Главная страница
qrcode

Курсовой проект современные технологии. Разработка компьютеризированной системы контроля на экспериментальной установке первой стадии технологии получения биотоплива


Скачать 275.96 Kb.
НазваниеРазработка компьютеризированной системы контроля на экспериментальной установке первой стадии технологии получения биотоплива
Дата13.07.2020
Размер275.96 Kb.
Формат файлаdocx
Имя файлаКурсовой проект современные технологии.docx
ТипКурсовой проект
#40806
Каталог

ГОСУДАРСТВЕННО ОБРАЗОВАТЕЛЬНО УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Химическая технология топлива»

Курсовой проект

на тему «Разработка компьютеризированной системы контроля на экспериментальной установке первой стадии технологии получения биотоплива»
Выполнил

студента группы ХТм-19

Павленко Л.В.

Проверила

К.х.н.

Бутузова Л.Ф.
Донецк – 2020 г.

Содержание















По прогнозам экспертов в ближайшем будущем ожидается снижение выработки ископаемых источников энергии, в том числе и нефти, вызванное ограниченностью мировых недр. Запасы нефтяных ресурсов оцениваются на срок не более 80 лет и это с учетом месторождений в труднодоступных местах; остатков нефти в месторождениях, которые находятся в поздней стадии разработки; а также нефти с высокой вязкостью. Нехватка нефти, как прогнозирует Мировое Энергетическое Агентство, в 2025 году будет составлять 14%, что в несколько раз больше, чем на сегодняшний день. А также возросшая угроза экологического кризиса обуславливают более интенсивный поиск путей постепенного замещения, к примеру, бензина и дизельного топлива. Тем самым во всем мире осуществляется поиск других (альтернативных) видов топлив, получаемых из возобновляемых источников энергии, способных заменить традиционное нефтяное
Относительно новый вид экологического чистого топлива, решающий эту задачу, – биотопливо, являющееся также возобновляемым источником энергии. Биотопливом называется топливо, получаемое в результате переработки сырья природного происхождения. Движущими факторами для распространения биотоплива являются угрозы, связанные с энергетической безопасностью, изменением климата и экономическим спадом. Распространение производства биотоплива по всему миру нацелено на: увеличение доли потребления экологически чистого топлива, особенно на общественном транспорте; снижение зависимости от импортируемой нефти для многих стран; снижение выбросов парниковых газов; развитие экономики.

Различаются различные виды биотоплив: жидкое биотопливо, предназначенное главным образом для двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
В Европе один из самых распространенных видов биотоплива приходится на биодизельное топливо, производимое из семян масличных культур. Биодизельное топливо получают путем реакции трансэтерификации растительных масел и животных жиров в спиртовой среде (метанол, этанол) с образованием этиловых эфиров жирных кислот (ЭЭЖК), известных как биодизельное топливо, и глицерина. Сырьѐм могут быть подсолнечное,
Данный вид топлива является возобновляемым, экологически чистым источником энергии. Он может использоваться в обычных ДВС без изменения его конструкции. Также возможно использовать биодизель как самостоятельное топливо, так и смесь с нефтяным дизельным топливом.




Существует несколько методов получения биодизельного топлива: процесс трансэтерификации, гидрокрекинг, пиролиз и др. Одним из самых распространенных является процесс трансэтерификации растительных масел со спиртами в присутствии различных гомогенных катализаторов:
катализаторов, таких как серная, сульфатная, фосфорная и соляная кислоты; однородных основных катализаторов, таких как гидроксиды металлов (NaOH, KOH); алкоксидов металлов; карбонатов или гидротальцитов.

Основные катализаторы предпочтительнее кислотных катализаторов из-за более высокой активности и более низких температур проведения процесса . На рис. 1 схематично изображены основные стадии традиционного каталитического процесса получения биодизельного топлива.Процесс производства биодизельного топлива условно можно разделить на 4 составляющие :
процесс
  • сепарация;
  • рекуперация
  • очистка готового продукта.
    Рассмотрим постадийно каждую из составляющих:

    Процесс трансэтерификации. Растительные масла в основном состоят из триглицеридов жирных кислот. Сами по себе триглицериды представляют собой соединения трѐхвалентного спирта глицерина с 3-мя жирными кислотами.
    Исходная смесь при осуществлении реакции обычно нейтрализуется кислотой перед разделением. Это необходимо для того, чтобы уменьшить вероятность образования эмульсии воды с биодизелем. Далее, сырой биодизель отделяют от глицерина, спирта и мыла. Омыление чаще всего возникает из-за высокого содержания свободных жирных кислот в масле (более 0,5%) и наличия воды. Наличие мыла в продукте реакции приводит к увеличению вязкости, образованию геля и препятствует отделению глицерина от эфиров жирных кислот. Мыло в камере сгорания образует Избыток спирта, отделенный от биодизеля может быть повторно использован.

    Сепарация. Ввиду большой разности плотностей между эфирами жирных кислот и глицерина, процесс разделения чаще всего осуществляется сепарированием готового продукта. Сепарирование может быть осуществимо на центробежных сепараторах или гидроциклонах, откуда отдельно поступают глицерин и биодизель в емкости для сбора продукта.

    Рекуперация спирта. Как видно из реакции, приведенной выше (рис. 1), для осуществления реакции необходимо 3 моли спирта. Чтобы сдвинуть реакцию в сторону образования большего количества метиловых (этиловых) эфиров жирных кислот, необходим избыток спирта, чем требуется по стехиометрии уравнения. Поэтому при производстве биодизельного топлива целесообразно применять технологию рециркуляции спирта путем испарения. Испарение происходит в специальных испарителях, в которых создается разрежение вакууммированием. Вначале биодизельное топливо подогревают в нагревателе до температуры 60- 65°С, затем отводят пары спирта в конденсатор. В конденсаторе пары спирта охлаждаются и конденсируются. Сконденсировавшийся спирт перекачивается в реактор для его повторного использования в ходе реакции.

    Очистка готового продукта. Для удаления калия или натрия и следов глицерина и воды из сырого биодизеля используют катионно -ионнообменные смолы.

    Принципиальная схема промышленного комплекса получения биодизельного топлива с использованием щелочного катализатора приведена на рис. 2.

    В среднем, в промышленном процессе, для получения 1 м3 биодизельного топлива необходимо затратить 1 тонну растительного масла, 110 литров метилового спирта.

    При этом будет дополнительно получено 100 кг глицерина - сырца (глицерола).

    Для реакции трансэтерификации, катализируемой щелочью, конверсия триглицеридов жирных кислот в биодизельное топливо достигает значения в 98% и выше. Однако для получения столь высоких значений концентраций метиловых эфиров жирных кислот в продукте реакции приходится столкнуться с рядом проблем. Помимо того, что данный процесс может привести к омылению, он еще и достаточно энергозатратен. Продолжительность реакции достаточно велика: 1-20 часов. Есть необходимость в отделении продукта реакции от гомогенного катализатора и побочных продуктов. Все эти факторы снижают рентабельность биодизельного топлива по сравнению с нефтяным дизельным топливом.

    К еще одной слабой стороне данного метода стоит отнести малую чистоту глицерина. Для получения глицерина высокой чистоты (98%) необходимы дополнительные затраты. После его дополнительной очистки глицерин можно использовать для производства различных моющих средств.

    После глубокой очистки получают фармакопейный глицерин, пользующийся спросом в фармакологии. Добавляя фосфорную кислоту к техническому глицерину, можно получить фосфорные удобрения, которые нашли применение в сельском хозяйстве. Тем самым, увеличение выхода качественного глицерина в процессе получения биодизельного топлива может снизить себестоимость самого топлива.

    Помимо щелочей в качестве катализаторов также часто используют и различные кислоты, например, 3%-ную серную кислоту. Трансэтерификация, проводимая с кислотными катализаторами имеет место, когда растительное масло имеет высокое кислотное число (выше 1) и высокое содержание сложных жирных кислот (более 0,5%) и влаги.

    Одним из главных препятствий на пути глобального промышленного производства биодизельного топлива являются затраты на растительное масло. Закупка семян масличных культур, транспорт, хранение и извлечение масла - основные статьи расходов, связанных с производством топлива. Выращивание масличных культур для дальнейшего использования в процессе получения биотоплива требует больших сельскохозяйственных площадей. При этом использование пестицидов, гербицидов и удобрений негативно сказывается на дальнейшем выращивании на этих площадях других культур, пригодных для использования в пищу.

    Существуют и технические ограничения: вязкость биодизельного топлива выше, чем у обычного дизтоплива, поэтому при низких температурах воздуха оно становится менее пригодным. Биодизель может храниться до трех месяцев, после чего он начинает разлагаться.


      Как было отмечено ранее, традиционный каталитический метод получения биодизельного топлива имеет недостатки, которые негативно сказываются на всеобщем восприятии по получению топлива. В настоящее время ведутся исследования по поиску устранения имеющихся недостатков путем разработок альтернативных методов.



      Одним из таких методов служит технология по получению биодизельного топлива с использованием мезо и макроструктурированных блочных алюмосиликатных катализаторов и СВЧ – нагрева.

      В отличие от традиционного каталитического метода, использующего в качестве катализаторов гомогенные вещества, в данном методе использовались гетерогенные алюмосиликатные катализаторы с высокоразвитой пористой структурой. Эти катализаторы представляют собой мезопористые мезофазные алюмосиликатные материалы с площадью поверхности от 800 до 1000 м2/г, с размером пор 3,8 - 50 нм [30] и высокоактивными кислотными каталитическими центрами в виде сульфата алюминия.

      Принципиальная схема получения биодизельного топлива с использованием гетерогенных катализаторов представлена на рис. 3.

      Исходное сырье (99,9%-ный этанол и растительное масло) при мольном соотношении 6:1 смешивались в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц. В этом аппарате в результате кратковременного интенсивного перемешивания (τ = 3-6 с.) и диспергирования, а также акустической, электромагнитной обработки и электролиза при температуре 50˚С образуется устойчивая масло-спиртовая эмульсия, содержащая в своем составе однородные капли размером менее 50 мкм. Полученная эмульсия при расходе 100 мл/мин подавалась в реактор для проведения реакции трансэтерификации. Внутренний объем реактора заполнялся блочным алюмосиликатным катализатором. Нагрев производился путем воздействия на реагенты электромагнитными волнами сверхвысокой



      Другая технология по получению биодизельного топлива основана на использование микроводорослей с высоким содержанием масла в
      Получение большого количества масла из водорослей способно ускорить выработку биодизельного топлива для того же традиционного каталитического способа его получения, а также снизить его себестоимость, за счет возможности получения масла непосредственно на предприятии.

      Так, компания "Биодизель Днипро" разработала метод получения большого количества биомассы из микроводорослей в фотобиореакторах за короткий промежуток времени с дальнейшей переработкой ее в биотопливо. Суть его такова: насыщенные углекислым газом семена водорослей попадают в фотобиореакторы, заполненные водой с определенным химическим составом, способствующим максимальному темпу роста микроводорослей с накоплением большого количества маслянистой жидкости. Высокий темп роста микроводорослей также обусловлен и оптимально выбранным освещением, способствующим эффективному фотосинтезу. Затем полученную смесь отделяют от воды, высушивают и отжимают до получения масла (рис. 4).

      Рис. 4. Технологическая схема процесса получения масла из

      микроводорослей

      Получаемая в процессе биомасса смешивается с мелкоизмельченной ряской и
      Полученное топливо может быть применимо к использованию как в чистом виде для двигателей внутреннего сгорания, так и в виде примесей.



        Для коммерческой реализации любого технологического процесса важную роль играет его моделирование, а для этого, в ряде случаев, необходимым является наличие информации по теплофизическим свойствам исходных компонентов и, в частности, теплоемкости используемых веществ и их смесей. К одним из таких процессов можно отнести и процесс получения биодизельного топлива.

        Для проведения каталитической реакции трансэтерификации наличие этой информации является одной из наиболее важной, что и определило проведение экспериментального исследования по данному
        Исследования изобарной теплоемкости смеси «этиловый спирт – рапсовое масло» в присутствии Al
        Экспериментальный стенд включает в себя следующие основные узлы:

          Измерительный блок
        1. Систему заполнения, создания и измерения
        2. Систему автоматического сбора первичнойРис. 5. Принципиальная схема установки по измерению изобарной теплоемкости:

          1 – грузопоршневой манометр МП-600; 2 – сильфонный разделительный сосуд; 3 – насос шприцевой LIQUOPUMP 312/1; 4 – насос вакуумный; 5 – мерная колба; 6 – измеритель теплоемкости ИТ-с-400; 7 – измерительная ячейка; 8 – система сбора и обработки данных; 9,10,11,12 – вентили высокого давления
          Главным узлом установки является измеритель теплоемкости ИТ-с-400 (поз. 6), который состоит из измерительного блока, блока питания и регулирования. Его предназначение - исследование температурной зависимости удельной теплоемкости твердых, сыпучих, либо волокнистых материалов, а также жидкостей при атмосферном давлении. В основу работы положен сравнительный метод динамического С-калориметра с тепломером и адиабатической оболочкой, при котором температура оболочки поддерживается равной температуре калориметра.

          Важной частью измерительного блока является калориметр (рис.6), состоящий из корпуса (поз.6), разъемной теплоизоляционной оболочки (поз.8) и металлического ядра (поз.1). Корпус оребрен в целях интенсификации теплообмена на его поверхности.

          На медном основании размещены тепломер (поз.1), измерительная ампула с образцом (поз.9), термопары (поз.
          Рис. 6. Калориметр:
          1 – тепломер; 2- измерительная ампула; 3- трубка- капилляр; 4- охранный колпак; 5 – патрубок; 6 – корпус; 7 – нагревательный блок;

          8 – теплоизоляционная оболочка; 9 – образец; 10 – термопары

          Тепломер (поз. 1) смонтирован в медном основании. Рабочим слоем тепломера является кольцо из нержавеющей стали 12Х18Н9Т. Поверх тепломера устанавливается измерительная ампула (поз.2).

          Перед началом эксперимента основание ампулы смазывается полиметилсилоксаном (Пмс-200) для лучшего контакта с рабочим слоем тепломера. Заполнение ампулы осуществляется через трубку-капилляр (поз.3) диаметром 2 мм.

          В случае необходимости проведения измерений при температурах ниже атмосферной, калориметр снабжен каналом, по которому внутрь по патрубку (поз. 5) поступает жидкий азот для охлаждения ядра ампулы. Охранный колпак (поз.4) снабжен системой отверстий для подачи жидкого азота для равномерного охлаждения ядра до необходимой температуры.

          Измерение температуры в приборе осуществляется хромель-алюмелевыми термопарами (поз. 10) с диаметром электродов 0,2 мм.

          Система заполнения, создания и измерения давления в измерительной ячейке (рис. 25) реализуется при использовании грузопоршневого манометра МП- 600 (поз. 1) класса 0,05, заполненным касторовым маслом, и сильфонного разделительного сосуда (поз. 2), сообщаемым с системой заполнения.

          При помощи заранее разреженного вакуумного насоса НВР - 5ДМ (поз.4) и шприцевого насоса LIQUOPUMP 312/1 (поз.3) происходит заполнение трубопроводов и, по необходимости, создание избыточного давления в ячейке. Контроль над давлением осуществляется тензометрическим датчиком давления КОРУНД ДИ-001.




          В настоящей работе, проведено экспериментальное исследование: реакционной смеси

          В присутствии гетерогенного катализатора Al
          Экспериментальные данные по теплоемкости реакционной смеси в присутствии Al
          C одной стороны это связано со сравнительно низкой каталитической активностью Al




          Основные тенденции развития рынка биотоплива в мире и России за период 2000-2012 годов. [Электронный ресурс]. URL:
        3. Биодизельное топливо. Производство биодизеля. [Электронный ресурс]. URL:
        4. Кулманаков, С.С. Перспективные смесевые кислородсодержащие/ С.С. Кулманаков, Д.Д. Матиевский, А.И. Балашев, С.В. Лебедевас // Ползуновский Вестник. – 2009. - №1-2. – С. 17-21.
            Попова, И.Ю. Производство биотоплива с использованием сверхкритических сред как актуальная проблема современной энергетики / И.Ю. Попова // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. - 2007. Т.2. - №4. - C. 85–95.
          1. Иманкулов, Н.Н. Биодизельное топливо растительного происхождения / Н.Н. Иманкулов, О.С. Балабеков // Материалы научно-практической


  • перейти в каталог файлов


    связь с админом