РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА БИОТОПЛИВАХ
В данном исследовании ставились следующие задачи:
- получение биотоплив;
- исследование физико-химических свойств биотоплив;
- исследование влияния свойств биотоплив на показатели дизеля;
- сравнительный анализ эффективности применения биотоплив;
- получение исходных данных для моделирования процессов сгорания и образования вредных веществ.
2.1. Методика экспериментального исследования
2.1.1. Получение биотоплив.
В работе использовались биотоплива, произведенные на основе рапсового масла. В п. 1.3.2 показано, что основными способами использования растительных масел в дизеле традиционной конструкции является их применение в смесях с ДТ, а также переработка масел в эфиры. Поэтому для исследований выбраны следующие топлива:
- дизельное топливо по ГОСТ 3869-99;
- смеси ДТ и РМ, содержащие по объему 25, 50 и 75 % рапсового масла;
- этиловый эфир рапсового масла.
Выбор этилового эфира обусловлен следующим. Следует отметить, что наибольшее распространение среди эфиров получили метиловые эфиры масел. Это связано с относительно простой технологией их производства и высоким выходом конечного продукта в ходе реакции этерификации. Однако, в связи с тем, что метанол является токсичным веществом, для производства МЭРМ необходимо получение ряда специальных разрешений. Кроме того, метанол получают, в основном из природного газа, что не позволяет считать метиловый эфир топливом, полностью произведенным из возобновляемого сырья. Поэтому, несмотря на более сложную технологию производства и худшее качество получаемого продукта, было принято решение использовать ЭЭРМ.
Этиловые эфиры образуются в процессе алкоголиза, то есть реакции жира и этилового спирта в присутствии катализатора. В качестве катализатора могут быть использованы кислоты, либо щелочи. Более эффективным является применение щелочных катализаторов [26]. Упрощенно реакция получения этилового эфира жирной кислоты рапсового масла представлена на рис.2.1.
Сотрудниками кафедр химии жиров и ДВС НТУ "ХПИ" был разработан и запатентован технологический процесс получения ЭЭРМ [65], который был положен в основу создания экспериментаьной установки для производства этилового эфира.
ЭЭРМжллщСхема разработанного технологического процесса показанана на рис. 2.2. Этот процесс можно условно разделить на следующие стадии:
- сушка спирта и масла для удаления остатков воды. Спирт осушается в процессе циркуляции через цилиндрическую колонну, наполненную цеолитом. Процесс сушки масла происходт под вакуумом и высокой температуре в реакторе;
- реакция спирта и масла протекает в присутствии катализатора при высоких температурах. Процесс реакции происходит в реакторе. Для наиболее полного перемешивания осуществляется циркуляция веществ через циркуляционный контур;
- отгонка избыточного спирта. Для наиболее полного протекания реакции требуется избыток спирта по отношению к маслу. Поэтому после того как реакция этерификации завершилась, необходимо отогнать избыточный спирт. Отгонка происходит при высоких температурах в емкость спирта;
- очистка образовавшегося ЭЭРМ от остатков спирта и катализатора осуществляется промывкой водой;
- разделение ЭЭРМ и глицерина. В результате реакции в реакторе образуются ЭЭРМ и глицерин. Глицерин как более плотное вещество оседает на дно реактора. После окончания реакции глицерин сливается в спецальную емкость;
- сушка ЭЭРМ и глицерина, получение готового продукта. Этиловый эфир осушается от остатков воды и, в результате процесса фильтарации сливается в емкость готового продукта. Глицерин также проходит через фильтры и сливается в емкость готового продукта.
Следует отметить, что побочным продуктом при производстве ЭЭРМ является глицерин. Это вещество широко используется в химической промышленности и пользуется повышенным спросом. При промышленном производстве ЭЭРМ возможно получение глицерина в больших количествах, что позволит снизить себестоимость ЭЭРМ и повысить рентабельность его производства.
На основе разработанного технологического процесса на спиртовом заводе в с. Ивашки Харьковской области была спроектирована и создана экспериментальная установка для получения этилового эфира (рис. 2.2). На этой установке автором совместно с к.т.н. О.Ю.Линьковым и к.т.н. О.П.Чумак получен необходимый для экспериментальных исследований объем партии ЭЭРМ.
2.1.2. Оборудование для исследования физико-химических свойств биотоплив.
Исследование физико-химических свойств биотоплив выполнено автором совместно с к.т.н. О.Ю.Линьковым.
В работе исследовались плотность, вязкость, поверхностное натяжение, элементарный состав и теплота сгорания топлив. Плотность, вязкость и поверхностное натяжение измерялись на кафедре ДВС НТУ "ХПИ". Определение элементарного состава и низшей теплоты сгорания топлив производилось в Углехимическом институте (г. Харьков).
Для определения плотности топлив использовались ареометры. Измерения проводились по методике, установленной ГОСТ 3900-47 "Нефтепродукты. Метод определения плотности".
Вязкость топлив определялась капиллярным вискозиметром в соответствие с ГОСТ 33-66. "Нефтепродукты. Определение кинематической вязкости".
Для определения поверхностного натяжения использовался прибор Ребиндера.
Элементарный состав испытуемых топлив определялся по ГОСТ 2408.1- 88 "Топливо твердое. Методы определения углерода и водорода" (согласно ГОСТ 2161-75 элементарный состав дизельного топлива разрешается определять по методике, разработанной для твердого топлива).
Теплота сгорания топлив определялась в соответствие с ГОСТ 21261-75 "Нефтепродукты. Метод определения удельной теплоты сгорания".
Результаты измерения физико-химических свойств исследуемых топлив представлены в п. 2.2.1.
2.1.3. Испытательный стенд с дизелем 4ЧН12/14 (СМД-23).
Исследование влияния физико-химическ