способ обработки растительных масел

Формула изобретения

Способ обработки растительного масла посредством физического воздействия, отличающийся тем, что растительное масло подвергают обработке ультразвуковыми колебаниями мощностью 600 Вт 10 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке растительного масла физическим воздействием и может быть использовано в качестве возобновляемого сырья для получения экологически чистых топлив с пределами выкипания 130...320°С для быстроходных и тихоходных дизельных двигателей, котельного топлива, а также для получения сырья для тонкого органического синтеза.

Известно, что в качестве топлив для дизельных двигателей может быть непосредственно использовано растительное масло (Савельев Г.С., Краснощеков Н.В. Биологическое моторное топливо для дизелей на основе рапсового масла // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2005. №10. С.11-16).

Существенным недостатком способа непосредственного использования растительного масла в качестве дизельных топлив является ухудшение эксплуатационных свойств топлив из-за повышенной вязкости и поверхностного натяжения масла, которые приводят к образованию крупных капель топлива при распыливании в камере сгорания по сравнению с каплями топлива нефтяного происхождения. Вследствие этого на испарение топлива требуется больше времени, возникает неполное его сгорание и дымление двигателя, образуются лако- и нагароотложения, наблюдается перерасход топлива. Несгоревшее растительное масло маслосъемными кольцами перемещается вниз, попадает в картер, где смешивается с моторным маслом нефтяного происхождения, значительно ухудшая его эксплуатационные свойства.

Известны способы изменения свойств растительного масла при обработке их электромагнитными полями для удаления влаги и летучих веществ (АС SU 947183, С11В 3/00, 27.05.1980) и для повышения устойчивости к окислению (AC SU 1201299, С11В 3/00, 22.02.1982).

Существенным недостатком указанных способов является невозможность использования растительного масла после обработки в качестве моторных топлив, так как в процессе обработки растительного масла известными способами изменения их структуры и эксплуатационных свойств не происходит, а реализация этих способов требует значительных энергозатрат на их осуществление.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ (патент РФ 2165960, С11В 3/00, 27.10.2000) обработки растительного масла магнитным полем, генерированным узкодоменной магнитной пленочной структурой, содержащей редкоземельные элементы, который приводит к кратковременному изменению физических свойств растительного масла (температуры горения, вязкости, поверхностного натяжения).

Основными недостатками способа-прототипа являются: кратковременное изменение коллоидной структуры растительного масла, что не позволяет использовать их в качестве компонента для моторных и котельных топлив, поскольку химический состав, эксплуатационные свойства и структура обработанных по этому способу масел не изменяются, а аппаратурное оформление процесса обработки масла довольно сложное.

Для того, чтобы растительное масло можно было использовать в качестве моторного или котельного топлива, необходимо обеспечить разукрупнение молекул триглицеридов с образованием новых, не свойственных маслу соединений, имеющих другие физико-химические характеристики.

Целью изобретения является расширение области применения растительного масла и придание им нетрадиционных свойств - экологически чистых возобновляемых топлив с пределами выкипания 130...320°С для быстроходных и тихоходных дизельных двигателей, котельного топлива, а также сырья для тонкого органического синтеза.

Указанная цель достигается тем, что растительное масло подвергают воздействию ультразвуковым колебаниям мощностью 600 Вт 10 минут, приводящему к разрыву химических связей в молекулах триглицеридов высших непредельных алифатических кислот и к изменению как коллоидной, так и химической структуры растительных масел.

Способ осуществляется следующим образом.

