ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Представленная работа затрагивает проблему замены исчерпаемых источников энергии на возобновляемое биотопливо.

Различают три главных вида биотоплив: твердые (дрова и топливные гранулы), жидкие (биометанол, биоэтанол, биобутанол, диметиловый эфир, биодизельное топливо), газообразные (биогаз, биоводород, метан) В данной работе непосредственное внимание будет уделено биодизельному топливу, как топливу наиболее подходящему по физико-химическим особенностям, так и позволяющему попутно решать проблемы утилизации отходов производств или получения побочных продуктов.

Топливо производится из возобновляемых ресурсов, которые не вызывают накопления газов, создающих парниковый эффект, что характерно для горючего, в основе которого находится нефть. Биодизельное топливо может применяться различными образами: как метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ) и его смеси с ДТ; как очищенное рапсовое масло (РМ) или его смеси с ДТ; как смеси метилового эфира рапсового масла со спиртами (этанолом и метанолом, которые можно получать из биомассы).

Обычно источниками для получения биодизеля служат масличные культуры и животные жиры, так называемые биотоплива первого поколения. Подсолнечник, соя или рапс – основные виды растений, из которых производится биодизельное топливо. В автомобилях его не используют в чистом виде. Его смешивают с традиционным дизельным топливом, причем биодизель должен содержаться в пропорции 1:4, то есть одна пятая часть биодизеля и четыре пятых – обычного дизеля. Именно поэтому использование биодизельного топлива очень просто в техническом плане. Двигатель автомобиля не требует изменений и доработки. Выхлопные газы при использовании биодизеля намного более чистые в экологическом плане, содержание вредных веществ намного ниже, чем допустимые экологические параметры. Впрочем использование этих источников сырья приводит к истощению почв, в следствие этого ученые все больше внимания стали уделять продуцентам (микроорганизмы), таким как водоросли, мицелиальные грибы и т.д.

Культивирование водорослей

Рисунок 1 – Культивирование водорослей

1. Актуальность темы

В настоящее время в большинстве стран мира решается вопрос замены топлива нефтяного происхождения, запасы которого резко сокращаются, а потребности в нем растут. Актуальность проблемы дефицита энергоресурсов со временем только возрастает: необходимость перехода на альтернативные источники диктуется не только подорожанием ископаемых энергоресурсов, но и угрозами глобального изменения климата.

Одним из решений этих проблем является использование топлив на основе растительных масел. Топлива на основе растительных масел относятся к биодизельным топливам. В тоже же время, как показывают проведенные исследования, при массовом производстве семян масленичных культур существует проблема существенного уменьшения площадей сельскохозяйственного назначения, имеющих жизненно важное значение в обеспечении продовольственной безопасности регионов. Биотопливо, получаемое из биомассы  – один из наиболее распространенных в современном мире возобновляемых источников энергии.

По сравнению с обычным дизельным топливом, биодизель является более экологически чистым и более безопасным при хранении и использовании, имея при этом приблизительно равную энергетическую ценность.

Таким образом, при дальнейшим использовании в качестве альтернативного топлива биодизеля может быть перспективным его производство на основе эфиров смеси жирных кислот, полученных из морских водорослей [5].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является исследование технологии получения биотоплива из искусствено-культивируемых водорослей.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ существующих технологий получения биотоплива из водорослей.
  2. Поиск и выявление характеристик процесса культивирования водорослей для получения биотоплива, существенно влияющих на выход основного продукта.
  3. Разработка математической модели стадий получения биодизеля из искусственно-культивируемых водорослей.
  4. Разработка физической модели реактора для культивирования водорослей – исходного сырья для дальнейшего производства биотоплива.

Объект исследования: производство биотоплива.

Предмет исследования: процесс совершенствование методов получения биотоплива из водорослей.

В рамках магистерской работы планируется получение результатов по следующим направлениям:

  1. Изучение влияния светового излучения на температурный режим среды для выращивания культуры микроводорослей.
  2. Внедрение новых методов для регулирования процесса получения биотоплива.
  3. Разработка экспериментальной установки для культивирования микроводорослей.
  4. Разработка программно-аппаратного комплекса установки для культивирования микроводорослей на основе математической модели.

3. Обзор исследований и разработок

Метиловые эфиры жирных кислот для дизельных двигателей получают из триглицеридов масел реакцией алкоголиза (ее еще называют трансэстерификацией), а из свободных жирных кислот – этерификацией. Если кислотное число растительного масла меньше 2, технологический процесс производства биодизельного топлива упрощается, необходима только реакция трансэстерификации. В другом случае, чтобы не усложнять производственный процесс дополнительной операцией, масло нейтрализуют. Поэтому алкоголиз является ключевой операцией производства биодизельного топлива [6].

К реакциям алкоголиза относят реакции между сложным эфиром и спиртом, в результате которой образуются новые сложные эфиры, в состав которых входит спирт и остаток кислоты исходного эфира – происходит переход ацильных радикалов эфира к молекуле спирта. Различают, в зависимости от используемого спирта, реакции метанолиза, глицеролиза и т. п. [1].

Основная технология в развитых странах основана на переэтерификации триглециридов растительного масла метанолом с использованием основных или кислотных катализаторов. В случае кислотного катализатора продолжительность реакции составляет порядка 1–45 ч, в случае основного – 1–8 ч (в зависимости от температуры и давления), причем в начальный период реакция протекает медленно вследствие двухфазной природы системы метанол/масло и полярности участвующих соединений. Этерификация – взаимодействие кислот и спиртов в условиях кислого катализа, например, получение этилацетата из уксусной кислоты и этилового спирта: СН3COOH + C2H5OH = СН3COOC2H5 + H2O Этерификация – обратимая реакция: вода разлагает сложные эфиры с образованием исходных веществ. Положение равновесия существенным образом зависит от природы и количества кислоты и спирта [7]. Переэтерификация (трансэтерификация) – химическая реакция сложного эфира со спиртом, кислотой или другим сложным эфиром, приводящая к образованию сложного эфира, который отличается по составу от исходного. В биотопливе – химическая реакция масла или жира и простейших спиртов (метанол, этанол) в присутствии катализатора выглядит так (рис. 2):

Реакция получения биодизеля

Рисунок 2 – Реакция получения биодизеля [2]

Для получения качественного продукта необходимо выдержать ряд требований [2]:

  1. После прохождения реакции переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96 %.
  2. Для быстрой и полной переэтерификации метанол берется с избытком, поэтому метиловые эфиры необходимо очистить от него.
  3. Использовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техники без предварительной очистки от продуктов омыления недопустимо. Мыло засорит фильтр и образует нагар, смолы в камере сгорания. При этом сепарации и центрифугирования недостаточно. Для очистки необходима вода или сорбент.
  4. Заключительный этап – сушка метиловых эфиров жирных кислот. Так как вода приводит к развитию микроорганизмов в биодизеле и способствует образованию свободных жирных кислот, вызывающих коррозию металлических деталей.
  5. Хранить биодизель более 3 месяцев не рекомендуется – разлагается.

4. Базовая концепция системы получения биодизеля из биомассы искусственно-культивируемых водорослей

Процесс производства биодизеля достаточно прост: сначала масло  очищают, а затем в него добавляют метиловый спирт и катализатор (щелочь). Суть технологии получения биотоплива состоит в химическом взаимодействии подогретого до 50–80 °С растительного масла и раствора щелочи (катализатора), растворенного в метиловом спирте. Далее продукты реакции, включающие метиловые эфиры высших алифатических кислот, а также побочные продукты : глицераты, глицерин, ди- и моноацилглицерины, свободные жирные кислоты и продукты их омыления отстаивают до полного расслоения эфирной и глицериновой фаз. Эфирную часть отделяют, нейтрализуют, промывают водой и высушивают.

Легкие верхние фракции продукта и составляют метилэфир (биодизельное топливо)[3].

Принципиальная схема производства и процесс получения биодизельного топлива представлены на рис. 3 [2].

Принципиальная схема производства дизельного биотоплива

Рисунок 3 – Принципиальная схема производства дизельного биотоплива

Производство биодизеля идет по одному семиступенчатому круговому процессу, к тому же, в одном резервуаре [3]:

I ступень – в центральном стальном резервуаре подготовленная масса триглицерина (растительное масло) всасывается и разогревается;

II ступень – к разогретому триглицерину добавляются метанол и катализатор, причем вся масса в ходе химических процессов переходит в метиловый эфир и глицерин;

III ступень – полученный глицерин оседает на дно резервуара и высасывается (создание эфира считается реакцией равновесия); так как при данных условиях около 5 % сырья не вступает в реакцию, эта ступень повторяется;

IV ступень – необработанный биодизель промывается водой, чтобы отмыть загрязняющие составляющие;

V ступень – за короткое время вода оседает внизу цистерны и высасывается (IV и V ступени могут повторяться несколько раз в зависимости от качества сырья);

VI ступень – цистерна подогревается, а затем создается вакуум; вода и метанол, не осевшие или не участвовавшие в реакции, из резервуара удаляются;

VII ступень – готовый биодизель перекачивается в цистерну-хранилище, после чего может начинаться новый производственный цикл.

Варианты данного способа могут отличатся типом катализатора, наличием стадии дополнительной промывки реакционной массы глицерином или этерификации свободных жирных кислот. Однако цель всегда остается одна – получение метилового эфира высших алифатических кислот, который является биодизельным топливом.

