Оценка динамической вязкости субстратов, используемых для получения биогаза

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ СУБСТРАТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА
Караева Юлия Викторовна
канд. техн. наук, с.н.с. Академэнерго, г. Казань
E-mail: julieenergy@list. ru Трахунова Ирина Александровна
мл. науч. сотр. Академэнерго, г. Казань E-mail: irseen2@yahoo. com
ESTIMATION DYNAMIC VISCOSITY OF SUBSTRATES FOR BIOGAS
PRODUCTION
Karaeva Yulia
candidate of Technical Sciences, Senior Researcher Akademenergo, Kazan
Trakhunova Irina junior Researcher Akademenergo, Kazan
АННОТАЦИЯ
Проведено экспериментальное исследование динамической вязкости свиного навоза, бытовых сточных вод, послеспиртовой барды и кека в зависимости от температуры и скорости сдвига.
ABSTRACT
The experimental investigation of pig manure, wastewater, the distillery stillage and filter cake viscosity, depending on the temperature and shear rate is performed.
Ключевые слова: динамическая вязкость, свиной навоз, послеспиртовая барда, кек, сточные воды.
Keywords: dynamic viscosity, swine manure, distillery stillage, filter cake, wastewater.
Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики № СП-2442. 2012.1.
Проектирование процесса метанового брожения основано на некорректном допущении о ньютоновском характере субстрата при любой концентрации твердого органического вещества. В настоящее время наблюдается неуклонный рост концентрации твердого вещества в органических отходах, а в связи с этим и значительное число отказов систем перемешивания и насосных систем на стадии биологической очистки сточных вод, а также в биогазовых установках [9].
Наиболее изученным субстратом, используемым для получения биогаза, является свиной навоз [1, 2, 3, 6]. В настоящее время действуют Методические рекомендации по проектированию систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения и утилизации навоза и помета, разработанные еще в 1981 году [4]. Экспериментальные исследования (Тропин А.Н., 2011) показали, что жидкий свиной навоз влажностью 88−91% может быть классифицирован как неньютоновская система со сложными нестационарными реологическими свойствами [5, 7, 8]. Следует отметить, что полученные значения коэффициента динамической вязкости, а также значение предельного напряжения сдвига в несколько раз выше, чем в Методических рекомендациях.
Подобная ситуация наблюдается в различных отраслях промышленности, отходы которых возможно использовать для получения биогаза. В связи с этим, необходимы дополнительные исследования вязкости органических отходов предприятий сельскохозяйственной и пищевой промышленности, а также бытовых сточных вод.
Определение коэффициента динамической вязкости
Для определения коэффициента динамической вязкости использовался ротационный вискозиметр 100. Прибор зарегистрирован в реестре СИ № 41 593−09, разработан для решения всего спектра задач, связанных с контролем реологического поведения жидкостей, построения реологических кривых и проведения их анализа (фирма ЬЛМУ ЯИео1о§ у, Франция). При проведении экспериментальных исследований использовалась измерительная система ЫЗ-Я. Она предназначена для анализа любых гетерогенных образцов,
включая жидкости, содержащие твердые включения. Оборудование полностью соответствует требованиям ГОСТ 29 226 и ГОСТ 52 249 ^МР). Аналитическая пара включала вращающийся лопастной шпиндель и измерительную ячейку с жидкостным термостатированием.
Обработка экспериментальных данных
Ньютоновская жидкость
Будем считать, что зависимость вязкости л от температуры Т может быть представлена в виде:
Г о
ехр
V
в
ят
(1)
где: ко — реологическая константа-
В — энергия активации вязкого течения, Дж/моль- Я — универсальная газовая постоянная (Я = 8,314 Дж/(моль-К)) — Т — температура, К.
Неньютоновская жидкость с заданной концентрацией. Зависимость вязкости от скорости сдвига и температуры
Будем считать, что зависимость вязкости л от скорости сдвига у и температуры Т может быть представлена в виде:
/л = к0у& quot- ехр
ЯТ
(2)
где: ко, п — реологические константы- у — скорость сдвига, 1/с.
