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.

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.

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.

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.

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.