Определение степени теплоты сгорания дизельного смесевого топлива из соевого масла

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 665.335-2

Е. Д. Година

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА ИЗ СОЕВОГО МАСЛА

Приведены результаты хроматографического анализа соевого масла и дизельного смесевого топлива на основе соевого масла и минерального топлива в процентном соотношении 25:75, 50:50, 75:25 и 90:10. Определены элементарный состав и низшая теплота сгорания соевого масла и дизельного смесевого топлива.

Ключевые слова: дизель, масло, топливо, показатели, анализ, сырьё, плотность, вязкость, компонент, кислоты.

E. D. Godina

The Determination of the Calorific Value Degree of Diesel Composite Propellant from Soybean Oil

There are results of the chromatographic analysis of soybean oil and diesel composite propellant on the base of soybean oil and mineral oil in percentage 27:75, 50:50, 75:25 and 90:10. The elementary composition and lower calorific value of soybean oil and diesel composite propellant are determined.

Key words: diesel, oil, fuel, indicators, analysis, raw material, density, viscosity, component, acid.

В последние годы всё более широкое применение находят виды топлива, получаемые из воспроизводимых источников сырья. Одним из наиболее перспективных для дизельных двигателей является биотопливо, получаемое из возобновляемого сырья -растительных масел.

Использование биотоплива позволит уменьшить вредное воздействие мобильной энергетики на окружающую среду, расширить сырьевую энергетическую базу.

Но есть и проблемы применения биотоплива в качестве моторного топлива на автотракторной технике: недостаточная приспособленность дизелей классической конструктивной схемы в силу различий теплотворных и физико-химических свойств от аналогичных свойств минерального топлива. От этих

ГОДИНА Елена Дмитриевна - к. т. н., доцент кафедры строительного дела Технического института (филиала) Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова, г. Нерюнгри.

E-mail: godina-elena @ mail.ru

свойств зависят параметры процессов впрыскивания, смесеобразования и сгорания топлива и, как следствие, мощностные, топливно-экономические и экологические показатели дизеля. Поэтому при переводе дизеля с минерального топлива на биотопливо необходимо изучить теплотворные и физические свойства ДСТ из соевого масла [1, 2, 3, 4].

Цель исследования - оценить целесообразность использования соевого масла в качестве биокомпонента дизельного смесевого топлива путём определения степени теплоты сгорания ДСТ из соевого масла.

Задача исследования - определить элементарный состав, низшую теплоту сгорания и физические свойства соевого масла и ДСТ на его основе.

Россия является крупнейшим экспортером и импортером масложировой продукции в связи с наличием емкого внутреннего рынка потребления и растущего производства. Структура производимого на территории России растительного масла выглядит следующим образом

Структура производства растительного масла по сегментам показывает, что абсолютным лидером

Таблица 1

Структура производства растительного масла в России

Вид масла %

подсолнечное 86,84

соевое 7,96.

рапсовое 4,84

горчичное 0,11

кукурузное 0,04

льняное 0,03

прочее 0,18

является подсолнечное масло с долей почти 87 %. К прочим маслам относится арахисовое, оливковое, сафлоровое, хлопковое, сурепное и иные масла.

Рынок носит признаки олигополии и является «рынком покупателя». Сезонность спроса носит постоянный характер (в течение года). Существенное влияние на производство растительного масла имеет фактор сезонности, который зависит от урожайности и запасов масличных культур (рис. 1).

Производство масличных культур в России является сырьевой базой не только для пищевых, но и для технических целей, в том числе и для производства биотоплива [5].

Развитие российского рынка масличных культур предполагает увеличение посевных площадей не только под подсолнечник, рапс, горчицу, рыжик, но и сою как одну из перспективных культур для использования в качестве биологического компонента ДСТ, представляющего особую топливную смесь, состоящего из минерального дизельного топлива (ДТ) и растительного масла в различных пропорциях [6].

