1. Технология получения спиртового топлива
автомобиль дизельный топливо тормозной
Одним из перспективных путей экономии топлива для автомобильных двигателей и снижения выбросов отработавших газов в атмосферу является частичная или полная замена традиционных топлив другими, не нефтяного происхождения. Наиболее интенсивно ведутся исследования в направлении использования в качестве топлива синтетических спиртов, смесей эфира, водорода, водотопливных эмульсий и др.
Во многих странах находят применение спиртовые топлива: метанол и этанол. « Пионером» в использовании этанола в качестве моторного топлива был Генри Форд, который в 1880 г. создал первый автомобиль, работавший на этаноле. Возможность использования спирта в качестве моторного топлива была также показана в 1902 г., когда на конкурсе в Париже были выставлены более 70 карбюраторных двигателей, работающих на этаноле и благодаря улучшению его топливной экономичности, частично на смесях этанола с бензином.
Однако, несмотря на эти первоначальные опыты, широкое применение этанола в качестве моторного топлива началось во многих западных странах в 70-х и особенно в 80-е - 90-е гг. прошлого столетия. Это было обусловлено нефтяными кризисами 70-х гг. и резко возросшими требованиями к экологическим свойствам моторных топлив в 80 -90-е гг. [3, с. 145 -147].
Спирты в значительной степени отличаются от традиционных автобензинов по физико-химическим и моторным качествам. Теплота сгорания метанола примерно наполовину ниже, чем у бензинов. Поэтому для сохранения энерговооружённости автомобиля требуется увеличение объема и расхода топлива в 1,5…2 раза, что и является основным недостатком метанола. В тоже время теплота сгорания бензино - и метаноловоздушной смесей близка. Важным преимуществом метанола является его высокая детонационная стойкость. Это позволяет увеличить степень сжатия двигателя до 12...14 ед. и тем самым компенсировать повышенные расходы метанола.
Основной проблемой при эксплуатации двигателя на метаноле (М85) является токсичность топлива. Кроме того, он оказывает корродируещее воздействие на некоторые металлы, прорезиненные детали, прокладки, мембраны. Неяркое пламя затрудняет визуальное обнаружение горения этого топлива при дневном свете. [1, с.49-50].
Метанол в России вырабатывается по ГОСТ 2222 - 95 (метанол технический синтетический) двух марок: А и Б; ежегодная выработка метанола в России находится на уровне 1,8 - 2,0 млн. т.
Метанол получают из угля, природного газа, бытовых отбросов, отходов лесного хозяйства.
Этанол (Е 85) также оказывает корродирующее воздействие на некоторые металлы, прокладки и мембраны. Он является менее летучим, чем обычный бензин.
Этанол в промышленности получают несколькими способами:
- метод прямой или сернокислой гидратации этилена, так называемый синтетический этанол;
- гидролиз непищевого растительного сырья - гидролизный этанол;
- ферментная переработка пищевого растительного сырья - пищевой этанол.
При производстве этанола методом прямой гидратации этилена используются фосфорнокислые катализаторы на твёрдом носителе, процесс протекает при температуре 260 - 280 и давлении 7 - 8 МПа. Существенным недостатком этого процесса является низкая конверсия сырья (4-5%) за проход, что приводит к необходимости рециркуляции большого количества непревращённого сырья, а также высокая коррозионная агрессивность катализатора и его унос из зоны реакции. Процесс сернокислой гидратации является процессом устаревшим и в настоящее время применяется редко.
Синтетический этанол вырабатывается в России по ТУ 2421 - 117 - 00151727 - 98 « Спирт этиловый синтетический денатурированный» трёх марок - А, Б, В.
Сбраживанием продуктов гидролиза древесины получают гидролизный этанол. Необходимые для сбраживания сахара получают гидролизом древесного сырья - опилки, щепа и другие отходы деревообработки. Сырьё (целлюлоза), содержащее полисахариды, обрабатывают раствором серной кислоты, что приводит к образованию глюкозы, которую затем подвергают спиртовому брожению. Рассмотрим процесс получения этанола методом гидролиза концентрированными кислотами, нейтрализации и брожения более подробно. [3, с. 145 - 152].
Собранную и высушенную биомассу измельчают, на ситах отделяют определённую фракцию частиц. Далее субстрат поступает в чан, где происходит гидролиз под действием серной кислоты (7,65 %) при температуре 100 в течение 2 ч. Приблизительно 75% гемицеллюлоз гидролизуется до ксилозы.