Растительное масло пропускают через активатор, в состав которого входит ультразвуковой генератор. Рабочий узел активатора - трубчатый волновод из легированной стали 12Х18Н10Т. В центре трубчатого волновода установлен магнитостриктор ПМС-15-22, соединенный с ультразвуковым генератором УЗГ-3-4 генерирующего колебания мощностью 600 Вт. Система охлаждения магнитостриктора имеет замкнутый контур. Прокачивание охлаждающей жидкости осуществляется насосом с частотной регулировкой. Антенны, размещенные в рабочей зоне активатора, излучают ультразвуковые колебания. При этом происходит деструкция молекул триглицеридов, входящих в состав масла. В результате обработки масла ультразвуковым физическим воздействием изменяется радиус ядра и толщина адсорбционно-сольватной оболочки сложной структурной единицы, которая является элементом дисперсной системы. Изменение баланса сил между частицами дисперсной системы и уменьшение размеров дисперсных частиц вследствие комплексного физического воздействия позволяет изменить коллоидную структуру масла и приводит к образованию в жидкости разрывов, то есть мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Как правило, кавитационные пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию большей их части. При захлопывании кавитационного пузырька выделяется энергия, пропорциональная произведению массы движущейся жидкости на квадрат скорости ее движения. Поскольку выделяющаяся энергия превышает энергию связи атомов в молекуле, то связь разрывается. В первую очередь разрываются менее прочные связи. Для триглицеридов растительного масла это, в первую очередь, -связи углерод-углерод, находящиеся в -положении к двойным связям С=С или С=О. В результате образуются непредельные соединения, имеющие меньшую молекулярную массу, чем исходные триглицериды. Воздействие на масло осуществляется в воздушной среде и сопровождается звукохимическими реакциями с образованием пероксидных соединений или реакциями крекинга углеводородов. Соединения такого типа неустойчивы, легко образуют радикалы и являются инициаторами радикальных реакций в органических средах. Следствием протекания звукохимических реакций в обрабатываемом растительном масле является разукрупнение молекул триглицеридов с образованием новых, не свойственных им органических соединений. Обработанное таким образом масло можно применять в качестве моторных или котельных топлив с улучшенными эксплуатационными свойствами, а также в качестве сырья для тонкого органического синтеза.

Сущность предлагаемого способа изложена в примере.

ПРИМЕР. Рапсовое масло подвергали обработке ультразвуковыми колебаниями мощностью 600 Вт на генераторе УЗГ-3-4 с магнитостриктором ПМС-15-22 в течение 10 мин.

Разрушение исходной коллоидной структуры, разрыв -связей молекул триглицеридов и уменьшение молекулярной массы частиц приводит к значительному изменению физико-химических характеристик обработанного масла по сравнению с исходным маслом. Изменяются такие показатели, как плотность, вязкость, фракционный состав (см. таблицу). Достигнутые показатели позволяют использовать полученный продукт в качестве моторного и котельного топлив.

Проведены стендовые испытания полученного вида топлива на дизельном двигателе Д 240. Анализ полученных экспериментально показателей рабочего процесса показал отсутствие факторов, препятствующих применению его в дизельных двигателях.

Таблица
Характеристики исходного и обработанного масла
Наименование показателей	Исходное масло	Масло обработанное
Плотность при 20°С, кг/м3	910	880
Вязкость при 40°С, мм2/с	27,0	12,1
Фракционный состав, °С:
Н.к.	300	130
50% (об.)	перегоняется	270
96% (об.)	15%, далее -	315
К.к.	разложение	320

Качественный анализ обработанного и необработанного масла показал, что оба продукта дают идентичные аналитические реакции - присутствие двойных связей и сложноэфирной группы. Как и следовало ожидать от непредельных соединений, при контакте с маслом до и после обработки, происходит обесцвечивание бромной воды, а также изменение окраски нейтрального раствора перманганата калия, сопровождающееся выпадением коричневого осадка оксида марганца (IV). Мгновенное исчезновение окраски брома и перманганата калия свидетельствует о наличии скорее двойной, а не тройной связи в соединениях. Но раствор брома также обесцвечивается соединениями, содержащими подвижный водород (фенолы, ароматические амины, третичные углеводороды). Однако при этом происходит реакция замещения с выделением бромоводорода, присутствие которого с помощью влажной бумажки синего лакмуса или конго в продуктах обработки и исходном масле не обнаружено.

При анализе сложных эфиров используют их способность омыляться под действием щелочей. К анализируемым веществам прибавляют несколько капель фенолфталеина и 0,1 н. раствор гидроксида натрия в метаноле до появления малинового окрашивания смеси; нагревают на водяной бане до 40-50°С. Исчезновение окрашивания указывает на связывание щелочи кислотой, образовавшейся в результате гидролиза сложного эфира. Эта реакция подтверждает присутствие в образце сложного эфира и дает положительный результат как в необработанном, так и в обработанном образцах.

Реакция с гидроксидом меди (II) служит для определения в смеси двух-, трех- и многоатомных спиртов. Образования темно-синего раствора комплексной соли (глицерата меди) не наблюдается ни в одной пробе. Значит, разрыва -связи С-О с образованием глицерина не происходит.

Качественные реакции на другие функциональные группы (карбоксильные, карбонильные, фенольные и т.п.) отсутствуют.

Проведенные исследования физических свойств и аналитических реакций показали, что при комплексном физическом воздействии происходит, с одной стороны, разукрупнение молекул триглицеридов, что возможно только при разрыве связей углерод - углерод. Однако при этом качественные реакции обработанного и необработанного продуктов идентичны и выделения в чистом виде глицерина не происходит. Следовательно, разрыв происходит именно в -положении к двойным связям С=С или С=О, с образованием новых непредельных углеводородов (из жирнокислотного радикала) и триглицеридов кислот меньшей молекулярной массы. Например, для смешанного триглицерида олеиновой, линолевой и линоленовой кислот основные возможные направления разрыва связей следующие:

Масло, обработанное ультразвуковыми колебаниями, подвергали перегонке при атмосферном давлении. В процессе перегонки при атмосферном давлении обработанного масла образуется дистиллят изумрудно-зеленого цвета, аналитические реакции которого показывают наличие не только двойной связи и сложноэфирной группы, но и присутствие карбонильной и карбоксильной групп. Вероятно, при высоких температурах перегонки продолжаются и ускоряются химические реакции, начало которым было положено при комплексном физическом воздействии. Появление в процессе перегонки кислородсодержащих соединений косвенно подтверждает образование пероксидов на стадии ультразвуковой обработки. Окисление пероксидов может привести к получению карбонильных соединений и карбоновых кислот. Для обработки нами использовалось нерафинированное рапсовое масло желтовато-зеленого цвета. Зеленый цвет обязан присутствием в нерафинированном масле хлорофилла, маскирует его и придает маслу желтоватый цвет -каротин. Изумрудная окраска дистиллята может объясняться тем, что молекулы -каротина, содержащие кратные связи, при нагревании разрушаются, а порфириновый комплекс хлорофилла в этих условиях более устойчив. Выпадение обильного белого осадка при добавлении раствора нитрата свинца свидетельствует о наличии в дистилляте карбоновых кислот, которые могли образоваться в процессе окисления. Образование осадка в присутствии фенилгидразина позволяет предположить наличие карбонильных соединений. Однако четкую реакцию с реактивом Фелинга дает только продукт, обработанный в течение менее 10 минут. Продукт 10-минутной обработки не дает ни реакцию Фелинга, ни реакцию серебряного зеркала. Можно предположить, что при более длительной обработке масла интенсивнее происходят процессы изомеризации и преимущественно образуются кетоны, а не альдегиды. Судя по фракционному составу дистиллята, в его состав могут входить: метилаллилкетон (Т_КИП=150°С) 6-метил-5-гептен-2-он (Т_КИП=174°С), пеларгоновый альдегид (Т_КИП=190-192°С), 2-ундецен (Т _КИП=193°С), метилгептилкетон (Т_КИП =194-196°С), метилнонилкетон (Т_КИП =226-228°С), метилундецилкетон (Т_КИП =263°С), возможно, ундециленовая (Т_КИП =257°С) и гептандионовая кислоты, трибутират глицерина (Т _КИП=315°С).

Все эти соединения, выделенные путем фракционной перегонки, могут служить исходным сырьем для тонкого органического синтеза.

Обработка масла по способу согласно изобретению позволяет создавать технологии с высокими природоохранными характеристиками за счет исключения применения токсичных веществ нефтяного происхождения.