Исследование влияния ультразвуковой обработки смеси этилового спирта и рапсового масла при получении биодизельного топлива в сверхкритических флюидных условиях

Р. Р. Габитов, Р. А. Усманов, А. Р. Габитова,

Ф. М. Гумеров

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ СМЕСИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА И РАПСОВОГО МАСЛА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДНЫХ УСЛОВИЯХ

Ключевые слова: ультразвуковая обработка, величина конверсии, трансэтерификация.

Приведены методика и результаты экспериментального исследования влияния ультразвуковой обработки смеси этилового спирта и рапсового масла на величину конверсии при низких молярных соотношениях в ходе реакции трансэтерификации, проводимой в сверхкритических флюидных условиях, в процессе получения биодизельного топлива в реакторе проточного типа.

Keywords: ultrasonic treatment, the magnitude of the conversion, transesterification..

The methodology and results of experimental study of influence of ultrasonic processing of a mix of ethyl alcohol and rapeseed oil on conversion size are given at low painting ratios during reaction of transesterification the which is carried out in supercritical fluid conditions, in the course of receiving biodiesel fuel in the reactor of flowing type.

Согласно ранее проведенным исследованиям японских авторов [1,2], для успешного проведения реакции трансэтерификации с получением высокой степени конверсии (до 98%) при производстве биодизельного топлива (далее по тексту биодизеля) в сверхкритических флюидных условиях в реакторах периодического и проточного типов [3,4], без предварительной подготовки смеси, требуется высокое молярное соотношение спиртов (этанола, метанола и др.) к растительному маслу 40:1- 42:1, т.е. необходим большой избыток спирта. Кроме этого температура в реакторе должна быть в диапазоне 3200С - 3500С и давление должно составлять 19-45 МПа. Однако поддержание данных параметров процесса требует больших энергозатрат, связанных с возвращением в цикл избыточного спирта и его прокачку в больших количествах в контуре установки, а так же с созданием в реакторе высоких сверх-критических значений температуры и давления. Как известно, для реакции трансэтерификации требуется стехиометрическое молярное соотношение спирта к маслу 3:1, в то время как рабочее соотношение, как было сказано выше, увеличено до 42: 1.

В целях снижения молярного соотношения и вышеуказанных параметров процесса авторами были проведены экспериментальные исследования по трансэтерификации рапсового масла с этиловым спиртом в сверхкритических флюидных условиях на модернизированной экспериментальной (пилотной) установке проточного типа, снабженной ультразвуковым диспергатором ИЛ-10 производства УТ ИНЛАБ (г. Санкт-Петербург), частотой 20,5 кГц и мощностью 2 кВт (см. рис.1). Исследования были проведены при низких молярных соотношениях спирта к маслу - 18:1 и 5:1.

Установка работает следующим образом: исходные компоненты смеси с заданным молярным соотношением поступают в ультразвуковой диспер-гатор 9, в котором они обрабатываются ультразвуком в непрерывном режиме. После обработки смеси образуется мелкодисперсная эмульсия, которая че-

рез насос высокого давления 8 прокачивается в реактор 2, где она нагревается до сверхкритических температур магнезиальным кабелем и создается необходимое давление за счёт обратного вентиля высокого давления. Далее процесс протекает аналогично описанному в работе [5]. В дальнейшем для оптимизации процесса нагрева реактор с магнезиальным кабелем был заменён на аналогичный с индукционным типом нагрева.

глицерин , ,

--------------------------------------- биодизель

Рис. 1 - Принципиальная схема модернизированной экспериментальной (пилотной) установки проточного типа с ультразвуковым диспергатором: 1 - резервуар для спирта; 2 - реактор непрерывного типа с нагревом магнезиальным ка-белем;3 - резервуар для сырья; 4 - термостати-руемый задерживающий сосуд; 5 - холодильник^ - гравитационно-динамический сепаратор;? - вакуумный насос; 8 - насос дозирующий; 9 — ультразвуковой диспергатор; 10 - теплообменник;^ 12, 13 - вентиль высокого давления; 14, 15, 16 - вентиль; 17, 18 - регулятор давления

Авторами были проведены экспериментальные исследования по получению биодизеля в реакторе проточного типа в непрерывном процессе трансэтерификации рапсового масла с этиловым спиртом (96%) в сверхкритических флюидных условиях с предварительной обработкой исходных компонентов в ультразвуковом диспергаторе. Получен-

ные результаты согласуются с данными, опубликованными ранее в работе [5]. Установлено существенное возрастание конверсии после ультразвуковой обработки исходной смеси реагентов на этапе, предшествующем осуществлению реакции и 98% конверсия достигается при молярном соотношении спирта к маслу 18:1 и 5:1 и при более низких параметрах реакции: температуре до 2800С и давлении около 20 МПа. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 2-4.

Тем пература, C

Рис. 2 - Зависимость конверсии рапсового масла в этиловые эфиры жирных кислот (ЭЭЖК) от температуры реакции при молярном соотношении этанола к маслу 5:1 (без обработки смеси ультразвуком) на модернизированной экспериментальной (пилотной) установке проточного типа с индукционным нагревом реактора

1GG

и

а

е

£ 40-----------------------------------------------------------------

о

ьг

20------------------------------------------------------------------

0 -I---,--------,----,------,------,----,------,------,-----,------,

250 260 270 280 290 З00 З10 З20 ЗЗ0 З40 З50

Температура, С

Рис. 3 - Зависимость конверсии рапсового масла в ЭЭЖК от температуры реакции при молярном соотношении этанола к маслу 18:1 (с обработкой смеси ультразвуком) на модернизированной экспериментальной (пилотной) установке проточного типа с индукционным нагревом реактора

W WWW WW W

I о

2 0 260 270 280 290 З00 З10 З20 ЗЗ0 З40 З50 Температура, С

Рис. 4 - Зависимость конверсии рапсового масла в ЭЭЖК от температуры реакции при молярном соотношении этанола к маслу 5:1 (c обработкой смеси ультразвуком) на модернизированной экспериментальной (пилотной) установке проточного типа с индукционным нагревом реактора

Выводы

Таким образом, благодаря использованию ультразвуковой обработки исходной смеси, значительно снижаются параметры проведения процесса: молярное соотношение, температура и давление процесса и тем самым снижаются энергозатраты и в конечном итоге снижается цена получаемого биодизеля.

Литература

1 . S. Saka. Biodiesel fuel for diesel fuel substitute prepared by a catalyst-free supercritical methanol / S. Saka, D. Kusdiana // Fuel. - 2001. - V. 80. - № 2. - Р. 225 - 231.

2. D. Kusdiana. Biodiesel fuel for diesel fuel substitute prepared by a catalyst-free supercritical methanol / D. Kusdia-na, S. Saka // 5th International Biomass Conference of the Americas, Orland, FL, USA. - 2001.

3. Р. А. Газизов. Перспективы использования сверхкрити-ческого флюидного состояния в процессе получения биодизельного топлива / Р. А. Газизов, Ф. М. Гумеров, Ф. Р. Габитов, В. Г. Никитин, А. Н. Сабирзянов. // Тез. докл. I Межд. научн.-практ. конф. «Сверхкритические флюидные технологии: инновационный потенциал России», Ростов-на-Дону. - 2004. - С. 35 - 41.

4. Р. А. Газизов. Физико-химические основы трансэтери-фикации растительных масел в среде сверхкритического метанола / Р.А. Газизов, Р.А. Усманов, Ш.А. Бикташев, Ф.М. Гумеров, Ф.Р. Габитов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №2. - С. 221-224.

5. Sh.A. Biktashev. Transesterification of Vegetable Oils in Supercritical Fluid Media / Sh.A. Biktashev, R.A. Usmanov, R.R. Gabitov, R.A. Gazizov, F.M. Gumerov, F.R. Gabitov, I.M. Abdulagatov, R.S. Yarullin, I.A. Yakushev. // Biomass and Bioenergy, 35 -2011. - P. 2999-3011.

© Р. Р. Габитов - асп. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, radif1954@mail.ru; Р. А. Усманов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, usmanoff@gmail.com; А. Р. Габитова - асп. той же кафедры, agabitova@inbox.ru, Ф. М. Гумеров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, gum@kstu.ru.