Остающиеся твёрдые частицы (лигнин и целлюлоза) удаляют на стадии фильтрации и передают на следующую стадию гидролиза, куда также подаётся серная кислота и большая часть ксилозного потока.
В результате получают смесь сахаров: пентозы и глюкозы в водном растворе при pH=1,0. На стадии нейтрализации образуется гипс, отделяемый на вращающемся фильтре.
Остающийся поток содержит глюкозу (11,6 %) и ксилозу (9,0 %).
Брожение также проводится в две стадии. Сначала дрожжи Sacharomyces cerevisiae превращают глюкозу в этанол. От полученной смеси дистилляцией отделяют этанол, непреобразованную ксилозу передают на следующую стадию ферментации, где она сбраживается в этанол дрожжами Pachysolen tannophilus. Этанол также выделяется дистилляцией. Лигниклектки высушивают и сжигают. [4, с. 49 - 50].
Дистилляция - это физический процесс, с помощью которого отдельные вещества отделяются, превращаются в пар и затем конденсируются. Дистилляция позволяет разделить смесь жидкостей на её компоненты при условии, что у них достаточно сильно различаются температуры кипения. При нормальном атмосферном давлении вода закипает при 100?, этиловый спирт при 78,4?; следовательно, в парах, образующихся при нагревании водно - спиртовой смеси, содержится больше спирта. Когда весь спирт преобразуется в пар и затем конденсируется, в котле остаётся только вода. В полученном дистилляте спиртовая крепость оказывается выше, чем в породившей его смеси. Процесс перегонки выглядит так: сначала, по достижении определённой температуры, начинают образовываться пары, которые поднимаются в котле. Попав на холодную крышку котла, они конденсируются и выпадают вниз в общую массу. Из паровой смеси, достигающей крышки котла, вода будет конденсироваться в большем объёме, чем спирт, поэтому в тех парах, которые уйдут в змеевик, спиртовая крепость будет выше, чем в парах, формирующихся внутри котла. Когда по ходу дистилляции «шлем», то есть крышка котла, прогревается, на нём больше не происходит конденсация спиртовых паров.
Полученный таким образом водный раствор этанола подвергается ректификации.
Ректификация - процесс разделения жидких летучих смесей на компоненты или группы компонентов (фракции) путём многократного двустороннего массо- и теплообмена между противоточно движущимися паровыми и жидкостными потоками. Необходимое условие процесса ректификации - различная летучесть отдельных компанентов.
Ректификацию обычно осуществляют в аппарате, представлюящем собой колонну, оборудованную дополнительными аппаратами: кипятильником (кубом) и конденсатором (дефлегматором). Собственно колонна имеет вид вертикально установленной конструкции с круглым или реже прямоугольным сечением.
Процесс ректификации происходит в условиях взаимодействия потока жидкости, стекающей вниз по колонне, и пара, поднимающегося вверх. При таком контакте пара и жидкости происходит обогащение пара легкокипящими компонентами смеси и, соответственно, обогащение жидкости тяжелокипящими компонентами. Производство пара в колонне обеспечивается кипятильником колонны, и его количество определяется интенсивностью обогрева кипятильника. Пар, поднимающийся в колонне и выходящий с её верха, конденсируется в конденсаторе. Получаемый конденсат частично отбирается как верхний продукт ректификации, а остающаяся часть возвращается на верх колонны для её орошения в целях создания противоточного контакта пара и жидкости. [4, c 70-71]
В результате получают спирт этиловый ректификованный технический с содержанием этанола не менее 96,2% об. В России такой спирт вырабатывается по ГОСТ 183000 - 87 на гидролизных и биохимических предприятиях.
При получении этанола из пищевого сырья используются такие растительные продукты, как зерно, картофель, сахарный тростник, кукуруза и др., содержащие крахмал или углеводы. Сущность метода заключается в сбраживании этих продуктов при помощи бактерий, перерабатывающих углеводы в этанол. В соответствующих районах тропиков с одного гектара посевов сахарного тростника можно получить свыше 4000 л. этанола.
По ориентировочным оценкам ВНИИ НП мощности по производству этанола в России, который может быть использован в составе бензинов, составляют около 320 тыс.т. (около 1% от объёма производства бензина), в том числе 2000 тыс.т. гидролизного и 120 тыс. т синтетического этанола. [3, с. 145- 152].