Соя (Glycine hispida) - однолетнее растение семейства бобовых. Корневая система стержневая, стебель прямостоячий, ветвящийся, высотой 40-100 см. Растение теплолюбивое. Минимальная температура прорастания семян 8 оС, её всходы переносят заморозки до -5 оС. Соя отличается повышенными требованиями к температуре для роста и развития (18-20 оС). Поэтому в Дальневосточном регионе её сеют после 20 мая. Высокие требования соя предъявляет и к влаге. Благоприятна для неё влажность почвы, около 80 %. Основные сорта, выведенные амурскими селекционерами: Соната,

Вега, Гармония, Даурия, Лидия, Лазурная, Нега 1, Актай, Янкан и др. Средняя урожайность сои составила 16 ц/га, максимальная до 43 ц/га. В 2012 г. в Российской Федерации под посевами сои было занято около 1,4 млн га, в том числе в Амурской области 736,5 тыс. га, это 52,6 % от общей посевной площади. Семена сои содержат 17-32 % жирного масла, которое используется не только в пищевой промышленности, но и для технических целей

Рис. 1. Диаграмма производства растительного масла в России в зависимости от сезона года за 6 летний период

(мыловарение, текстиль, в химической промышленности и т. д.) [7, 8].

Применение соевого масла в качестве биологического компонента ДСТ позволит реализовать земельный потенциал с целью увеличения объемов производства биодизельного топлива из растительного сырья, улучшить экологическую безопасность и экономить минеральное ДТ.

Для определения молекулярного состава соевого масла и его низшей теплоты сгорания необходимы следующие исходные данные: число атомов углерода, водорода и кислорода в молекуле каждой кислоты, молекулярная масса кислот, а также процентное содержание каждой кислоты в исходном соевом масле, определенное путем хроматографического анализа.

Хроматографическому анализу подвергалось соевое масло на хроматографе «Кристалл 2000М», производимое из сои двух сортов «Лидия» и «Гармония» и дизельные смесевые топлива в соотношении: 25 % СМ + 75 % ДТ; 50 % СМ + 50 % ДТ; 75 % СМ + 25 % ДТ, 90 % СМ + 10 % ДТ.

Результаты хроматографического анализа натурального соевого масла и дизельного смесевого топлива приведены в таблице 2.

Зная процентное содержание  высших алифатических кислот и число атомов (х) углерода, (у) водорода и (7) кислорода в каждой кислоте СНу02, определяем среднее число атомов каждого элемента в выделенных кислотах натурального соевого масла по формулам [9]:

г;

х = Е

ср

у = Е «г.;

ср

сР У

ъ = Е «г.

В результате расчета (без учета числа атомов неидентифицированного остатка) на примере соевого масла получаем (таблица 2):

хср=(14«0,09+15«0,02+16«(11,02+0,08)+18«(4,51 + 25,28+51,39+6,17)+20«(0,39+0,25+0,04+0,33)+22«(0,47+ 0,03+0,03+0,07)+24«0,18) «0,01=17,892;

уср=(28«0,09+30«0,02+32«11,02+30«0,08+36«4,51 + 34«25,28+32«51,39+30«6,17+40«0,39+38«0,25+36«0,04+ 32«0,33+44«0,47+42«0,03+40«0,03+38«0,07+

+48«0,18) «0,01=32,812

ъ =2«(0,09+0,02+11,02+0,08+4,51+25,28+51,39+

ср

6,17+0,39+0,25+0,04+0,33+0,47+0,03+0,03+0,07+0,18) •0,01= 2.

Тогда усредненная химическая формула выделенных кислот соевого масла составит С17 9Н32 8О2.

Определим усредненную молекулярную формулу соевого масла:

3С179Н32,8О2+С3Н5(ОН)3-3Н2О=3С17,9Н32,8°2+С3Н2 = =С56,7Н100,4О6-

Усредненная молекулярная формула соевого масла

С56,7Н100,4°6-

Среднюю молекулярную массу соевого масла определяем по формуле:

М=(х^3+3) -С+(у-3+2) -Н+ъ-3Ю,

Таблица 2

Результаты хроматографического анализа натурального соевого масла и биоминеральных композиций на его основе