Неньютоновская жидкость. Зависимость вязкости от скорости сдвига, температуры и концентрации
Динамическая вязкость зависит от скорости сдвига, температуры и концентрации. Будем считать, что эту зависимость можно представить в виде
м
г, аг п, а1& lt-*+ь1)и Г
ехр
(3)
где: ко, а ь а2, Ъ1 — реологические константы, В — энергия активации вязкого течения,
Я — универсальная газовая постоянная (Я = 8314 Дж/кмоль-К). Отклонение от экспериментальных данных было рассчитано по формуле:
1
ыыь
м N ь
ми
г=1 }= 1 к=1
м,/к — Ж: ггук
тах
у А-
(4)
Сточные воды МУП «Водоканал» (Казань, Республика Татарстан)
В табл. 1 приведены результаты экспериментальных исследований коэффициента динамической вязкости сточных вод МУП «Водоканал» г. Казань в зависимости от скорости сдвига и температуры. Концентрация сухого вещества в растворе 7,5%.
Таблица 1.
Вязкость сточных вод в зависимости от скорости сдвига и температуры
Скорост 50С 230С 500С
ь сдвига, 90С 130С 300С 400С
1/с
2,01 0,723 0,657 0,592 0,526 0,394 0,29 0,263
2,87 0,551 0,551 0,459 0,413 0,322 0,276 0,258
4,1 0,483 0,419 0,354 0,354 0,290 0,258 0,240
5,88 0,382 0,337 0,314 0,292 0,224 0,224 0,224
8,43 0,298 0,282 0,251 0,251 0,188 0,172 0,219
12,1 0,241 0,219 0,208 0,208 0,164 0,142 0,164
17,5 0,196 0,181 0,166 0,159 0,128 0,121 0,128
24,7 0,160 0,150 0,133 0,133 0,107 0,096 0,107
35,3 0,135 0,120 0,112 0,108 0,090 0,079 0,082
50,6 0,117 0,102 0,094 0,089 0,073 0,068 0,065
72,5 0,098 0,087 0,082 0,076 0,064 0,056 0,053
104 0,087 0,076 0,070 0,065 0,051 0,047 0,046
149 0,076 0,066 0,060 0,055 0,044 0,040 0,039
212 0,067 0,058 0,053 0,048 0,039 0,035 0,034
304 0,080 0,053 0,048 0,043 0,034 0,031 0,030
Сточные воды являются неньютоновской псевдопластичной жидкостью. На основании экспериментальных данных получена следующая зависимость: к0 = 0. 48 265, п = -0. 4763, В = 11 954,79.
11 954.. 79
/л = 0. 48 265 у~0Л16Ъе КТ. (6)
Среднеквадратическая величина относительной погрешности полученной зависимости равна 0,143.
Навоз свинокомплекса КФХ «Кильдеево» (Верхнеуслонский район, Республика Татарстан)
Исследованы растворы свиного навоза с содержанием сухого вещества 6%, 8%, 10%, 12% и 14%.
Результаты проведенного эксперимента показали, что при концентрации сухого вещества в растворе менее 8%, субстрат является ньютоновской жидкостью.
На основании экспериментальных данных получена следующая зависимость:
// = 5. 4304. Ю"-5^60 670/"-266"-"-6 002 -ехр^. 2918 -107 С0(5)
Среднеквадратическая величина относительной погрешности полученной зависимости равна 0,023.
Послеспиртовая барда и кек Буинского спиртзавода (Республика Татарстан)
Для экспериментов использовались:
• послеспиртовая барда с концентрацией сухого вещества 12%, диапазон температур от 350С до 600С-
кек (продукт первичного передела барды) с концентрацией сухого вещества 38%, диапазон температур от 250С до 550С.
В табл. 2 приведены результаты экспериментальных исследований коэффициента динамической вязкости кека в зависимости от скорости сдвига и температуры.
Послеспиртовая барда в диапазоне температур от 350С до 600С является ньютоновской жидкостью. Зависимость вязкости послеспиртовой барды от температуры:
29 850. 75
// = 8. 07 • 10~7е кт. (7)
Среднеквадратическая величина относительной погрешности полученной зависимости равна 0,124.
