Ім'я файлу: Метод до лаб. біщдизель.doc
Розширення: doc
Розмір: 393кб.
Дата: 24.04.2020
скачати
Пов'язані файли:
ТИТУЛКИ.docx
Розширення: doc
Розмір: 393кб.
Дата: 24.04.2020
скачати
Пов'язані файли:
ТИТУЛКИ.docx
Примітка. ДП – нафтове дизельне паливо; OС – соєва олія; OР – ріпакова олія; МЕПО – метиловий естер пальмової олії
Насіння соняшнику в кількості 24003200 кг/га можна вирощувати на полях Австрії, Південної Африки, США, Канади й Іспанії. Зате кокосові пальми ростуть лише у субтропічних зонах земної кулі.
Рослинні олії отримують в процесі гідравлічного вичавлювання рослин. За своєю хімічною структурою вони відрізняються одна від одної тільки вмістом вуглецю і рівнем насичення жирної кислоти, що етерно сполучена з гліцерином. Тому всі рослинні олії є горючими і можуть бути використані для живлення дизельних двигунів. Найбільш поширеними рослинними оліями, над використанням яких проводяться дослідження, є: ріпакова, соєва, соняшникова і пальмова. Термічна нестабільність і в’язкість рослинних олій ускладнюють їх застосування як альтернативне паливо. Тому використовують їхні естери. Метилові естери вищих жирних кислот, наприклад, ріпаквої олії, одержують у промисловості застосовуючи процес алкоголізації естерів, тобто у випадку жирів – за допомогою реакції тригліцеринів зі спиртами у присутності основних каталізаторів. При одержанні естерів рослинних олій, в результаті процесу гідролізу з використанням каталізаторів, наприклад, основного, поверхневий натяг рослинного палива є меншим за значенням, ніж у дизельного палива, незважаючи на значно вище значення в’язкості. Це можна пояснити тим, що солі жирних кислот, які утворюються в результаті перебігу реакції є поверхнево-активними речовинами, які знижують поверхневий натяг рослинного палива.
На рис. 1 схематично подано перебіг реакції одержання метилового естеру жирної кислоти ріпакової олії:
Рис. 1 Отримання метилового естеру жирної кислоти ріпакової олії: R1, R2, R3 - залишки жирної кислоти, OR - ріпакова олія
В результаті перебігу цієї реакції утворюються три молекули метилового естеру жирної кислоти. Метиловий естер відокремлюють від побічних продуктів, які неможливо використовувати як паливо (гліцерин). У цьому випадку є замкнутий виробничий цикл у сільському господарстві і хімічній промисловості.
Іншою країною, у якій у промисловому масштабі виробляють метиловий естер жирної кислоти, але з пальмової олії, є Малайзія. Його використовують як паливо в автобусах Мерседес-Бенц у міській комунікації країни.
У переробці пальмової олії розрізняють два виробничі етапи:
естерифікація жирних кислот, які є у пальмовій олії, на метилові естери,
трансестерифікація гліцеридів на метилові естери.
При відокремленні гліцеридів від метилових естерів в процесі трансестерифікації утворюється метанол. В результаті цієї реакції утворюються метиловий естер пальмової олії (МЕПО) і метиловий естер пальмової стеарини (МЕПС). Слід зазначити, що в процесі одержання естерів жирних кислот із олійних рослин утворюється побічний продукт – гліцерин, необхідний для фармацевтики.
При порівнянні фізико-хімічних властивостей рослинних палив та їх складних естерів із властивостями дизельного палива випливає наступне:
рослинні палива та їхні естери мають приблизно на 817 % меншу калорійність (36 MДж/кг) ніж дизельне паливо (43,84 MДж/кг);
рослинні палива та їхні естери мають на 9% більшу густину, тож через збільшення густини палива частково компенсується низьке значення його калорійності (0,917 кг/дм3 і 0,839 кг/дм3);
цетанове число для окремих рослинних палив співставиме із значенням дизельних палив, для естерів воно дещо вище (для EMKOR – на 8% та для МЕПО складає 62,4);
естери ріпакової олії містять у декілька разів менше сірки, ніж дизельне паливо (0,02÷0,05 %), 0,04 %– МЕПО та 0,002% – МЕПС;
естери рослинних палив містять на декілька десятків відсотків більше зв'язаного кисню у жирних кислотах, що покращує процес згорання, знижується емісія сажі та твердих часток у продуктах згорання, що емітуються двигуном у довкілля;
в’язкість естерів рослинних палив приблизно на 60 % вища, що і є причиною більш широких можливостей застосування їх для живлення дизельних двигунів у кліматичних зонах із температурою навіть до -20oС.
Перевагою рослинних палив є можливість їх змішування із дизельним паливом у будь-якому співвідношенні.
Таблиця 4
Порівняння властивостей палива EMKOR і нафтового дизельного палива
| Властивості палив | EMKOR | Дизельне паливо |
| Йодне число | бл. 115 | – |
| Число омилення | бл. 190 | – |
| Домішки жиру, % | < 1 | – |
| Мінімальне споживання повітря, м3/кг | 9,7 | 11,2 |
| Мінімальна кількість відпрацьованих газів, м3/кг | 10,5 | 11,9 |
| Густина за н.у., г/см3 | 0,871 | 0,830,85 |
| Кінематична в’язкість за н.у., мм2/с | 7,27,6 | 38 |
| Температура помутніння, oС | -1 | +5 – -12 |
| Випаровуваність за 200oС, % | < | 2030 |
| Калорійність, MДж/кг | 36,8 | 42,8 |
| Цетанове число | 48 | бл. 50 |
| Температура спалаху, oС | 55170 | > 55 |
| Вміст метанолу, мг/г | 14 | – |
| Вміст вільного гліцерину, мг/г | 0,070,3 | – |
| Вміст зв'язаного гліцерину, мг/г | 2,13,6 | – |
| Ступінь етерифікації, % | 96,998,5 | – |
З аналізу фізико-хімічних властивостей рослинних палив та їх естерів, а також сумішей рослинних палив із дизельним паливом випливає, що можна їх застосовувати для живлення двигунів із запалюванням від стискування з безпосереднім впорскуванням палива, передкамерним впорскуванням палива, а також у двигунах із наддувом. Найбільш розповсюдженими є дослідження щодо застосування палив у двигунах міських транспортних засобів, бойових автомобілів, двигунах легкових і вантажних автомобілів тощо.
Якщо розглядати емісію альдегідів і поліциклічних ароматичних вуглеводнів (WWA), то на основі досліджень, проведених фірмами Фольксваген і Ауді, кількість емітованих альдегідів у двигунах, заправлених естером жирної кислоти ріпакової олії, зростає у два рази, а WWA знижується майже в два рази, порівняно з традиційним дизельним паливом при порівняльній витраті палива (рис. 2).
Рис. 2. Порівняння емісії нелімітованих компонентів відпрацьованих газів із витратою палива за даними дослідницького тесту US-FTP 75 двигуна, що живиться по черзі дизельним паливом і метиловим естером жирної кислоти ріпакової олії
На основі проведених досліджень багатьма технічними університетами Європи та рапорту UFOP (Union zur Förderung von Oel und Proteinpflanzen) можна констатувати, що паливо EMKOR:
має наближений до дизельного палива час експлуатації моторної олії;
його можна застосовувати як суміш із дизельним паливом у довільних пропорціях;
застосування окиснюючого каталізатора значно знижує емісію специфічних альдегідів при повному навантаженні двигуна, що живиться рослинними паливами.
Застосування рослинних палив також дає можливості розвитку нових технологій для їхнього виробництва, в результаті чого виникнуть додаткові місця праці. У сільському господарстві можна керувати надлишками виробництва олійних рослин, переробляючи їх на рослинні палива.
Істотним позитивним явищем, пов’язаним із застосуванням рослинних палив, є те, що у випадку потрапляння їх у грунт впродовж трьох тижнів наступає біодеградація.
Найбільшу проблему становить ціна рослинних палив. У теперішній час ціни рослинних палив не є конкурентоспроможними щодо цін нафтових палив. Тому застосування їх як автомобільного палива вимагає введення певних державних дотацій з метою зниження їхньої вартості.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1
Одержання біодизеля на основі рослинної сировини
Хід виконання роботи
Отримання біодизеля з рослинної сировини за реакцією переестерифікації здійснюється у тригорлому реакторі (1), поміщеному у гліцеринову лазню, обладнаному механічним перемішуванням (2), термометром (3), ділильною лійкою для подачі спирту (4), та зворотнім холодильником (5) (рис. 3).
У
реактор завантажують рослинну олію (100 г.) та каталізатор (цеоліт – клиноптилоліт). При перемішуванні суміш нагрівають до 105° С та після досягнення температури у реактор через ділильну воронку подають спирт (метиловий або етиловий) зі швидкістю 1 мл за хвилину. Спирт необхідно брати у три рази менше від кількості завантаженої рослинної олії (рослинна олія : спирт = 3:1). Процес переестерифікації необхідно проводити впродовж 60 хвилин за 105° С. Після закінчення процесу реакційну суміш охолоджують та відстоюють. Залишок непрореагованого спирту та утвореного в процесі перебігу реакції гліцерину видаляють вакуумною розгонкою реакційної суміші на водяній лазні (рис. 4).Для синтезованого біодизеля визначають наступні показники: показник заломлення; кислотне число; число омилення; естерне число; молекулярну масу (її розраховують за кислотним числом) та температуру застигання, ° С.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2
Визначення експлуатаційних властивостей синтезованого біодизельного палива
Визначення показника заломлення
Для визначення показника заломлення застосовують два типи рефрактометрів – Аббе і Пульфріха. У лабораторній практиці найчастіше використовують рефрактометри типу Аббе (РЛУ, ІРФ – 23, ІРФ – 454).
Хід виконання роботи
На поверхню вимірювальної призми скляною палочкою наносять декілька краплин досліджуваної речовини, обережно закривають головку та спостерігають у віконце, щоб досліджувана речовина повністю заповнила зазор між вимірювальною й освітлювальною призмами. Освітлювальне зеркало встановлюють так, щоб світло від джерела через віконце поступало на освітлювальну призму і рівномірно освічувало поле зору. Усі вимірювання на приладі слід проводити в білому світлі. Обертаючи маховик та спостерігаючи в окуляр зорової труби, знаходять межу розділу світла й тіні. Надалі маховиком точно співставляють межу розділу із перехрестям сітки та знімають покази з шкали показників заломлення. Індексом для відліку слугує нерухомий горизонтальний штрих сітки. Цілі, десяті, соті й тисячні долі значення показника заломлення відраховують за шкалою, а десятитисячні долі оцінюють на око.
Шкала показників заломлення наведена для 20° С. При роботі з рідинами необхідно підтримувати температуру в межах 20±0,2º С. Слід також пам’ятати, що для різних речовин допустимі коливання температури будуть неоднакові за рахунок їх різних температурних коефіцієнтів, концентрації та хімічного складу.
Перерахунок показника заломлення з температури визначення у стандартні умови проводять за формулою:
nD20 = nDt + 45·10-4 (t - 20),
де nD20 – показник заломлення при 20° С;
nDt – показник заломлення при температурі визначення;
t – температура, при якій визначали показник заломлення, °С.
Визначення кислотного числа
Кислотне число характеризується кількістю КОН (в мг), яка необхідна для нейтралізації карбоксильних груп, які містяться в 1 г досліджуваної речовини. Його визначають внаслідок титрування розчиненої наважки досліджуваної речовини лугом. Цей процес можна зобразити наступним рівнянням реакції:
RCOOH + NaOH RCOONa + H2O
В залежності від розчинника та розчинності досліджуваної речовини використовують спиртовий або водний розчин лугу. Як розчинник можна використовувати етиловий спирт, спирто-бензольну або спирто-етерну суміш (1:1), ацетон, 1,4-діоксан тощо.
Реактиви:
розчинник;
КОН або NaOH, 0,1 н. спиртовий або водний розчин;
фенолфталеїн, 1%-й спиртовий розчин.
Прилади:
мікробюретка ємністю 5 мл;
циліндр мірний ємністю 50 мл;
колби конічні ємністю 150 мл.
Хід виконання роботи
У колбі зважують 0,3-1,0 г досліджуваної речовини з точністю до 0,0002 г (величина наважки визначається вмістом СООН груп), додають 15-30 мл розчинника. Після розчинення наважки титрують з мікробюретки 0,1 н. розчином лугу в присутності фенолфталеїну до появи рожевого забарвлення.
Аналізують дві проби та паралельно здійснюють контрольний дослід з такою ж кількістю розчинника. З отриманих результатів визначають середнє значення.
Кислотне число (КЧ) розраховують за формулою:
,де V1 – об’єм 0,1 н. розчину лугу, витраченого на титрування досліджуваної проби, мл;
V2 – об’єм 0,1 н. розчину лугу, витраченого на титрування холостої проби, мл;
F – поправочний коефіцієнт 0,1 н. розчину лугу;
0,00561 – титр 0,1 н. розчину КОН, г/мл;
g – наважка досліджуваної речовини.
Примітка. Для титрування можна використовувати 0,1 н. розчин NaOH, але у розрахунковій формулі слід використовувати титр розчину КОН такої самої нормальності.
Визначення температури застигання синтезованого біодизельного палива
Температурою застигання називається та температура, при якій досліджувана рідина в умовах досліду загущується настільки, що при нахилянні пробірки з продуктом під кутом 45°, рівень продукту залишається нерухомим упродовж 1 хв.
Цей показник характеризує низькотемпературні властивості палива. Він показує мінімальну температуру, при якій ще можливе застосування палива в зимовий період. Втрата рухомості може бути пов’язана або з підвищенням в’язкості палива, або з утворенням великої кількості кристалів парафіну, що утворюють кристалічний каркас, і пов’язане з цим загустіння усієї системи.
Прилади та матеріали
пробірка із сферичним дном (h = 16010 мм; dвн. = 201 мм), з кільцевою міткою на відстані 30 мм від дна;
пробірка-муфта із сферичним дном (h = 13010 мм; dвн. = 402 мм);
пристрій для охолодження;
ртутний термометр;
водяна лазня;
штатив;
зразок досліджуваної речовини 10 мл.
Хід виконання роботи
Синтезоване біодизельне паливо наливають у пробірку до мітки та закривають її корком із вставленим у нього термометром. Надалі пробірку з продуктом та термометром поміщають у водяну лазню і витримують при температурі 50°С доти, доки продукт не прийме температуру лазні. Після цього пробірку насухо протирають, встановлюють у пробірці-муфті та закріплюють у штативі. Продукт витримують при кімнатній температурі доти, поки його температура не сягне значення 355° С після чого вставляють зібраний прилад у пристрій для охолодження.
Коли продукт у пробірці прийме температуру, намічену для визначення температури застигання, прилад з охолоджуючим пристроєм нахиляють під кутом 45° та витримують в цьому положенні 1 хв. Після цього прилад виймають з пристрою для охолодження і спостерігають за зміщенням меніска продукту. У випадку зміщення меніска, дослід проводять при температурі на 2°С нижчій ніж попередня і т.д. доти, доки меніск не перестане зміщуватись. Остання температура і буде температурою застигання палива.
На основі отриманих експериментальних результатів роблять висновки про можливість використання синтезованого біодизелю як моторного палива для дизельних двигунів.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3
Визначення числа омилення та естерного числа
1 2 3 4