Исследование коэффициента динамической вязкости рапсового масла как основы биодизельного топлива в широкой области изменения параметров состояния

УДК 664.8.022

А. Р. Габитова, И. Р. Габитов, З. И. Зарипов

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ РАПСОВОГО МАСЛА КАК ОСНОВЫ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В ШИРОКОЙ ОБЛАСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ

Ключевые слова: коэффициент динамическая вязкость, диэлектрическая проницаемость, рапсовое масло, биодизель.

Проведено исследование динамической вязкости рапсового масла на экспериментальной установке, реализующей метод падающего груза. Получено аналитическое выражение, описывающее полученные данные.

Keywords: dynamic viscosity coefficient, dielectricpermittivity, rapeseed oil, biodiesel.

A study of the dynamic viscosity of rapeseed oil in a pilot plant that implements the method of the falling weight are made. Analytical expression, describing the experimental data are found.

Сокращение мировых запасов ископаемых источников энергии, проводят к поиску альтернативных источников энергии. Это касается и такого вида топлива, как дизельное. К поиску его замены также подталкивают его удорожание и постоянно ужесточающиеся требования к токсичности отработавших газов двигателей. Наиболее перспективной заменой являются топлива из возобновляемых ресурсов, в первую очередь - из биомассы, например растительные масла, которые можно применять в исходном виде, после химической обработки (облагораживания) или в смеси с нефтяными топливами или спиртами. Наиболее часто применяемым для этой области растительным маслом является рапсовое масло [1]. Рапсовое масло представляет собой маслянистую жидкость бурого цвета, которая меняет свой цвет на светло-желтый после рафинирования. Рапсовое масло состоит из смеси моно-, ди-, и триацилглицеринов, которые содержат в своем составе молекулы различных жирных кислот. Главное преимущество рапсового масла по сравнению с дизельным топливом - его практически полная биоразлагаемость. Однако, существуют факторы, сдерживающие применение рапсового масла по сравнению с дизельным топливом: меньшая теплота сгорания (13%), коксуемость, возможность загрязнения моторного масла продуктами полимеризации триглицеридов [2]. Одним из важнейших свойств является его вязкость. Высокая вязкость ухудшает свойства текучести и прокачиваемости, а также процесс распыления топлива. Лишь при температуре около 100°С вязкость рапсового масласнижается до значения, равного вязкости нефтяного дизельного топлива. Вследствие этого наибольший интерес представляют получаемые в результате реакции трансэтерификации рапсового масла метиловые (этиловые) эфиры, вязкость которых значительно ниже. Процесс может протекать как при традиционных [3,4], так и при сверхкритических флюидных условиях [5,6].

На этапе моделирования величиной является

проницаемость. По правилу растворении того или

предпочтительным является тот растворитель, диэлектрическая проницаемость которого является наиболее близкой к аналогичному показателю растворяемого вещества в условиях растворения. Исходя из этого, а также на основании анализа данных рис. 1, можно сказать о том, что наилучшая растворимость двух исходных компонентов -рапсового масла и этилового спирта будет наблюдаться именно в физических условиях сверхкритических флюидов (Т=623К, давление 20-30 МПа).

400 450 500 550

процесса важной диэлектрическая Семенченко при иного вещества

Рис. 1 - Зависимость диэлектрической проницаемости этилового спирта (давление 200 и 300 атм.) и рапсового масла от температуры

Целью данного исследования являлось расширение базы данных по теплофизическим свойствам исходного реагента - рапсового масла в широкой области изменения параметров состояния, что необходимо для моделирования процесса получения биодизельного топлива.

Экспериментальная часть

Для измерения динамической вязкости рапсового масла в широкой области изменения параметров состояния, применялась

экспериментальная установка, состоящая из: вискозиметрического сосуда, системы создания и измерения давления, системы измерения и регулирования температуры и схемы автоматического измерения времени падения груза (рис.2). Ранее установка описывалась в работе [7].

Она была модернизирована жидкостным насосом (4) и блоком сбора и обработки информации (3).

Рис. 2 - Схема экспериментальной установки: 1 -Грузопоршневой манометр МП-600; 2 - сосуд с исследуемой жидкостью; 3 - блок сбора и обработки информации; 4 - жидкостной насос; 5 -вискозиметр; Р3003 - компаратор напряжений

Расчетная формула для вычисления коэффициента динамической вязкости п в интервале изменения температур 298-473К и давлений до 50 МПа имеет вид:

,(Ргр-Рж)"С

n = (R-r)3g-

3rh

где Я, г - радиусы цилиндрической трубки и грузика соответственно, м; И - расстояние, которое проходит груз, м; т - время падения груза, с; ргр, рж -плотность груза и исследуемого вещества, кг/м3; g-ускорение свободного падения, м/с2.

Данные по плотности рапсового масла для широкой области изменения параметров состояния были взяты из диссертационной работы Ф. Н. Шамсетдинова [8].

Полученные по формуле 1 значения коэффициента динамической вязкости рапсового масла представлены в виде графика на рис.3.

Рис. 3 - Зависимость коэффициента динамической вязкости рапсового масла от температуры при различных давлениях: 1 -P=0,098 МПа[9]; 2 - P=0,098 МПа; 3 - Р=9,8 МПа; 4 - Р=19,6 МПа; 5 - Р=29,4 МПа

Установлено, что с ростом температуры вязкость рапсового масла снижается, а с ростом давления растет, в связи с увеличением плотности масла.

Полученные экспериментальные данные, описать аналитическим выражением:

можно

V = 4 • 101

• 7 6,501 • к

где п - коэффициент динамической вязкости рапсового масла, Па*с; Т - температура, К; коэффициент, учитывающий давление (табл.1).

kp -

Таблица 1 - Коэффициенты, давление в уравнении

учитывающие

P, МПа 0.098 9.8 19.6 29.4

kp 1 1.1 1.17 1.25

Расхождение экспериментальных результатов с полученными по выражению (2) не превышают 1%.

Заключение

Исследована вязкость рапсового масла в широком диапазоне изменения параметров состояния. Для исследования была применена установка, реализующая метод падающего груза.

Установлено, что с ростом температуры вязкость рапсового масла снижается, а с ростом давления растет, в связи с увеличением плотности масла. Получено аналитическое выражение, описывающее экспериментальные данные. Расхождение данных, полученных по выражениям (2)и (1), не превышает 1 %.

Полученные данные по коэффициенту динамической вязкости рапсового масла пополняют базу по теплофизическим свойствам рапсового масла, необходимую на этапе моделирования процесса получения биодизельного топлива.

Литература

1. Марков, В.А. Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля / В.А. Марков, А.И. Гайворонский, С.Н. Девянин, Е.Г. Пономарев // Автомобильная промышленность. - 2006. - № 2. - С. 1-3.

2. Жосан, А.А. Сравнение физико-химических свойств дизельного топлива и рапсового масла / А.А.Жосан, Ю.Н.Рыжов, А.А.Курочкин // Вестник ОрелГАУ. - 2011. - №4. С.72-74.

3. Fukuda, H. Biodiesel fuel production by transesterification of oils / H. Fukuda, A. Kondo, H. Noda // Journal Bioscience Bioengieering. - 2001. - Т. 92.- № 5. - С. 405416.

4. Juan, J.C. Biodiesel production from jatropha oil by catalytic and non-catalytic approaches: an overview / J.C. Juan, D.A. Kartika, T.Y. Wu, T.Y.Y. Hin // Bioresourse Technology. 2011. Т. 102. № 2. С. 452-460.

5. Мазанов С.В. Получение биодизельного топлива в сверхкритических флюидных условиях с использованием гетерогенных катализаторов / С. В. Мазанов, А.Р. Габитова, Л.Х. Мифтахова, Р.А. Усманов, Ф.М. Гумеров, З.И. Зарипов, В.А. Васильев, Э.А. Каралин // Сверхкритические флюиды: Теория и практика. - 2015. - Т. 10. - № 2. - С.71-83.

6. Габитова А.Р. Исследование конверсии рапсового масла в каталитическом процессе сверхкритической переэтерификации/ А.Р. Габитова, С.В. Мазанов, Р.Р. Габитов, Р.А. Усманов // Вестник Казанского Технологического Университета. - 2013. - Т.16. - №20. -с. 138-140.

7. Шамсетдинов, Ф.Н. Экспериментальная установка для исследования вязкости газонасыщенных жидких углеводородов при давлениях до 50 МПа /Ф.Н. Шамсетдинов, И.Р.Габитов, З.И.Зарипов, А.В.Радаев, А.Н.Сабирзянов // Вестник Казанского Технологического Университета. - 2013. - т.16. - № 18. -С.112-114.

8. Шамсетдинов, Ф.Н. Изобарная теплоемкость и коэффициент теплового расширения смесей

органических соединений при температурах до 623 К и давлениях до 147 МПа, включая околокритическую область: дис. канд. техн. наук: 01.04.14. / Ф.Н. Шамсетдинов. - Казань, 2011. - 130 с. : ил. 9. Yuan, W. Temperature dependent kinematic viscosity of selected biodiesel fuels and blends with diesel fuel / W. Yuan, A.C. Hansen, Q. Zhang, Z. Tan // J. Am. OilChem. Soc. - 2005. - № 82. - С. 195-199.

© А.Р. Габитова - асп. каф. теоретическихоснов теплотехники КНИТУ, agabitova@inbox.ru; И. Р. Габитов - асп. той же кафедры, gabitov.ilgiz@gmail.com; З. И. Зарипов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, zufar_zaripov@mail.ru.

© A. R. Gabitova - postgraduate student of Heat Engineering department, KNRTU, agabitova@inbox.ru; I. R. Gabitov -postgraduate student of Heat Engineering department, KNRTU, gabitov.ilgiz@gmail.com; Z. I. Zaripov - professor of Heat Engineering department, KNRTU, zufar_zaripov@mail.ru.