научная статья по теме МИНИ-УСТАНОВКА ПО ПРОИЗВОДСТВУ БИОДИЗЕЛЯ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА И ИЗОПРОПИЛОВОГО СПИРТА Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «МИНИ-УСТАНОВКА ПО ПРОИЗВОДСТВУ БИОДИЗЕЛЯ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА И ИЗОПРОПИЛОВОГО СПИРТА»

Статья поступила в редакцию 13.04.15. Ред. рег. № 2223

The article has entered in publishing office 13.04.15. Ed. reg. No. 2223

УДК 533.9.082.74

doi: 10.15518/isjaee.2015.13-14.009

МИНИ-УСТАНОВКА ПО ПРОИЗВОДСТВУ БИОДИЗЕЛЯ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА И ИЗОПРОПИЛОВОГО СПИРТА

Л.И. Ринк, Ю.А. Собченко

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: 8 (499) 174 87 72, e-mail: yuri217@rambler.ru

Заключение совета рецензентов: 18.04.15 Заключение совета экспертов: 23.04.15 Принято к публикации: 28.04.15

В статье рассмотрены вопросы перевода сельского производителя на самообеспечение электроэнергией за счет производства биодизельного топлива из произведенного растительного масла (или отработанного масла) и изопропилового спирта. Описывается сравнительно недорогая небольшая установка, использующая СВЧ-энергию в качестве основного источника изготовления биотоплива. Применение электромагнитного поля сантиметрового диапазона позволяет многократно ускорить реакцию переэтерификации растительных масел в эфиры жирных кислот, составляющих основу биотоплива. Добавление наноактиватора приводит к повышению энергетических характеристик биотоплива на 10-20%.

Ключевые слова: биотопливо, наноактиваторы, СВЧ-поле.

MINIPLANT ON PRODUCTION OF THE BIODIESEL FROM VEGETABLE OIL AND ISOPROPYL ALCOHOL

L.I. Rink, Yu.A. Sobchenko

All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) 2, 1st Veshnyakovskii str., Moscow, 129128, Russia Tel.: 8 (499) 174-87-72, e-mail: yuri217@rambler.ru

Referred: 18.04.15 Expertise: 23.04.15 Accepted: 28.04.15

The article proposes the transfer of small-scale agriculture to self-sufficiency in electricity production of biodiesel grown vegetable oil (or waste oil) and isopropyl alcohol. Is inexpensive and a small microwave plant as a major producer of biofuels. There are application of an electromagnetic field of microwave frequency range greatly speeds up the process of obtaining biodiesel. Adding nanoactivators improves the efficiency of fuel on 10-20%.

Keywords: biodiesel, nanoactivator, microwave field.

Сведения об авторе: д-р хим. наук, зав. лаборатории нанотехнологий ВИЭСХ. Образование: Ленинградский Технологический институт им. Ленсовета (1970). Область научных интересов: альтернативная энергетика, восстановление качества воды, создание лекарственных препаратов для людей и животных. Публикации: 260.

Леонид Игоревич Ринк Leonid I. Rink

Information about the author: doctor of chem. sciences, head of nanotechnology lab VIESH. Education: Leningrad Technological Institute named after Lensovet (1970).

Research area: alternative energy, restoration of water quality, the creation of medicines for people and animals.

Publications: 260.

Сведения об авторе: научный сотрудник лаборатории нанотехнологий ВИЭСХ. Образование: Московский Электротехнический институт связи (1974). Область научных интересов: СВЧ-энергетика, производство биодизельного топлива. Публикации: 8.

Information about the author: researcher, laboratory of nanotechnologies VIESH. Education: Moscow Electrotechnical Institute of Communications (1974). Research area: microwave energy, production of biodiesel. Publications: 8.

Юрий Александрович Собченко Yuri A. Sobchenko

Введение

Обоснование конструкции реактора

Количество сельского населения в РФ в последнее время стабилизировалось и составляет 26,3% от общей численности населения, то есть 37,6 млн человек [1]. В основном оно проживает в населенных пунктах до 100 человек - 67,3% [1]. Подобные населенные пункты почти всегда экономически невыгодно электрифицировать и газифицировать.

Жители таких населенных пунктов:

- заинтересованы в самообеспечении электроэнергией, теплом и горючим;

- имеют возможность получать растительное масло из собственного сырья, например, методом холодного отжима;

- имеют возможность использовать отработанные масла как от домашнего использования, так и от общественного (например, сеть закусочных, столовых и т.д.). Биотопливо из растительного сырья является возобновляемым и экологичным [2]. Биодизель наносит меньше вреда окружающей среде [3], чем дизельное топливо.

Представляем установку, созданную учеными ВИЭСХ. Создатели мини-установки (в дальнейшем МИНИ-1) надеются, что в связи с низкой стоимостью, надежностью и простотой в эксплуатации она займет достойное место в арсенале российского селянина.

Основная часть

Установка МИНИ-1 является логическим продолжением конструкций, разработанных в ВИЭСХ в 2012-2013 годах [4], а именно, установок для приготовления биодизельного топлива в СВЧ-поле для лабораторий вузов, применяемых в учебных целях. Главное отличие новой установки от лабораторной в том, что в составе исходного сырья вместо этилового спирта применяется изопропиловый спирт, а также в проведении процесса при высокой (до 100 °С) исходной температуре. Значительно изменена конструкция установки.

