Применение этанола в качестве моторного топлива

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА

ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА» в г. ОРЕНБУРГЕ

 

Отделение «Химическая технология переработки углеводородного сырья и экология»

 

Кафедра «Технология переработки нефти»

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по дисциплине «Применение природных газов в качестве моторных топлив»

на тему: «Применение этанола в качестве моторного топлива»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы ОХТд-10-01,

специальности 240403 Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов, Саразова Э.Р.

______________________

«  20  »       марта    2014 г.

 

Проверил: к.х.н. доцент Бусыгина Н.В

______________________

«____»___________20__г.

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург 2014

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                          Введение

 

    Этиловый спирт находит широкое применение в народном хозяйстве в качестве растворителя, также применяется в производстве дивинила, в пищевой и медицинской промышленности, в качестве горючего для ракетных двигателей, антифриза и т.д., является важным промежуточным продуктом органического синтеза (в производстве сложных эфиров, целлулоида, искусственного шелка, ацетальдегида, уксусной кислоты, хлороформа, хлораля, диэтилового эфира и других продуктов). Этанол, используемый в качестве топлива, денатурируют путем добавления небольшого количества бензина, а иногда и других продуктов нефтехимии. Это делает его непригодным для питья.

Топливный этанол в качестве добавки к бензину позволяет увеличить октановое число и улучшить эксплуатационные характеристики смесевого бензина. Использование бензина с содержанием этанола до 15% не требует изменения конструкции современных двигателей внутреннего сгорания и вспомогательных приборов к ним. 

     Этиловый спирт относится к числу многотоннажных продуктов основного органического синтеза, мировое производство этанола, по данным 2011 года, составляет около 103,2 млрд. литров  в год.(по объему производства занимает первое место в мире среди всех органических продуктов). Применения этанола в качестве моторного топлива  имеет ряд преимуществ и недостатков, которые будут рассмотрены в данном реферате.

 

 

 

1 Способы производства и характеристика биоэтанола как моторного топлива

 

   Биоэтанол - это обычный этанол, используемый как биотопливо и получаемый путем переработки растительного сырья - сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса. Наибольшая доля мирового производства жидкого (моторного) биотоплива приходится на биоэтанол. Существует 2 основных способа получения биоэтанола - микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15% биоэтанола, поскольку в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом биоэтанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовому брожению. Биоэтанол по сравнению с бензином является менее «энергонасыщенным» источником энергии. Пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85% этанола и 15% бензина; буква «Е» от английского Ethanol) на единицу объема топлива составляет около 75% от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания работают на Е10. На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» (этанольно-гибридные) машины. Эти автомобили могут работать на обычном бензине или на произвольной смеси того и другого. Причина популярности биоэтанола – экономическая эффективность его производства, т.к. при урожайности семян рапса 2-4 т/га с 1 гектара можно получить 1-1,5 тонны биоэтанола и 2-2,5 тонны высококачественных растительных кормов. Характеристики моторного топлива, получаемого из растений, близки к показателям минерального топлива. При этом вредные выбросы при его использовании топлива существенно меньше. Одной из важнейших характеристик биоэтанола является топливный баланс (соотношение энергии выделяемой топливом к энергетическим затратам на его производство). Существуют различные способы оценки топливного баланса этанола. Но топливный баланс бензина всё равно хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, её добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т. д.

Серьезным недостатком биоэтанола является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), которые наносят живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды. Глобальное производство этанола на 2009 год составило 73.9 млрд. литров, в 2010 – 85.9 млрд. литров (на 16.2% больше чем в 2009г.). В 2010 году производство этанола заместило потребность, эквивалентную 370

миллионам баррелей нефти. В 2011 году из примерно 103,2 млрд. литров этанола, произведенного в мире, более 80 % (86,1 млрд. литров) были использованы в качестве биотоплива. Мировым лидером в области производства биоэтанола являются США – 54,2 млрд. литров, далее следует Бразилия – 22,9 млрд.

  Биоэтанол  в Бразилии производится преимущественно  из сахарного тростника, а в  США — из кукурузы. Производство биоэтанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы. Федеральное правительство США предоставляет производителям биоэтанола налоговый кредит (но не субсидии) до $0,51 за галлон биоэтанола. Бразильский биоэтанол дёшев из-за низких заработных плат у сборщиков сахарного тростника.

   Этанол, добавляемый в состав бензина, способствует  полному сгоранию  топлива. Потребление смесей с  добавлением этанола также уменьшает  выделение угарного газа.

Несмотря на более высокую стоимость по сравнению с метиловым спиртом этанол используется в качестве  компонента моторного топлива в значительно больших объемах. Это обусловлено рядом преимуществ этанола:

- более  высокая теплотворная способность  – на 35 % выше чем у метанола;

- лучшая  растворимость в бензине;

- меньшая коррозионная агрессивность по отношению к резинотехническим изделиям и металлам;

- значительно меньшая токсичность;

-бензины, содержащие этанол, характеризуются  лучшими антидетонационными свойствами.

   Использование биоэтанола в качестве топлива позволяет снизить выбросы диоксида углерода, являющегося парниковым газом. Сокращение выбросов диоксида углерода при использовании биоэтанола зависит от используемого растительного сырья, климатической зоны и накладных расходов на его выращивание, транспорт и переработку, поскольку в этих процессах используется ископаемое топливо (агротехнические работы, сушка зерна при закладке на хранение, производство удобрений для восстановления плодородия почв, ректификация спирта и переработка отходов). Снижение выбросов CO2 при производстве этанола из зерна по состоянию на 2007 г. в США составляло в среднем 19%, предполагается, что при модернизации спиртового производства и переводе его исключительно на природный газ возможно снижение выбросов углекислого газа на 28-32%. Максимальное снижение выбросов CO2 может быть достигнуто при производстве этанола из целлюлозосодержащих отходов (например, отходов лесной промышленности, 52%) в качестве как источников целлюлозы, так и топлива в спиртовом производстве; теоретический максимум снижения выбросов — 82% — может быть достигнут при производстве этанола из целлюлозной биомассы проса Panicum virgatum, однако такие производства в настоящее время отсутствуют (по состоянию на 2011 г.).Содержащийся в этаноле кислород, позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10% содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50%, выбросы СО — на 30%. В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в СО2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

  Таким образом, наличие кислорода в спирте способствует более полному сгоранию топлива и, следовательно, меньшему содержанию токсичных продуктов в отработавших газах (по разным оценкам - от 25 до 30%). При этом биоэтанол имеет и ряд других преимуществ перед бензином:

- пары этанола  рассеиваются быстрее;

- он менее  токсичен, не содержит канцерогенных  компонентов;

- его пары  менее огнеопасны (из-за более высокой температуры самовоспламенения);

-текучесть  этанола выше, благодаря чему  нет проблем с работой двигателя  в холодную погоду;

- электропроводность  спирта значительно выше, что  снижает возможность накопления  статического электричества при движении топлива (в том числе и в топливной системе);

- октановое  число смешения этанола превышает 120 единиц.

  В то  же время, недостатками этанола  как моторного топлива являются  низкая теплота сгорания и  более высокая температура испарения, а также фазовая нестабильность смеси этанол-бензин в присутствии подтоварной воды. Для борьбы с этим используются три основных метода. Это, во-первых, предварительное обезвоживание этанола до содержания воды менее 0,5%, во-вторых, обеспечение герметизации оборудования, и, в-третьих, применение стабилизаторов, например высших спиртов, которые позволяют связать небольшие количества воды.

   В конце концов, вся мировая практика показывает, что неразрешимых проблем здесь нет, и необходимость использования этанола в бензине в качестве оксигената и октаноповышающей добавки - это объективная реальность.

