Вплив комплексної гідромеханічної обробки на дисперсність рослинної сировини в технології отримання паливного етанолу

Abstract

В енергетичній, зокрема, транспортній галузі використання біомаси рослинного походження пов’язане з добавками до моторних палив з біодизелем та біоетанолом. Основною метою попередньої обробки лігноцелюлозної сировини для гідролізу є руйнування неоднорідної матриці, збільшення площі поверхні та пористості целюлозного матеріалу, звільнення вуглеводів від зв’язків лігніну. Одним із ключових факторів, що впливають на ефективність попередньої обробки та подальшого гідролізу, є розмір частинок сировини, отриманих на стадії механічного подрібнення. При подальшій обробці в ротаційних реакторах на базі відцентрових насосів сировина піддається додатковому впливу теплофізичних факторів, які сприяють подальшому збільшенню ступеня дисперсності сировини, збільшенню питомої поверхні целюлозного матеріалу. Метою роботи було визначення впливу складних теплофізичних явищ гідромеханічної обробки на розмір частинок рослинної сировини під час її попередньої обробки ддя гідролізу в технології одержання паливного етанолу. В якості сировини використовували пшеничну солому та стебла кукурудзи, подрібнені на соломорізці та попередньо оброблені в дезінтеграторі. Визначення гранулометричного складу рослинної сировини здійснювали за допомогою ситового аналізу. Обробку суспензії рослинної сировини виконували на дослідній установці з реакторним змішувачем, що являє собою роторно-пульсаційний апарат. Гранулометричний склад у діапазоні 0,001–0,08 мм визначали за допомогою лазерного гранулометричного аналізатора Microsizer 201 A. Подальше подрібнення соломи виконували на дослідній установці. Визначено, що при збільшенні співвідношення тверда : рідка речовина від 1 : 5 до 1 : 15 розміри частинок зменшуються на 35–40 %, а при збільшенні від 1 : 5 до 1 : 10 — на 3–5 %. При зміні співвідношення від 1 : 15 до 1 : 10 за 10 циклів обробки дисперсії в реакторі-змішувачі до зниження температури від 47 до 42 С продуктивність обладнання зростає в 1,5–2 рази, енерговитрати змінюються на 25–30 %. Температура водної дисперсії пшеничної соломи (кукурудзяного стебла) у співвідношенні 1 : 15, що змішується в реакторі-змішувачі протягом 10 циклів, змінюється від 17 до 22 С, при 1 : 10 — від 17 до 42 С, при 1 : 5 — від 17 до 47 С. При обробці водної дисперсії з пшеничною соломою в реакторі-змішувачі з частотою пульсації 1 кГц потрібно 42 цикли для досягнення 100 % частоти менше 80 мкм. При збільшенні частоти пульсації від 1 до 3 кГц кількість циклів змінюється до 30, від 1 до 5 кГц — зменшується до 27. Зміна швидкості зсуву потоку має більш значний вплив на дисперсність частинок, ніж частота пульсації. Кількість циклів обробки зменшується на 5–7 %. In the energy sector, particularly, the transport sector, biomass of plant origin is associated with additives to motor fuels with biodiesel and bioethanol. The main purpose of the pretreatment of lignocellulosic raw materials for hydrolysis is to destroy the heterogeneous matrix, increase the surface area and porosity of the cellulose material, and free carbohydrates from lignin bonds. One of the key factors affecting the efficiency of pretreatment and subsequent hydrolysis is the size of the raw material particles obtained at the stage of mechanical grinding. During subsequent processing in rotary reactors based on centrifugal pumps, the raw material is subjected to additional influence of thermophysical factors, which contribute to a further increase in the degree of dispersion of the raw material, increasing the specific surface area of the cellulose material. The work aimed to determine the influence of the complex thermophysical phenomena of hydromechanical processing on the particle size of plant raw materials during their pretreatment for hydrolysis in the technology of obtaining fuel ethanol. The feedstock was wheat straw and corn stalks, chopped on a straw cutter, and once processed in a disintegrator. The determination of the plant raw material particle size distribution was carried out using sieve analysis. The processing of the suspension of plant raw materials was carried out on experimental setup with a reactor mixer, which is a rotor-pulsation apparatus. The particle size distribution in the range of 0.001-0.08 mm was determined using a laser particle size analyzer Microsizer 201 A. Further crushing of the straw was carried out on experimental setup. It was determined that with an increase in the solid : liquid ratio from 1 : 5 to 1 : 15, the size of the parts decreases by 35–40 %, and when increasing the solid : liquid ratio from 1 : 5 to 1 : 10 — by 3–5 %. Changing the solid : liquid ratio from 1 : 15 to 1 : 10 for 10 cycles of processing the dispersion in the reactor-mixer until the temperature drops from 47 to 42 C, at which the productivity of the equipment increases in 1.5–2 times, energy consumption changes by 25–30 %. The temperature of an aqueous dispersion of wheat straw (corn stalk) at a ratio of 1 : 15, mixed in the reactor-mixer for 10 cycles, moves from 17 to 22 C, at the same time at solid : liquid ratio 1 : 10 at 17 to 42 С, at solid : liquid ratio 1 : 5 at 17 to 47 С. When processing an aqueous dispersion with wheat straw in a reactor mixer with a pulsation frequency of 1 kHz, 42 cycles are required to achieve 100 % frequency in less than 80 µm. When the pulsation frequency increases from 1 to 3 kHz, the number of cycles changes to 30. When the pulsation frequency changes from 1 to 5 kHz, the number of cycles decreases to 27. Changing the shear rate of the flow has a more significant effect on particle dispersion than the pulsation frequency. The number of processing cycles is reduced by 5–7 %.