小球藻生物柴油的制备工艺和燃烧反应动力学模型的研究

发布时间：2017-12-08 17:07

  本文关键词：小球藻生物柴油的制备工艺和燃烧反应动力学模型的研究

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【摘要】：海藻生物柴油被誉为第三代生物柴油,具有原料丰富、生长迅速、不占用耕地等传统生物柴油无法比拟的优点。小球藻是一种较为常见的海藻,在我国各地分布广泛,是一种极具发展潜力的生物柴油原料。本文围绕小球藻生物柴油的制备工艺、理化特性和燃烧反应动力学模型开展研究,为深入研究小球藻生物柴油的燃烧过程,促进小球藻生物柴油的应用和推广提供一定的理论基础。采用不同破壁方法对小球藻进行预处理,采用直接转酯法,结合正交试验和神经网络,分析了不同因素对小球藻生物柴油产率的影响规律,优化了制备工艺条件。研究结果表明,研磨20分钟,超声波振荡40分钟能取得较好的破壁效果;产油率最高可达2.6%,对应的工艺条件为:甲醇海藻的体积质量比为40ml:5g、浓硫酸体积分数3.6%、反应温度75℃、反应时间9h、搅拌速度720r/min。利用气相色谱质谱联用仪(Gas chromatography mass spectrometry,GCMS)测定了小球藻生物柴油的组分及含量,使用密度计、粘度计等仪器测量了小球藻生物柴油密度、粘度等理化特性指标,基于小球藻生物柴油各组分的分子式和含量,利用物性参数估算公式,计算了小球藻生物柴油的十六烷值和低热值,并与柴油、生物柴油国家标准进行了对比分析。结果表明,小球藻生物柴油密度为0.866g/mL,十六烷值为52,运动粘度为4.33mm2·s-1,热值为39.66MJ·kg-1,酯含量为96.7%,制得的小球藻生物柴油的主要理化特性指标均符合生物柴油国家标准。以热值、相对分子质量、碳氢质量分数、氧含量、十六烷值为匹配目标,确定了小球藻生物柴油替代物质的种类和配比,采用“叠加法”构筑了小球藻生物柴油的燃烧反应动力学模型。运用Chemkin-pro软件计算了小球藻生物柴油在激波管中的着火延迟期,并将模拟结果与文献中的试验结果进行了对比分析。结果表明,选取摩尔比为1:1的癸酸甲酯与异辛烷作为替代物质,构筑的小球藻生物柴油的燃烧反应动力学模型,能较好的预测小球藻生物柴油的着火延迟期;该模型包括3563种物质,11194个基元反应,但模型的规模较大,需要简化。利用基于误差传播的直接关系图法(Directed Relation Graph with Error Propagation,DRGEP),针对不同的简化目标,采用Fortran语言编写了简化程序,对小球藻生物柴油的详细燃烧反应动力学模型进行了简化,比较分析了简化前后模型的计算效率和预测性能。研究结果表明,以“OH摩尔分数最大值相对误差不超过10%”,“CO2,H2O反应终了摩尔浓度相对误差都不超过5%”,“CO2反应终了摩尔浓度相对误差不超过5%”为简化目标,得到的简化模型包含的物质种类数分别为216、78、55,基元反应个数分别为1021、252、160;随着模型规模的减小,计算效率显著提高,三种简化模型耗时分别为详细模型的5.4%、1.5%、1.0%。计算误差随模型规模的减小有所增加,在计算癸酸甲酯摩尔分数随时间变化时,三种简化模型的计算误差分别为0.3%、1.1%、2%,简化模型在提高计算效率的同时,能保持较好的预测性能。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE667

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