Очистка биотоплива углекислым газом

Введение. Технология получения биотоплива из растительной биомассы была разработана еще в XX веке и до сих практически не изменилась. Биотопливо получают по традиционной технологии, многореакторной непрерывной технологии, технологии, разработанной ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии. Совершенствование технологического процесса получения биотоплива привело к возможности непрерывного его получения, увеличению выхода метиловых эфиров растительного масла, сокращению времени реакции [1–4].

Весь процесс получения биотоплива можно разделить на несколько стадий:

• 1)    приготовление алкоголята;

• 2)    смешивание алгкоголята с маслом;

• 3)    очистка биотоплива от глицерина и катализатора.

Заключительным и важным этапом в производстве биотоплива является его очистка от катализатора (нейтрализация), так как оставшийся катализатор может вызвать коррозию топливной системы дизельного двигателя [5]. Существует несколько способов очистки топлива от катализатора: сухой, мокрый и ферментный (рисунок 1).

В сухом способе используются силикаты ( Magnesol или Trisyl ), ионообменные смолы, целлюлоза, активированная глина, активированный уголь, активированные волокна и т.д.

Рисунок 1 – Классификация способов очистки биотоплива от катализатора

Сухой способ обычно проводят при температуре 65 °С в течение 20–30 минут [6]. Однако осуществление такого способа дорого из-за высокой стоимости реагентов.

Более традиционным является мокрый способ или по-другому – водная промывка, где используется дистиллированная или водопроводная вода, которая вымывает примеси. Способ заключается в добавлении определенного количества воды в биотопливо и смешивание. Однако включение дополнительной воды в процесс обладает следующими недостатками: потребление воды, длительность процесса, дополнительная сушка биотоплива. Очистка биотоплива может осуществляться и кислотой, которая нейтрализует щелочной катализатор. В классическом варианте щелочной катализатор удаляют путем нейтрализации ортофос-форной кислотой [7, 8] и последующей промывкой топлива водой. Здесь различают следующие промывки: аэрозольная, объемная и пенная.

Аэрозольная промывка осуществляется с помощью распылителей, с последующим стоком воды после её протекания. Объемная промывка заключается в смешении одинакового количества воды и биотоплива, полученная смесь отстаивается, и вода сливается, процесс повторяется многократно. При пенной промывке смешивается 1/3 воды и 2/3 биотоплива при последующем барботировании воздуха через слой воды. В результате происходит перемешивание, при этом соли катализатора, получен- ные при нейтрализации биотоплива раствором кислоты, и другие примеси удаляются [9].

Возможно использование углекислоты, которая не требует промывки водой. Для этого необходимо использовать газожидкостный смеситель для смешивания углекислого газа с биотопливом. Все газожидкостные смесители можно разделить на несколько групп: барботажные, механические, пленочные и кавитационные.

Для барботажных смесителей характерна прежде всего простота конструктивного исполнения и высокая эксплуатационная надежность. Среди них известны: реактор барботажный колонный, реактор барботажный газлифтный, реактор барботажный змеевиковый. Используются они как при периодическом, так и при непрерывном процессах обработки жидкостей. Такой способ смешивания отличается прежде всего простотой конструктивного исполнения и, следовательно, высокой эксплуатационной надежностью.

Для механических смесителей характерна большая удельная поверхность контакта фаз, что обеспечивает возможность обработки сред с сильно отличающимися плотностями составляющих компонентов.

Пленочные смесители – это аппараты с пленочным течением жидкости. Среди них выделяют: реактор со свободно стекающей пленкой, реактор с восходящей пленкой, реактор с закрученным газожидкостным потоком. Недостатком всех этих смесителей является высокая дисперсность [10]. Наибольшее распространение в практике приготовления смесей получили гидравлические кавитационные устройства.

Целью исследований является проверка эффективности очистки биодизельного топлива различными кислотами (ортофосфорной кислотой и углекислотой).

Материалы и методы. Биодизельное топливо получали по реакции переэтерификации в присутствии щелочного катализатора – гидроксида калия.

Синтезировали топливо на магнитной мешалке в течение 30 минут при температуре 60 °С. Количество катализатора составило 2% от массы масла. Полученное биотопливо очищали углекислым газом с помощью барботирования и ортофосфорной кислотой. Готовое биотопливо промывали водой и его качество оценивали по показателю рН водной вытяжки. рН определяли с помощью рН-метра лабораторного АТС 100 (рисунок 2). На рисунке 3 показан внешний вид водной вытяжки, полученной в результате промывки биотоплива.

Рисунок 2 – Промывка биотоплива водой и определение рН

• 1    – водная вытяжка биотоплива, очищенного углекислым газом; 2 – водная вытяжка после биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой; 3 – водная вытяжка после неочищенного биотоплива

Рисунок 3 – Внешний вид водной вытяжки

Результаты и их обсуждение. На рисунке 4 представлены результаты рН водной вытяжки при разных способах очистки биотоплива. Установлено, что значение рН промывочной воды близко к нейтральному (6,8) после очистки биотоплива углекислым газом. При очистке топлива ортофосфорной кислотой значение рН промывочной воды кислое (2,5), а в неочищенном топливе щелочное (10,2) (рисунок 3). Следовательно, при очистке биотоплива ор-тофосфорной кислотой необходима дополнительная промывка топлива водой.

Проводили исследование по влиянию количества промывок на рН водной вытяжки (рисунок 5).

При использовании неочищенного топлива требуется наибольшее количество промывок водой, при этом рН промывочной воды снижается до 8,2; при использовании биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой, количество промывок снижается и рН повышается до 6,8; при использовании биотоплива, очищенного углекислотой, рН достигает значения 6,8 уже после первой промывки (рисунок 5).

1 – водная вытяжка биотоплива, очищенного углекислым газом;

• 2    – водная вытяжка после биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой;

• 3    – водная вытяжка после неочищенного биотоплива

Рисунок 4 – Значения рН промывочной воды при разной очистке

Объем промывочной воды, л

• 1    – промывочная вода после биотоплива, очищенного углекислым газом;

• 2    – промывочная вода после биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой;

• 3    – промывочная вода после неочищенного биотоплива

Рисунок 5 – Влияние количества промывок на рН водной вытяжки

Выводы. Синтезируемое биотопливо необходимо подвергать очистке от катализатора, так как может произойти коррозия топливной системы дизельного двигателя. Рассмотрены основные способы очистки биотоплива, представлена их классификация. Экспериментально установлено, что наиболее эффективным по сравнению с кислотно-водной промывкой является очистка углекислым газом.