Как сделать солярку из спирта

ТЕГИ:

Г. С. Столяренко, С. Л. Ющенко,

Ю. Д. Марцинишин, Н. М. Фомина, Е. В. Мислюк Черкасский государственный технологический университет

Большинство технологий производства биотоплива сегодня основаны на переработке сырья масличных культур, в частности рапса. Но для Украины актуальнее могло бы быть топливо из этилового спирта.

Почему этанол?

Технология производства топлива из биологического сырья, которая существует в настоящее время, базируется на использовании трех основных компонентов: растительного масла (рапсового, соевого, подсолнечного и т. п.); метилового спирта и катализатора.

Сырьевая база первого компонента для производства биодизеля не является проблемой для страны в плане высококачественных видов семян, размеров посевных площадей, получения высоких урожаев с учетом запланированного на перспективу покрытия 10% (до 2020 г.) потребностей в энергоресурсах за счет биомассы.

Второй компонент — метиловый спирт — наиболее эффективный для процессов этерификации. Но производство метилового спирта полностью зависит от зарубежного уровня поставки сырья — природного газа, а также от его себестоимости. В настоящее время наблюдается стойкая тенденция роста стоимости этого вида сырья. На начало 2007 года цена значительно выросла и составляла 23002500 грн. за тонну.

Получаемые метиловые эфиры — биодизель — по своим топливно-энергетическим показателям уступают нефтяному дизельному топливу, что приводит к перерасходам биодизеля на 8-12%. Однако по экологическим свойствам биодизель имеет несравнимые преимущества: на 30-60% снижается выброс оксидов азота; на 95-98% выброс оксида серы; на 50% уменьшается загрязнение сажей, альдегидами, углеводородами.

Применение метиловых эфиров приводит к увеличению ресурса двигателя, он работает «мягче» и тише. Кроме того, биодизель дешевле дизельного горючего.

Перед настоящим проектом ставятся задачи:

  1. Решить проблему производства биодизеля из других видов сырья, в частности, с использованием этилового спирта.
  2. Расширить сырьевую базу производства биодизеля, снизив зависимость страны от импорта газа или метилового спирта.

 

Фото 1. Как сделать солярку из спирта

 

Как победить воду

Синтез эфиров невозможен из этилового спирта, содержащего воду — резко падает выход биодизеля. Предлагается катализатор, который дает возможность использовать спирт-ректификат (93,8% спирта).

Из калькуляций ряда предприятий следует, что стоимость спирта составляет 20 грн./дал., или примерно 2500 грн. за тонну. С учетом отмены акцизного сбора, перевода производства этилового спирта на дешевое сырье (мелассу), роста стоимости метанола возможно снижение стоимости биодизеля из этиловых эфиров в 1,862,05 раза по сравнению с метиловыми эфирами.

Синтез биодизеля осуществляется обычно в стандартных реакторах с мешалкой и подогревом.

Предлагается новый тип реактора, который ускоряет в 5-6 раз стадию этерификации. При этом энергозатраты синтеза биодизеля снижаются на 25%. Внедрение нового типа реактора не приводит к изменению технологической схемы.

Этиловый биодизель по своим топливно-энергетическим показателям практически не уступает метиловому биодизелю, но и тот и другой уступают нефтяному дизельному топливу. Проект нуждается в разработке технологии интенсификации горения биодизеля на борту автомобиля. Наиболее эффективным процессом интенсификации горения является электрокаталитическое сжигание топлива. Эти разработки дадут возможность увеличить мощность дизельного двигателя и довести показатели работы его на биодизеле до уровня, который он имеет при сжигании нефтяного дизельного топлива.

Следует отметить, что предложенная технология не приводит к изменению конструкции двигателя. Она касается лишь технологии подачи воздуха и топлива.

 

Таблица 1. Сравнение результатов анализов метилового и этилового эфиров

 

Как проводились исследования

Исследования по производству биодизеля осуществлялись в двух направлениях: первое — исследование синтеза новых типов катализаторов, что позволит получать биодизель из этилового спирта с таким же выходом, такого же качества и при таких же условиях, как и для биодизеля из метилового спирта; другое — исследование влияния явления кавитации на скорость процесса синтеза биодизеля.

Синтез биодизеля происходит в процессе реакции переэтерификации в присутствии кислотного или щелочного катализатора. Как правило, используют щелочные катализаторы (КОН или NaOH), так как они менше потребляют энергии. Во время синтеза биодизеля с использованием щелочного катализатора происходит побочная реакция омыления масла. При этом количество катализатора уменьшается.

Исследован процесс синтеза биодизеля с использованием нового катализатора, что позволит провести процесс переэтерификации масла с этиловым спиртом практически без реакции омыления и с высокой степенью превращения.

Степень превращения масла в биодизель на новом катализаторе составляет 98%, на катализаторе КОН — 75-80%. Сравнительные результаты анализов образцов биодизеля синтезированного с использованием метилового и этилового спиртов представлены в табл.

Определено также оптимальное количество этилового спирта для проведения реакции переэтерификации с наибольшим выходом продукции и минимальными затратами спирта. Данные этого исследования приведены на рис. 1.

Из рис. 1 видно, что оптимальным количеством этилового спирта является 21± 1 дм3 на 100 дм3 масла.

 

Рисунок 1. Зависимость объемного содержания глицероловой фракции от количества этанола, который был взят для реакции

 

Технология быстрого получения этилового биодизеля

Суть технологии состоит в том, что синтез эфиров осуществляется в кавитационном устройстве, а установка для получения биотоплива включается в схему стандартной технологической линии: смеситель растительного масла со спиртами и катализатором, реактор синтеза эфиров путем переэте-рификации, нагреватель и распределитель продуктов этерификации. Реактор выполнен в виде резервуара и трубы, оборудованной на входе ускоряющим витком, что обусловило вихровой поток жидкости, а на выходе — зауженным участком с вибрационной пластиной.

Использование такого реактора упрощает технологию процесса этерификации, интенсифицирует синтез эфира, снижает капитальные затраты, а также энергетические затраты на нагревание и синтез.

 

Рисунок 2. Зависимость степени превращения масла в биодизель от времени реакции

 

Приводятся сравнительные результаты процесса синтеза биодизеля с использованием кавитационного реактора с данными синтеза биодизеля без кавитации. Сравнительная характеристика изменения выхода продукта от времени показана на рис. 2. Отсюда следует, что под действием кавитации степень превращения масла в биодизель на 95% достигает за 5-10 минут, а в обычном реакторе за 2025 минут (после достижения рабочей температуры раствора в реакторе).

Предлагаемая технологическая схема производства биодизеля представлена на рис. 3.

 

Рисунок 3. Схема производства биодизеля по новой технологии