Принципы построения установки обосновываются на основе уравнений Максвелла и прохождения реакции получения биотоплива с использованием СВЧ-энергии.

Вопрос распространения СВЧ-излучения в волноводах, то есть волн с дисперсией граничных условий, вытекает из рассмотрения следующих уравнений:

rotxE = -jœ^oHx; (1)

rotyE = -jœ^Hy; (2)

rotzE = -jœ^Hz; (3)

rotxH = -jœeecEX; (4)

rotyH = -jœ££oEy; (5)

rotzH = -jœeeoEz. (6)

Из этих уравнений следует, что СВЧ-поле может распространяться внутри металлических поверхностей, какой и является наш реактор.

Конструкция реактора соединяет в себе две функции:

- обеспечить режим проведения заданной химической реакции;

- создать благоприятные условия для совместного прохождения реакции и СВЧ-воздействия на смесь.

Остановимся более подробно на второй.

С точки зрения физических процессов в реакторе, он прежде всего является резонатором для СВЧ-волн. Конструкции резонаторов бывают различными, мы остановились на цилиндрическом полом резонаторе. Резонансная длина в нем:

À < ^'крит. 2,62Rцилиндра,

(7)

где À - длина волны, излучаемой генератором СВЧ-

волн; Я„

радиус реактора.

Длина волны при / = 2450 Мгц в свободном пространстве равна 12,2 см, следовательно, радиус реактора > Я = 4,66 см.

Однако в нашем случае реактор заполняется реакционной смесью. В этом случае

^реак. крит . ^крит.^

1/2

так как ц = 1,

(8)

где е - диэлектрическая проницаемость, а ц - магнитная.

Из приложения 4 [11] находим ешс = 18,7, а емасло раст. = 3,0, следовательно, Ятш = 6,49 см. Поэтому диаметр реактора должен быть больше 12,98 см. Выбираем 15 см. А структура электромагнитного поля волны Щь которое формируется в цилиндрическом резонаторе, не зависит от длины резонатора Ь. Поэтому, уменьшая Ь, мы не изменяем структуру электромагнитного поля, а только увеличиваем плотность энергии.

Большую роль играет такой физический параметр, как глубина проникновения электромагнитного поля в реакционную смесь. Опираясь на нее, можно определить оптимальные размеры реактора. Из [5] следует:

0 (9)

сV2Í74(1+Е''/Е')2 -1

^с = c/fo,

(10)

где Х0 - длина волны СВЧ-генератора в свободном пространстве; Бр - глубина проникновения СВЧ-поля в исследуемое вещество; с - скорость света;/ -частота генератора, у нас 2450 МГц; е' - относительная диэлектрическая проницаемость; е" - диэлектрические потери.

Расчеты показывают, что для смеси 1000 мл рапсового масла и 300 мл изопропилового спирта Бр = = 14,07 см, то есть на этом расстоянии рассеется 63% энергии генератора независимо от его мощности.

Следовательно, экономически невыгодно делать реактор порционного типа с линейными размерами больше 25 см. Максимальный объем получаемого биодизеля в этом реакторе, если он куб, составит 15 625 мл, а вес около 14 кг. А если нам надо получить 100 литров, то лучше на расстоянии 20-25 см поставить три генератора, при этом высота бочки должна быть менее 50 см.

Используемые материалы и их характеристики

Для получения биодизеля необходимы два компонента: растительное (животное) масло и спирт -метиловый, этиловый или любой другой, который выбирает производитель. Метиловый спирт самый дешевый и наиболее эффективный при реакциях пе-реэтерификации из спиртов. Но он же самый опасный для здоровья человека и окружающей среды. Использование метилового спирта на селе недопустимо, на взгляд авторов.

Этиловый спирт широко используется в мире для приготовления биодизеля [6], но существуют специфические для России особенности, которые заставляют отказаться от этилового спирта:

1. Весьма высокая цена для рядового покупателя. В окружающем РФ мире государства стремятся сохранить природу, человека, оказывают поддержку производителю биотоплива, для чего снижают цену на спирт и масла для производителя экологичного топлива - у нас, к сожалению, этого нет.

2. Даже если вы приобрели обычный этиловый спирт - медицинский 70% (30% воды), ректификат или гидролизный 96% (4% воды), вы не получите биодизель, т.к. скорость реакции гидролиза масел (триглицеридов высших органических кислот) очень велика и превосходит скорость реакции алкоголиза (переэтерификации) масел. Для получения биодизеля необходим дорогой абсолютизированный спирт с содержанием воды менее 0,5%.

3. Этиловый спирт весьма дорогой, с учетом акцизов на сырье, введенных в России на спирт, предназначенный для получения алкоголя.

4. Кроме того, этанол в России входит в перечень прекурсоров наркотического направления, что делает невозможным для сельского жителя грамотно проводить технологический процесс, осуществляя учет и взаимодействие с представителями наркоконтроля.

Изопропиловый спирт сравнительно недорог, содержание воды < 0,1%. Расход изопропанола около 200 г на 1 кг биодизеля. По литературным данным [7], изопропиловый спирт этерифицирует триглици-риды не полностью. Есть сведения о конверсии всего в 11%. Для более полного прохождения реакции авторы предлагают использовать высокое давление и температуру до 200 °С [3]. Эти требования удорожают процесс производства биодизеля - растет цена оборудования, необходимы соответствующая

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком