устройство. Эмульсия под давлением перемещается по трубопроводу буферного устройства, стабилизируется и подается в центробежный очиститель для осуществления разделения эмульсии на биодизель и глицерин. В результате процесса очистки получают два конечных продукта, которые подают в накопительные емкости для хранения и дальнейшей реализации.
В целом, устройство обеспечивает полноценное протекание реакции этерификации, основной принцип которой заключается во взаимодействии кислоты и спирта с образованием сложного эфира. Основная сложность при организации такого взаимодействия - это обеспечение длительности протекания реакции до полного ее завершения и непрерывности производственного цикла. Применение отдельных элементов предлагаемого устройства направлено на решение задачи организации непрерывности цикла. Например,
- насос-кавитатор обеспечивает протекание реакции этерификации без предварительного нагрева компонентов, что существенно снижает энергозатраты при производстве биодизеля и глицерина;
- буферное устройство, выполненное в виде протяженного спирального змеевика-трубопровода, обеспечивает стабилизацию и завершение реакции этерификации, инициированной в гидродинамическом смесителе и насосе-кавитаторе;
- центробежный очиститель ускоряет процесс разделения биодизельной эмульсии на два конечных продукта: биодизель и глицерин без необходимости выдерживания эмульсии в колоннах-отстойниках.
Пример конкретного выполнения.
3
3
3
3
Изготовлено устройство для получения биодизеля и глицерина производительностью 350 л/час. Исходными сырьевыми компонентами для получения биодизеля являлись: растительное рапсовое масло и метанол, взятые в соотношении 9:1. Кроме того, в качестве катализатора использована калиевая щелочь в объеме 1% от общего количества сырьевых компонентов. Устройство содержит три накопительных емкости следующих объемов: для щелочи до 0,01 м, для метанола до 0,2 м, для рапсового масла до 2,0 м. Емкости посредством запорной арматуры соединены с перекачивающими насосами с дозаторами, при этом при выполнении операции смешивания исходных компонентов дозаторы обеспечивают следующую производительность насосов: для щелочи до 5,0 л/час, для метанола до 50,0 л/час, для рапсового масла до 500,0 л/час. Исходные компоненты с заданной дозировкой подают в гидродинамический смеситель, где происходит их предварительное смешивание и инициация процесса этерификации. Устройство содержит также проточный насос-кавитатор, где смесь доводят до состояния однородной эмульсии под действием гидродинамической кавитации. На выходе из кавитатора эмульсия подвергается принудительному перемещению по трубопроводу буферного устройства, внутренний объем которого составляет 0,4 м, протяженностью 83 м, диаметр 0,51 дм с целью ее стабилизации и завершения процесса этерификации. По окончании перемещения жидкость попадает в центробежный очиститель, конструкция которого представлена в описании изобретения к патенту №40014, где происходит выделение водно-глицериновой смеси, накапливаемой в отдельной емкости, и возврат оставшейся фракции - биодизеля в накопительную емкость для дальнейшей реакции с дизельным топливом и отработанным моторным маслом.