Реактор заполняется растительным маслом, после чего добавляется метилат калия. Пример реактора с мешалкой представлен на рис.4.

Реактор с мешалкой

Рисунок 4 – Реактор с мешалкой

Во время перемешивания эмульсии насос забирает эмульсию из нижней части реактора и подает ее к форсункам, которые обеспечивают ее интенсивное перемешивание. После полного прохождения метанолиза растительного масла полученная эмульсия остается в реакторе до полного разделения на фракции дизельного биотоплива и глицеринового осадка. Уровень глицеринового осадка контролируется с помощью специального устройства. Откачка дизельного биотоплива осуществляется насосом через патрубок, который установлен на поплавковом устройстве. Дизельное биотопливо перекачивается в емкость для хранения биотоплива, оснащение устройством для удаления метанола. Циркуляционный реактор при производстве дизельного биотоплива обеспечивает уменьшение затрат энергии на перемешивание и упрощение конструкции оборудования при обеспечении показателей качества дизельного биотоплива.

Основным элементом технологической схемы является реактор, от совершенства которого зависит качество выпускаемой продукции. Для всех реакторов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающего в нем химического процесса.

Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру, являются периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ [4].

Наиболее распространенный способ перемешивания при производстве дизельного биотоплива – механическими мешалками лопастного, рамного, якорного, пропеллерного и другими типами в реакторах периодического действия.

Турбулентное гидросмешивание в потоке обеспечивает качественное смешивание растительных масел с раствором метилата калия или натрия и за счет своей длины и должного количества турбулизаторов обеспечивает полное прохождение реакции метанолиза. Характерной особенностью такого оборудования является возможность применения более простого в техническом плане оборудование, которое имеет меньшую металлоемкость и энергоемкость производства дизельного биотоплива. Кроме того, такое перемешивание используется в реакторах непрерывного действия, а поэтому сезонное использование его в производстве не является целесообразным.

Гидромеханическое перемешивание также обеспечивает качественное перемешивание во всем объеме заполненного реактора, которое происходит за счет вылета смеси растительного масла и метилата калия из форсунок, в результате чего образуется реактивная сила, которая создается вращательное движение мешалки с лопатками, осуществляют дополнительное перемешивание смеси. Использование такого типа перемешивания обеспечивает двойное смешивание компонентов, за счет чего обеспечивается высокий качественный и количественный выход дизельного биотоплива. Это оборудование разработано для использования в сезонной работе с применением агропромышленной технологии производства дизельного биотоплива. Пример технологической схемы промышленного производства биодизеля предоставлен на рис.5.

Технологическая схема промышленного производства биодизеля

Рисунок 5 – Технологическая схема промышленного производства биодизеля

Выводы

На данном этапе исследования, основная цель – это разработка лабораторной установки биореактора на основе математической модели. Предполагается поддерживание таких параметров как: температура среды, интенсивность подачи СО2 и питательной среды, интенсивность перемешивания культуры, выдержка временных интервалов для необходимого освещения, контроль пропускания света через среду для определения интенсивности развития исходной культуры., что в итоге и даст возможность получить экологически чистое и экономически выгодное в использовании биотопливо. Огромную роль при этом, играет подбор и выбор состава питательной среды, а также технология эффективного выращивания разных штаммов микродорослей.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2020 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Особенности производства биодизеля. [Эдектронный ресурс]. – Режим доступа: Особенности производства биодизеля.
  2. Виноградова, А. В., Биотехнология топлива: учеб. пособие / А. В. Виноградова, Г. А. Козлова, Л. В. Аникина. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 212 с.
  3. Биодизель и его производство – это одно из самых перспективных и выгодных направлений для малого бизнеса. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:Биодизель и его производство – это одно из самых перспективных и выгодных направлений для малого бизнеса..
  4. G. Vicente Kinetics of Sunflower Oil Methanolysis / G. Vicente [and others] // Ind. Eng. Chem. Res. – 2005. – Vol. 44. – P. 5447–5454.
  5. Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л.С. Беляев, А.В. Лагерев, В. В. Посекалин и др.; отв. ред. Н. И. Воропай. – Новосибирск: Наука, 2004.–386 с.
  6. Энергетика России: проблемы и перспективы: тр. науч. сессии РАН: общ. собрание РАН 19–21 декабря 2005 г. / Под ред. В. Е. Фортова, Ю. Г. Леонова. – М.: Наука, 2006.–499 с.
  7. Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л.С. Беляев, А.В. Лагерев, В. В. Посекалин и др.; отв. ред. Н. И. Воропай. – Новосибирск: Наука, 2004.–386 с.