Наименование кислоты Соотношение

100 %СояМ 90 %СояМ+ 10 %ДТ 75 %СояМ+ 25 %ДТ 50 %СояМ+ 50 %ДТ 25 %СояМ+ 75 %ДТ

Миристиновая 0,09 0,087 0,061 0,04 0,04

Пентадекановая 0,02 0,014 0,23 1,01 1,41

Пальмитиновая 11,02 10,94 10,75 10,95 10,81

Пальмитоолеиновая 0,08 0,083 0,091 0,13 0,16

Стеариновая 4,51 4,49 4,445 4,24 4,11

Олеиновая 25,28 24,75 25,18 24,37 24,56

Линолевая 51,39 52,923 51,29 52,525 51,63

У-линоленовая 0 0,0071 0,047 0,11 0,18

А-линоленовая 6,17 6,315 6,16 6,2 6,13

Арахиновая 0,39 0,398 0,377 0,38 0,374

Годоиновая 0,25 0,249 0,248 0,247 0,245

Эйкозадиеновая 0,04 0,036 0,044 0,062 0,059

Арахидоновая 0,33 0,379 0,331 0,43 0,39

Бегеновая 0,47 0,473 0,488 0,54 0,56

Эруковая 0,03 0,031 0,030 0,29 0,0296

Докозадиеновая 0,03 0,0046 0,019 0,015 0,018

Докозатриеновая 0,07 0,0086 0,068 0,073 0,068

Лигноцериновая 0,18 0,055 0,186 0,182 0,184

Нервоновая 0 0, 911 0,00 0,00 0,00

С, Н, О - молекулярные массы углерода

(С=12,011г/моль), водорода (Н= 1,0079 г/моль) и кислорода (0=15,9994 г/моль).

МСояМ также можно определить и по следующей формуле:

МС М=3М + 38,

СояМ К

где МК - молекулярная масса среднего состава жирных кислот, г/моль.

М(СояМ) = (17,9 •З + 3) •12,011+(32,8 • 3 +2) ^1,0079 + (2 • 3) •15,9994 = 878,213г/моль.

Суммарные молекулярные массы каждого из элементов в масле сои:

ЕМ(С) = 681,024 г/моль;

ЕМ(Н) = 101,193 г/моль;

ЕМ(О) = 95,996 г/моль.

Разделив суммарные значения величин молекулярной массы всех атомов С, Н и О, которые входят в соевое масло, на молекулярную массу соевого масла, получим относительные доли углерода, водорода и кислорода:

С = ЕМ(С)/ МС

=681,024 /878,213= 0,776;

Н = ЕМ(Н)/ МСоевМ =101,193 /878,213= 0,115;

О = ЕМ(О)/ МС:;вМ =95,996 /878,213= 0,109. Таким образом, элементарный состав соевого масла: С = 0,776; Н = 0,115 и О = 0,109.

Далее определяем элементарный состав ДСТ, состоящего из соевого масла и минерального ДТ марки Л-0,2-62 с содержанием соевого масла 25 %, 50 %, 75 % и 90 %.

Элементарный состав ДСТ:

Сдбк = К^ССояМ+ К/СДТ Ндбк = К1^НСурМ + К2^НДТ’ Одбк = КГОСурМ +К2^ОДТ’

где СЦТ, ОдТ, Ндт - элементарный состав минерального ДТ марки Л-0,2-62 (СДТ = 0,870, НДТ = 0,126

и ОДГ = 0,004); ССояМ, ОСояМ, НСояМ - элементарный

состав соевого масла; К1 - дозы минерального ДТ; К2 - дозы соевого масла.

Элементарный состав ДСТ, состоящего из 25 % соевого масла и 75 % минерального ДТ, будет равен:

С =С «0,25+С •0,75=0,776^0,25+0,870^0,75=0,847;

25 СояМ 7 ДТ 7 7 7 7 7 7

Н =Н„ «0,25+Н •0,75=0,115^0,25+0,126^0,75=0,123;

25 СояМ 7 ДТ7 7 7 7 7 7

О =О, ,/0,25+П •0,75=0,109^0,25+0,004^0,75=0,030.

25 СояМ 7 ДТ7 7 7 7 7 7

Аналогичным образом определяем состав остальных ДСТ с процентным соотношением 50:50, 75:25, и 90:10.

Низшую теплоту сгорания минерального ДТ, соевого масла и ДСТ определяем по формуле Д. И. Менделеева [10]:

Нu=34,013С+125,6Н-10,9•(О-S)-2,512•(9H+W), МДж/кг, где S и W - содержание в сурепном масле и ДСТ соответственно серы и воды (принимаем S = 0, W = 0).

Тогда низшая теплота сгорания Ни составит:

Ни (100) = 34,013^0,776 + 125,6^0,115 - 10,9^0,109 - 0) -2,512^(9^0,115+0) = 37,05 МДж/кг; Аналогично были определены молекулярный состав и низшая теплота сгорания всех исследованных ДСТ. Вязкость (кинематическая) и плотность определялись при температуре 20 °С экспериментально с помощью вискозиметра ВПЖ и ареометра (нефтеденсиметра АНТ).

Результаты расчетов представлены в таблице 3. Анализ данных таблицы 3 показал, что кинематическая вязкость, в зависимости от

Таблица 3

Элементарный состав, низшая теплота сгорания и физико-химические свойства исследуемых видов топлива

Вид топлива Элементарный состав Низшая теплота сгорания, МДж/кг Плотность, кг/м3 Вязкость, мм2/с

С Н О

100 %ДТ 0,870 0,126 0,004 42,40 826 4,2

100 %СояМ 0,776 0,115 0,109 37,05 920 57,5

25 %СояМ+75 %ДТ 0,847 0,123 0,030 41,16 850 8,8

50 %СояМ+50 %ДТ 0,823 0,120 0,057 39,79 860 15,1

75 %СояМ+25 %ДТ 0,799 0,118 0,083 38,42 880 23,8

90 %СояМ+10 %ДТ 0,785 0,116 0,099 37,60 900 45,8

Примечание: С - углерод; Н - водород; О - кислород

процентного содержания в ДСТ соевого масла и минерального ДТ, находится в пределах от 8,8 мм2/с (25 %СМ+75 %ДТ), а плотность изменяется от 850 кг/м3 до 920 кг/м3, в соответствии с теми же компонентами.

Максимальное значение низшей теплоты сгорания 41,16 МДж/кг соответствует ДСТ 25 % СМ+75 %ДТ, что ниже на 2,9 % по сравнению с 100 % ДТ. Полученные данные могут рассматриваться как предварительная оценка теплотворных и физических свойств ДСТ из соевого масла.

На основании проведённых исследований можно сделать вывод о возможном использовании соевого масла в качестве биологического компонента ДСТ.

Л и т е р а т у р а

1. Уханов А. П. Дизельное смесевое топливо: монография / А. П. Уханов Д. А. Уханов Д. С. Шеменев. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - 147 с.

2. Киреева Н. С. Обоснование использования биотоплив-ных композиций в качестве моторного топлива на тракторах сельскохозяйственного назначения: автореф. ... дис. канд. техн. наук. - Пенза: ПГСХА, 2009. - 19 с.

3. Голубев В. А. Эффективность использования тракторного агрегата при работе на горчично-минеральном топливе: автореф. дис. канд. техн. наук. - Пенза: ПГСХА 2012. - 23 с.

4. Уханов А. П. Работа тракторного дизеля на смесевом

топливе / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, В. А. Рачкин,

B. А. Иванов // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: сб. науч.

трудов Международной НТК. - СПб. : СПбГАУ. - 2008. -

C. 103-109.

5. Обзор рынка растительного масла [Электронный ресурс] - иКЬШр://^^^'^коу1кхот

- Загл. с экрана

6.ГОСТ Р 52808-2007 Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения- М: Стандартинформ, 2008. - 25 с.

7. Сюмак А. В. Повышение эффективности возделывания сои и зерновых культур в системе биологического земледелия: монография / А. В. Сюмак, В. А. Тильба, С. М. Доценко. - Благовещенск: ПКИ «Зея», 2012. - 260 с.

8. Година Е. Д. Биотопливо - производство и перспективы применения в мобильных энергетических средствах АПК Дальнего Востока. Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники: сборник материалов 25 Международного науч. техн. семинара им. Михайлова В. В.

- Саратов: РИО СГАУ, 2012. - С. 50-58

9. Уханов А. П. Экспериментальная оценка влияния смесевого топлива на показатели рабочего процесса дизеля. / А. П. Уханов, Е. А. Сидоров, Л. И. Сидорова, Е. Д. Година // Известия Самарской ГСХА. - 2012. - № 3. - С. 33-37

10. Болтинский В. Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. - М.: Сельхозиздат, 1962. - 391 с.