Экспериментальное исследование зависимости концентрации этиловых эфиров жирных кислот от вязкости

А. Р. Габитова, С. В. Мазанов, Р. А. Усманов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭТИЛОВЫХ ЭФИРОВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ОТ ВЯЗКОСТИ

Ключевые слова: биодизельное топливо, кинематическая вязкость, конверсия, СКФ-условия.

Отображена важность и значимость измерения кинематической вязкости биодизельного топлива, а также влияние вязкости на работу дизельных двигателей. Приведены зависимости концентраций этиловых эфиров жирных кислот от кинематической вязкости, а так же вязкости от температуры проведения реакции тран-сэтерификации. Выведена формула для вычисления концентрации этиловых эфиров жирных кислот по полученным значениям вязкости.

Keywords: biodiesel fuel, kinematic viscosity, conversion, SCF-conditions.

The importance and significance of the measurement of kinematic viscosity of biodiesel, and the effect of viscosity on the diesel engine are displayed. The dependences of the concentrations offatty acids ethyl esters from the kinematic viscosity, and the dependences of viscosity from temperature of the transesterification are given. The calculating formula for the concentrations offatty acids ethyl esters from obtained values of viscosity are deduced.

Знание вязкости биодизельного топлива имеет большое значение при проектировании оборудования для процессов синтеза и использования биотоплива в дизельных двигателях. В отношении работы двигателя, топливо с высокой вязкостью, как правило, образует более крупные капли после ин-жекции, что может привести к ухудшению распыления топлива, увеличению отложений в двигателе, большому энергопотреблению и износу топливного насоса и элементов форсунок. С другой стороны, топливо с низкой вязкостью не может обеспечить достаточную смазку насосов впрыска топлива, в результате возникают утечки и повышенный износ [1,2].

В настоящей работе, были определены кинематические вязкости нескольких образцов биодизеля, произведенных этанолизом, при различных температурах. Была разработана модифицированная методика для расчета вязкости этиловых эфиров жирных кислот, выведена зависимость концентрации эфиров от вязкости.

Кинематическая вязкость этиловых эфиров жирных кислот в значительной степени зависит от их химической структуры. Длина цепи, количество и положение химических групп, в которых находится двойная связь, а также характер окисленных фрагментов, влияют на вязкость. Она возрастает с увеличением длины углеродной цепи и уменьшается с числом двойных связей.

Одной из основных проблем при изучении или промышленном применении процесса трансэте-рификации растительных масел является определение содержания этиловых эфиров. Авторами был применен аналитический метод для оценки содержания этиловых эфиров в очищенном, пригодном для применения продукте трансэтерификации путем применения простой корреляции с вязкостью [3]. Корреляция была протестирована на большом количестве образцов с различным содержанием этиловых эфиров. Этот метод позволяет быстро и просто определить содержание этиловых эфиров, что чрезвычайно важно, поскольку состав этого вида топлива меняется.

Экспериментальная часть

Для получения биодизельного топлива использовалась периодическая установка, представленная на рис.1.

Молярное соотношение этилового спирта и рапсового масла составляло 2,5:1. Эксперимент проводился при давлении 30 МПа и температурах 280,300,320 и 350 °С[4]. ’

7

\

3 J —

Рис. 1 - Схема периодической установки для получения биодизельного топлива: 1 - реакционная ячейка; 2 - муфельная печь; 3 - горячий спай термопары; 4 - трубка датчика давления; 5 -датчик давления ПД100-ДИ; 6,7,11 - вторичные приборы ТРМ-101 для измерения давления и температуры; 8 - электронагреватель; 9 - подставка печи; 10 - теплоизоляция

Полученный продукт трансэтерификации содержит избыточное количество этилового спирта. Возникает необходимость очистки продукта реакции, для соответствия его ГОСТам и международным стандартам биодизельного топлива [5]. Для удаления свободного этанола авторами применялся роторный тонкопленочный испаритель с косозубыми скребками американской фирмы Pope scientific (рис.2).

кинематической вязкости от температуры отображены на рис.3 и 4 соответственно.

Зависимость концентрации от логарифма кинематической вязкости

--------------------------------------V

Без катализатора С катализатором

Рис. 2 - Роторный тонкопленочный испаритель с косозубыми скребками и змеевиковым конденсатором

Очищенный продукт поступал в колбу для сбора упаренного вещества. Полученный этанол повторно использовался для проведения реакции трансэтерификации.

Авторами были проведены измерения кинематической вязкости очищенных образцов биодизельного топлива. Вязкость определялась при помощи стандартного вискозиметра ВПЖ-2 диаметром 0,56 мм ГОСТ 10028-81. Измерение вязкости каждого образца проводилось 5 раз, по полученным данным было вычислено среднее значение.

Для вычисления вязкости использовалась формула:

V =

где К - постоянная вискозиметра (К=0,01 для ВПЖ-2 с диаметром 0,56 мм); Т - время истечения жидкости в секундах; V - кинематическая вязкость жидкости; g - ускорение свободного падения (м/с2). Средние вязкости и концентрации образцов биодизеля, полученных с добавлением катализатора и без него, представлены в таблице 1.

Таблица І - Средние вязкости и концентрации образцов биодизеля

Темпе- рату- ра,0С Средняя вязкость образцов без катализа-тора Кон цен тра ция об- раз- цов без ката та- лиза за- тора Средняя вязкость образцов с катализатором Концентрация образцов с катализатором

280 9,57 59,01 7,62 70,84

300 7,49 71,87 5,49 87,81

320 5,196 90,38 5,05 91,93

350 5,41 88,42

Зависимости концентрации этиловых эфиров жирных кислот от кинематической вязкости и

Рис. 3 - Зависимость концентрации этиловых эфиров жирных кислот от логарифма кинематической вязкости

Зависимость кинематической вязкости от температуры

1Q о 8

> 4

2

27Q 29Q 31Q 33Q 36Q

Т, С

иБез катализатора С катализатором

Рис. 4 - Зависимость кинематической вязкости этиловых эфиров жирных кислот от температуры

Выведена формула для вычисления концентрации этиловых эфиров жирных кислот по вязкости:

С = А*1_п

где: С - концентрация образца биодизельного топлива, %; v - кинематическая вязкость, мм2/с, А= -98,327 и В= 139,69 - коэффициенты[6].

Заключение

Полученные данные позволяют говорить о том, что при повышении температуры проведения процесса вязкость образцов биодизельного топлива снижается, а концентрация этиловых эфиров жирных кислот соответственно растет. Применение гетерогенного катализатора снижает вязкость биодизеля, улучшает кинетику процесса, а следовательно повышает конверсию, которая достигает максимального значения - 91-92 %, при давлении 30 МПа и температуре 320 0С.

Литература

1. R.Stern, J.C. Guilbet, J.Graille, Rev.Inst. Franc. du Petrole Vol.38, p.121, 1983.

2. E.H. Pryde, A.W. Schwad, in Vegetable Oil As Diesel Fuel, U.S. Department of Agriculture, Washington, D.C., ARM- NC-28, 1983, p.90.

3. P.De Filippis, C. Giavarini, M. Scarsella, M.Sorrentino. Transesterification Processes for Vegetable Oils: A Simple Control Method of Methyl Ester Content, JACCS, Vol.72,

№ 1, Rome, Italy, 1995.

4. Газизов Р.А. Физико-химические основы трансэте-рификации растительных масел в среде сверхкритиче-ского метанола / Р.А. Газизов, Р.А. Усманов, Ш.А. Бикташев, Ф.М. Гумеров, Ф.Р. Габитов // Вестник Казан, технолог, ун-та. - 2010. - №2. - С. 221-224.

5. Р.А. Газизов. Перспективы использования сверхкри-тического флюидного состояния в процессе получения биодизельного топлива / Р. А. Газизов, Ф.М. Гу-

меров, Ф.Р. Габитов, В.Г. Никитин, А.Н. Сабирзя-нов.// Тезисы докладов I Международной научнопрактической конференции «Сверхкритические флюидные технологии: инновационный потенциал России», Ростов-на-Дону. - 2004. - С. 35-41.

6. Максимук Ю.В. Вязкость и теплота сгорания дизельного топлива / Ю.В. Максимук, З.А. Антонова, В.В. Фесько, В.Н. Курсевичю// Химия и технология топлив и масел. - 2009. -№5. - С.27-30.

© А. Р. Габитова — асп. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, agabitova@inbox.ru; С. В. Мазанов — асп. той же кафедры КНИТУ, serg989@yandex.ru; Р. А. Усманов — к.т.н., доцент той же кафедры КНИТУ, usmanoff@gmail.com.