Некоторые проблемы, которые встречаются на пути использования этанола:

      Этанол обычно не перемещают по трубопроводам по трем причинам:

1. Текущие промышленные уровни производства этанола не соответствуют перекачке по магистральным трубопроводам.
2. Издержки на строительство и поддержание таких трубопроводов слишком велики.
3. Любая вода, которая проникнет в трубопровод будет поглощена этанолом, разбавляющим смесь.

Базирующееся на этаноле топливо не совместимо с некоторыми компонентами топливной системы. Использование топлива на этаноле может негативно влиять на электрические топливные насосы увеличивая внутренний износ и нежелательное поколение искры. E-85 не совместим с емкостными указателями уровня топлива и может вызвать ошибочные указания количества топлива в машинах, которые применяют эту систему. Этанол смешивается с водой или бензином, но не с обеими. При содержании воды в этаноле на уровне ниже 0.5% на 1.0% , нет проблем. При содержании воды в этаноле с 1% или более, происходит разделение фаз (расслоение смеси) , и этанол-водяная смесь выделится из бензина. Убытки от испарения E-85.

1.1 Технологическая  схема синтеза производства этилового  спирта

Технологические схемы синтеза этанола различаются способами получения водяного пара и системами утилизации тепла. В наиболее совершенных схемах водяной пар для синтеза получают путем рецикла воды после отделения этанола и использованием водяного конденсата.

Свежий и оборотный этилен сжимают в компрессорах 1,2 до 8МПа, смешиваются с водяным паром, подогреваются в теплообменнике 4 теплом отходящей от реактора смеси и перегреваются в трубчатой печи 3 до 275 °С, после чего подаются в реактор – гидрататор 5. Перед входом в реактор в поток вбрызгивается фосфорная кислота для подпитки катализатора, что продлевает срок его службы.

Реактор представляет собой полую колонну высотой Юм и диаметром 1,5м, работающую в режиме идеального вытеснения. Для исключения влияния коррозии от фосфорной кислоты изнутри он выложен листами красной меди.

Реакционные газы содержат пары унесенной фосфорной кислоты, которая нейтрализуется гидроксидом натрия, а образующиеся соли выделяются в солеотделителе 6. Унос фосфорной кислоты составляет 0,4 - 0,5 т/час с 1 мЗ катализатора.

 

Теплота отходящих реакционных газов регенерируется в теплообменнике 4 для нагрева входящей смеси. В холодильнике 7 происходит конденсация продуктов реакции, а в сепараторе 8 разделяются жидкие и газовые потоки. Вода, как менее летучий компонент, конденсируется с большей полнотой. Поэтому для дополнительного выделения спирта производится его отмывка водой в абсорбере 9. Непрореагировавший газэ содержащий 90 -92% этилена, рециркулируют компрессором 2, а часть его сбрасывают, чтобы избежать накопления примесей в системе. Отдувка составляет примерно 20% от введенного этилена и направляется на установку газоразделения для выделения этилена.

Водный конденсат после сепаратора 8 и жидкость из абсорбера 9 дросселируют (сбрасывают давление), в результате чего выделяются растворенные газы, отделяемые в сепараторе низкого давления 10 и направляемые в топливную линию.

Жидкая фаза из сепаратора 10 представляет собой 15% - ный водный раствор этанола, содержащий примеси диэтилового эфира, ацетальдегида и низкомолекулярных полимеров этилена. Этот раствор подвергают ректификации в ректификационных колоннах 11 и 12. В первой отгоняют наиболее летучий диэтиловый эфир и ацетальдегид, а во второй - этиловый спирт в виде азеотропной смеси, содержащей 95% этанола и 5% воды. Обогрев колонны осуществляется острым паром. В кубе колонны 12 остается вода, которую очищают от соли в ионообменной установке 13 и возвращают на гидратацию, организуя замкнутый цикл по технологической воде. Это позволяет значительно снизить расход свежей воды, исключить сброс отработанной воды в стоки и сократить потери этанола.