Таблица 2.
Вязкость кека в зависимости от скорости сдвига и температуры
7 250 С 350 С 450 С 500 С 550 С
2,01 40,61 40,34 23,64 12,40 7,60
2,87 30,72 28,49 16,79 8,31 4,46
4,1 23,92 19,56 13,10 6,30 2,55
5,88 16,64 14,85 8,97 5,20 1,49
8,43 12,51 10,76 7,26 3,85 1,11
12,1 9,70 7,73 5,50 2,99 1,03
17,5 7,53 6,68 4,03 2,33 0,81
24,7 5,68 5,18 3,02 1,76 0,69
35,3 4,39 3,99 2,33 1,41 0,64
50,6 3,37 3,11 1,84 1,13 0,49
72,5 2,49 2,45 1,47 0,94 0,43
Кек проявляет реологические свойства, характерные для неньютоновской псевдопластичной жидкости. На основании экспериментальных данных получена следующая зависимость: к0 =7. 59−10~8,/7 =-0. 7534,? = 51 736,11.
51 736. 11
/и = 7. 59 • 10~8y~a7534e7^
Среднеквадратическая величина относительной погрешности полученной зависимости равна 0,097. Заключение
Результаты проведенного эксперимента показали, что при концентрации сухого вещества в растворе менее 8%, свиной навоз является ньютоновской жидкостью, сточные воды представляют собой неньютоновскую псевдопластичную жидкость, а послеспиртовая барда в диапазоне температур от 350С до 600С проявляет ньютоновские свойства.
Список литературы
1. Голушко A.C. Исследование линейных к местных сопротивлений в навозопроводах на свиноводческих фермах. Автореф. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, ВЭИСХ, М., 1969. — 20 с.
2. Капустин В. П. Совершенствование систем уборки и транспортировки бесподстилочного навоза. Тамбов, Изд -во ТГТУ, 2001, — 123 с.
3. Ледин Н. П. Расчет мощности роторного устройства для уборки навоза / Н. П. Ледин, В. К. Письменный, В. И. Полищук // МЭСХ. — 1979. — №№ 4. — С. 22−24.
4. Методические рекомендации по проектированию систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения и утилизации навоза и помета. Москва, МИНСЕЛЬХОЗ, 1981: [Электронный ресурс ] - Режим доступа. — URL: http: //law. rufox. ru/view/9/2481. htm (дата обращения: 18. 06. 2013).
5. Миндубаев А. З. Оптимизация параметров выработки биогаза в лабораторном масштабе / А. З. Миндубаев, С. Т. Минзанова, Е. В. Скворцов, В. Ф. Миронов, В. В. Зобов, Ф. Ю. Ахмадуллина, Л. Г. Миронова, Д. Е. Белостоцкий, А. И. Коновалов // Вестник Казанского технологического университета. — 2009. — № 4. — С. 226−230.
6. Письменов В. Н. Получение и использование бесподстилочного навоза. Москва, Россельхозиздат, 1988, — 206 с.
7. Тропин А. Н. Повышение эффективности работы самотечной системы удаления навоза путем оптимизации ее конструктивных и технологических параметров: Автореф. дисс. канд. тех. наук. СПб., 2011. — 19 с.
8. Холин К. В. Физико -химический и биохимический анализ отработанных биогазовых субстратов, а также перспективы их практического применения / К. В. Холин, А. З. Миндубаев, С. Т. Минзанова, А. Д. Волошина, Д. Е. Белостоцкий, В. В. Зобов, В. Ф. Миронов, А. И. Коновалов, Ф. К. Алимова, Э. И. Галеева, Е. С. Нефедьев // Вестник Казанского технологического университета. — 2010. — № 2. — С. 457- 464.
9. James J. Marx Applying rheological techniques to upgrade anaerobic digesters and handle high solids concentrations / Robert B. Stallings, Dorian Harrison, Thomas E. Wilson, Shahriar Eftekharzadeh // Proceedings of the Water Environment Federation, Residuals and Biosolids Management. — 2006. — № 10. — С. 680−689.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой