Интенсификация процессов при производстве биотоплива на основе гидродинамических модулей с винтовым рельефом

К. А. Башмур






ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БИОТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ С ВИНТОВЫМ РЕЛЬЕФОМ


Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 620.92
ББК 31.356
     Б33

А в т о р:
старший преподаватель кафедры «Технологические машины и оборудование нефтегазового комплекса», младший научный сотрудник лаборатории биотопливных композиций федерального государственного автономного образовательного учерждения высшего образования «Сибирский федеральный университет» К. А. Башмур

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор И. В. Ковалев;
доктор технических наук, профессор Н. А. Смирнов



      Башмур, К. А.
Б33        Интенсификация процессов при производстве биотоплива на основе
      гидродинамических модулей с винтовым рельефом : монография / К. А. Башмур. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 180 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1521-7

           Рассмотрены вопросы создания и исследования комплекса научно-технических решений, направленных на интенсификацию процессов при производстве биотопливных композиций. Приведены исследования, основными темами которых явились: интенсификация массопереноса новыми типами турбинных динамических смесителей при совершенствовании технологий производства биотоплив; интенсификация в технологии производства биодизеля методами гидродинамической кавитации; интенсификация процесса смешения системы «газ-жидкость» в эжекторах геликоидного типа.
           Для специалистов, интересующихся технологическим оборудованием и технологиями производства биотоплива. Может быть использовано в качестве учебника для обучения биотопливным технологиям студентов естественных и инженерных направлений, которые хотят внести свой вклад в разработку и внедрение техники и технологий производства этих важных возобновляемых источников энергии.

УДК 620.92
ББК 31.356

Исследования выполнены по государственному заданию по проекту «Разработка комплекса научно-технических решений в области создания биотоплив и оптимальных биотопливных композиций, обеспечивающих возможность трансформации потребляемых видов энергоносителей в соответствии с тенденциями энергоэффективности, снижения углеродного следа продукции и использования видов топлива альтернативных ископаемому» (контракт FSRZ-2021-0012)

ISBN 978-5-9729-1521-7     © Башмур К. А., 2023
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ......................................................6

ГЛАВА 1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПЕРЕЭТЕРИФИКАЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НОВЫХ ТУРБИННЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ ТИПА «ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ»
НА ОСНОВЕ ВИНТОВОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ.......................9
1.1. Технология переэтерификации при производстве биотоплива..9
1.2. Классификация статических смесителей систем «жидкость-жидкость» .........................................13
1.3. Конструкция разработанного смесителя ...................15
1.4. Методология исследования................................17
1.5. Результаты исследования ................................26
  1.5.1. Сравнение статической и динамической конструкций....26
  1.5.2. Исследование влияния параметров винтового рельефа поверхности на процесс перемешивания.......................30

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ КАВИТАЦИИ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ
ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА БИОДИЗЕЛЯ............................. 41
2.1. Производство биодизеля с помощью гидродинамической кавитации .................................................. 41
2.2. Производство биодизеля с помощью акустической кавитации. 51
2.3. Роль кавитации в повышении массопереноса и скорости реакции за счет способности образовывать эмульсионную систему........54
2.4. Характеристика свойств биодизеля, синтезированного с помощью процессов на основе гидродинамической кавитации..............56
2.5. Существующие виды кавитаторов...........................57
  2.5.1. Акустические кавитаторы.............................57
  2.5.2. Гидродинамические кавитаторы .......................63
2.6. Разработанное устройство гидродинамического кавитатора .67


3

2.7. Изотермическая модель гидродинамического кавитатора с винтовым рельефом поверхности.................................69
  2.7.1. Методология исследования...............................69
  2.7.2. Расчетная сетка........................................72
  2.7.3. Исходные данные........................................72
  2.7.4. Основные уравнения.....................................73
  2.7.5. Результаты.............................................76
2.8. Биообрастание. Неизотермическая модель кавитатора..........83
  2.8.1. Проблема биообрастания при производстве биотоплива.....83
  2.8.2. Модель исследуемого устройства.........................87
  2.8.3. Расчетная сетка........................................89
  2.8.4. Исходые данные.........................................90
  2.8.5. Численная модель.......................................91
  2.8.6. Результаты.............................................93

