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

 
 
 
 
 
 
DZ. ǧ. ǨȇȟȓȚȗ  
 
 
 
 
 
 
ǯǴǹǬǴǸǯǻǯDZǧǽǯȆ  
ǶǷǵǽǬǸǸǵǩ ǶǷǯ ǶǷǵǯǮǩǵǫǸǹǩǬ ǨǯǵǹǵǶDzǯǩǧ  
Ǵǧ ǵǸǴǵǩǬ ǪǯǫǷǵǫǯǴǧdzǯǾǬǸDZǯǼ dzǵǫǺDzǬǰ 
Ǹ ǩǯǴǹǵǩȂdz ǷǬDzȃǬǻǵdz 
 
 
dzȕȔȕȊȗȇțȏȦ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇ    ǩȕȒȕȊȋȇ 
«ǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ» 
2023 
1 

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 
2 

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 °С), умеренное атмосферное давление, относительно малая 
продолжительность реакции, доступность недорогого катализатора и высокая 
каталитическая активность [6–9]. 
Типичная 
схема 
производства 
FAE 
[10] 
на 
основе 
щелочнокатализируемой 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