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ
СИСТЕМЫ «ГАЗ-ЖИДКОСТЬ» В ЭЖЕКТОРАХ ГЕЛИКОИДНОГО ТИПА...............................................98
3.1. Проблемы и перспективы утилизации факельного газа .........98
  3.1.1. Сжигание газа на факельных установках..................98
  3.1.2. Состав сжигаемого газа................................102
  3.1.3. Воздействие на окружающую среду ......................103
  3.1.4. Методы измерения сжигания газа........................108
  3.1.5. Потенциал применения технологии SFE для производства биотоплива в скважинных условиях ............................110
3.2. Технологии утилизации факельных газов ....................113
  3.2.1. Общие методы утилизации факельных газов...............113
  3.2.2. Технология превращения газа в жидкость ...............114
  3.2.3. Производство электроэнергии...........................115
  3.2.4. Топливный газ ........................................116

4

  3.2.5. Компрессия и закачка в трубопровод .............116
  3.2.6. Рекуперация факельного газа с помощью эжектора .116
3.3. Результаты..........................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................144
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................150

5

        ВВЕДЕНИЕ


      На протяжении истории общество развивалось благодаря исследованиям и технологическим достижениям во всех областях знаний. Эти достижения позволили улучшить качество жизни общества. Все улучшения и преимущества для общества имеют один общий фактор - энергию. Мировое потребление энергии достигло показателя в 15 миллионов тонн нефтяного эквивалента в год. Эта энергия получена из нефти (31 %), угля (26 %), природного газа (23 %), возобновляемых источников (14 %) и атомной энергии (6 %). В прогнозах указывается, что в 2028 году количество потребляемой энергии увеличится на 10 %. Однако на фоне мировой динамики, следствием чего явился европейский энергетический кризис 2021/2022 гг., данные прогнозы выглядят нестабильными. Потенциально новые социальные и хозяйственные нормативы, которым способствует, например, пандемия COVID-19 или ужесточение экологического права, оказывают существенное влияние на спрос и потребление энергии. Это показывает, что энергетическая безопасность и благополучие становятся все более сложными и многогранными.
      В связи с этим Международное энергетическое агентство в сотрудничестве с Международным валютным фондом предложило План устойчивого восстановления. Этот план направлен на ускорение экономического роста, создание рабочих мест и построение более устойчивых и чистых энергетических комплексов. Этот план должен быть реализован в период 2021-23 гг. План включает в себя политику, инвестиции и меры по ускорению внедрения в шести ключевых областях, где развитие биотопливных технологий играет ключевую роль в данном плане.
      Биотопливные композиции представляют собой наиболее перспективную альтернативу для энергетического будущего без существенных изменений в глобальной инфраструктуре. Важно отметить, что все виды биотоплива являются возобновляемыми источниками энергии, поскольку они производятся из биомассы, однако они не обязательно являются устойчивыми, поскольку это

6

зависит от вида биомассы и процессов ее переработки. Каждый из этих процессов имеет различную энергетическую эффективность, получаемые продукты, урожайность, а также эксплуатационные и инвестиционные затраты. Чтобы получать возобновляемое и устойчивое биотопливо, необходимо уделять особое внимание процессам переработки.
     В последние годы исследователи сосредоточили свои усилия на совершенствовании технологий производства биотоплива, включающих развитие техники и процессов в них осуществимых. В этих исследованиях анализируются различные виды биомассы, а также различные пути ее преобразования с основной целью: получение технологий с высоким выходом продукта. Тем не менее, биотопливо также должно быть конкурентоспособным с экономической точки зрения по сравнению с ископаемыми аналогами и отвечать техническим требованиям. Это означает, что затраты на производство биотоплива должны быть значительно сокращены, а также чтобы производственные процессы оказывали меньшее воздействие на окружающую среду. В этом контексте интенсификация процессов производства биотоплива играет ключевую роль, так как она может помочь получить более экологичный и безопасный процесс с пониженным энергопотреблением. Несмотря на определенные усилия, предпринятые для интенсификации процессов производства биотоплива, остается еще много возможностей, таких как разработка лучших катализаторов, гибридных операций в процессах, и других технологий, направленных на производство устойчивого продукта.
     Поэтому основной целью, поставленной в рамках данной работы, стало создание научно-технических решений по интенсификации процессов при производстве биотоплива и исследование потенциальных преимуществ их использования.
     Для осуществления данной цели были поставлены следующие основные задачи:
     -       совершенствование технологии переэтерификации при использовании новых турбинных смесителей типа «жидкость-жидкость»;

7

     -       анализ существующих технологий кавитационной обработки для интенсификации процессов производства биодизеля и исследование разработанного устройства гидродинамического кавитатора;
     -       исследование процесса смешения системы «газ-жидкость» в разработанных эжекторах геликоидного типа.
     Особое внимание уделено интенсификации процессов производства биодизеля. Энергоэффективность, относительно низкая стоимость сырья и степень разработанности технологий производства являются основными факторами, которые приводят к выбору в сторону биодизеля. Ультразвуковая и гидродинамическая виды кавитации являются потенциальными технологиями для интенсификации процессов производства биодизеля, позволяющими преодолеть сопротивление массопереносу между несмешивающимися реактивами и приводящими к высокой конверсии сложных эфиров, сокращению времени реакции и высокому выходу продукции. В частности, кавитационные генераторы, как и смесители, способны ускорить кинетику реакций и массоперенос в целом в популярной технологии производства биодизеля - переэтерификации.
     Для исследования интенсифицированных процессов применялись в основном проверенные методы экспериментальных исследований. При этом особое внимание уделено вычислительной гидродинамики - эффективному компьютеризированному методу изучения механики жидкости на основе численного анализа. Вычислительная компьютерная гидродинамика (CFD) является мощным инструментом для моделирования и проектирования интенсифицированного оборудования. Она особенно привлекательна с точки зрения оптимизационных процедур, например, для получения оптимальной конструкции реактора индивидуального изготовления.

8

1.       СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕЭТЕРИФИКАЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НОВЫХ ТУРБИННЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ ТИПА «ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ» НА ОСНОВЕ ВИНТОВОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ

1.1. Технология переэтерификации при производстве биотоплива

    Топливо на основе биомассы представляется интересной альтернативой ископаемому топливу. Различные виды биомассы могут быть преобразованы в различные формы энергии, одной из которых является энергетическая форма, к которой относится биотопливо, нашедшее применение во множестве различных отраслей: в транспорте, производстве электроэнергии, теплоснабжении, обеспечении электроники, очистке разливов масла и жира, приготовлении пищи, смазочных материалов, краски и утилизация клея [1]. Наиболее приемлемой альтернативой использованию дизельного топлива является биодизель, который может быть получен из растительных масел или животных жиров. Кроме того, биодизель является возобновляемым и биоразлагаемым, нетоксичным, обеспечивающим ряд экологических преимуществ, таких как снижение выбросов газов парникового эффекта, снижение уровня загрязнения воздуха, воды и почвы по сравнению с использованием дизельного топлива [2].
    Биодизель представляет собой топливо, состоящее из моноалкиловых эфиров длинноцепочных жирных кислот, широко известных как FAE (fatty acid esters), полученных из растительных масел, липидов микроводорослей, животных жиров и осадков сточных вод с помощью нескольких процессов, из которых переэтерификация является наиболее пригодным и широко используемым методом [3-5]. Этот процесс заключается в химической реакции между спиртом и триглицеридами из органической массы с образованием сложных эфиров

9

и глицерина, катализируемой кислотой, щёлочью или ферментативной средой. Химическая реакция соответствует превращению одного сложного эфира в другой, путём обмена ацильной группой между сложным эфиром и кислотой, сложным эфиром и другим сложным эфиром или сложным эфиром и спиртом [1]. На текущий момент широкое распространение в промышленности получило производство биодизеля с использованием щелочного катализатора. Основными преимуществами основного катализа являются умеренные температура реакции (от 40 до 60 °C), умеренное атмосферное давление, относительно малая продолжительность реакции, доступность недорогого катализатора и высокая каталитическая активность [6-9].
     Типичная схема производства FAE [10] на основе щелочно-катализируемой переэтерификации растительных масел представлена на рисунке 1.1.


Рисунок 1.1 - Типичная схема производства FAE из растительных масел с использованием в качестве катализатора NaOH или KOH

10

     Процесс переэтерификации проводят в периодическом или непрерывном режиме в избытке метанола (MeOH) или этанола (EtOH). Реакция протекает в три стадии. Начальный период реакции осуществляется в гетерогенных условиях и характеризуется диффузионным режимом из-за ограниченной взаимной растворимости триглицеридов и спиртов. По мере накопления FAE в реакционной смеси растворимость триглицеридов и спиртов увеличивается, и система переходит в гомогенное состояние, поэтому скоростьопределяющим процессом на втором этапе является кинетика химической реакции. Третья стадия наступает при накоплении значительного количества продуктов, в том числе образующих самостоятельные фазы, при этом скорость реакции может уменьшаться. Таким образом, наиболее высокий выигрыш по скорости реакции можно получить за счёт управления реакцией на первой стадии, контролируемой процессом массопереноса [11]. Одним из способов его интенсификации является создание высокодисперсной эмульсии при перемешивании жидких фаз. В зависимости от скорости потока или наличия смесителя при подаче двух несмеши-вающихся фаз, пассивные смесители, т. е. статические элементы, такие как внутренние перегородки, или активные смесители, могут быть использованы для создания хаотической адвекции, модели потока, характеризующейся образованием вихрей. Такой режим течения характеризуется рециркуляци-ей/вихревыми зонами, и он сильно влияет на скорость реакции, увеличивая степень смешивания [1, 12].
     Производство биодизеля может осуществляться в различных реакторах (например, периодического действия, ротационном реакторе с насадкой, непрерывном потоке, колебательном потоке, микроволновом реакторе, сверхкритическом). Наиболее широкое распространение получили лопастные смесители. Одной из трудностей, возникающих в современной технологии производства биодизельного топлива, является необходимость тщательного перемешивания метанола с исходным маслом в реакторе. Использование лопастных смесителей имеет ограничения из-за несмешиваемости этих веществ. Длительное время реакции, вызванное низкой скоростью реакции, напрямую связано с низкой ча

11

стотой столкновений реагентов. Эта частота столкновений может быть увеличена за счёт лучшего механизма перемешивания во время процесса. В большинстве промышленных биодизельных реакторов для смешивания используется лопастная мешалка, которая создаёт основной поток в реакторе с циркуляцией в осевом и тангенциальном направлениях и с небольшой турбулентностью. Время реакции для переэтерификации, катализируемой щёлочью, занимает около 60-90 минут для получения примерно 90-98 % преобразования масла в метиловые эфиры [13, 14].
      Использование статического смесителя для замены лопастной мешалки потенциально может улучшить процесс смешивания в биодизельном реакторе. Статический смеситель представляет собой неподвижный смеситель, состоящий из ряда геометрических смесительных элементов, закреплённых внутри трубы, которые используют энергию потока для создания смешения двух или более жидкостей. Статический смеситель выполняет ряд механизмов для смешивания реагентов, а именно разделение, вращение, направление или отклонение потока перед его повторным объединением, тем самым создавая дополнительную турбулентность для улучшения перемешивания [15]. Некоторыми преимуществами статических смесителей по сравнению с реакторами периодического действия являются низкие капитальные затраты, затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию, небольшая занимаемая площадь, короткое время реакции и работа в системах непрерывного действия [16].
      Некоторые исследования реакторов со статическим смесителем для производства биодизеля уже осуществлялись. Например, в работе [17] применили статические смесители в качестве реактора непрерывного действия для синтеза биодизельного топлива из масла канолы. Авторы сообщили, что реакторы со статическим смесителем можно использовать для производства биодизеля, и наиболее благоприятными условиями были 60 °C, 1,5 мас. % гидроксида натрия (NaOH) в качестве катализатора в течение 30 мин. В другой работе [18] сравнили эффективность реакторов со статическим смесителем и лопастной мешалкой при производстве биодизеля из рафинированного пальмового масла. Результа


12

ты показали, что в статическом смесителе скорость реакции была намного выше и можно было достичь высокого выхода метиловых эфиров жирных кислот (FAME) за более короткое время. Оптимальные условия реактора со статическим смесителем были выявлены следующие: 65 °C, молярное соотношение метанол/масло 10,5/1,0 мас. % при использовании гидроксида калия (КОН) в качестве катализатора в течение 5 мин [16].

        1.2. Классификация статических смесителей систем «жидкость-жидкость»

     Статические смесители состоят из множества идентичных вставок-элементов, расположенных в структурированной конфигурации, которые могут быть установлены в трубах, каналах, колоннах или реакторах. Эти вставки добавляются для стимулирования смешивания путём разделения и перераспределения потоков, направленных последовательно, в радиальном и тангенциальном направлениях к основному потоку [15, 19]. Кроме чистого смешивания, статические смесители в основном используются для повышения скорости тепло- и массообмена и химической реакции [20].
     Статические смесители стали стандартным оборудованием в современных перерабатывающих отраслях и привлекательной альтернативой традиционным процессам перемешивания. Смесители предлагают целый ряд преимуществ, которые могут значительно снизить как капитальные, так и текущие затраты на эксплуатацию при одновременном повышении производительности, достигаемой традиционными методами [15].
     Несмотря на то, что емкости с мешалкой все еще считаются передовыми для процессов эмульгирования (из-за их объема производства и способности работать с высоковязкими жидкостями), несколько исследований показали, что статические смесители обеспечивают более равномерное распределение рассеиваемой энергии, минимальные мертвые зоны и высокоэффективное радиальное перемешивание без обратного перемешивания в осевом направлении [21-23].


13