ОЦЕНКА  ДИНАМИЧЕСКОЙ  ВЯЗКОСТИ  СУБСТРАТОВ,  ИСПОЛЬЗУЕМЫХ  ДЛЯ  ПОЛУЧЕНИЯ  БИОГАЗА

Караева  Юлия  Викторовна

канд.  техн.  наук,  с.н.с.  Академэнерго,  г.  Казань

E-mail: 

Трахунова  Ирина  Александровна

мл.  науч.  сотр.  Академэнерго,  г.  Казань

E-mail: 

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  RM  100.  Прибор  зарегистрирован  в  реестре  СИ  №  41593-09,  разработан  для  решения  всего  спектра  задач,  связанных  с  контролем  реологического  поведения  жидкостей,  построения  реологических  кривых  и  проведения  их  анализа  (фирма  LAMY  Rheology,  Франция).  При  проведении  экспериментальных  исследований  использовалась  измерительная  система  MS-R.  Она  предназначена  для  анализа  любых  гетерогенных  образцов,  включая  жидкости,  содержащие  твердые  включения.  Оборудование  полностью  соответствует  требованиям  ГОСТ  29226  и  ГОСТ  52249  (GMP).  Аналитическая  пара  включала  вращающийся  лопастной  шпиндель  и  измерительную  ячейку  с  жидкостным  термостатированием. 

Обработка  экспериментальных  данных

Ньютоновская  жидкость

Будем  считать,  что  зависимость  вязкости  μ  от  температуры  Т  может  быть  представлена  в  виде:

,                                    (1)

где:  k₀  —  реологическая  константа; 

В  —  энергия  активации  вязкого  течения,  Дж/моль; 

R  —  универсальная  газовая  постоянная  (R  =  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  μ  от  скорости  сдвига  γ  и  температуры  Т  может  быть  представлена  в  виде:

,                                            (2)

где:  k₀,  n  —  реологические  константы; 

γ  —  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

,                                    (3)

где:  k₀,  ɑ₁,  ɑ₂,  b₁  —  реологические  константы, 

B  —  энергия  активации  вязкого  течения, 

R  —  универсальная  газовая  постоянная  (R  =  8314  Дж/кмоль·К). 

Отклонение  от  экспериментальных  данных  было  рассчитано  по  формуле:

                               (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

Сточные  воды  являются  неньютоновской  псевдопластичной  жидкостью.  На  основании  экспериментальных  данных  получена  следующая  зависимость: 

.                                (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)

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: 

.                                           (7)

Среднеквадратическая  величина  относительной  погрешности  полученной  зависимости  равна  0,124.

Таблица  2.

Вязкость  кека  в  зависимости  от  скорости  сдвига  и  температуры

Кек  проявляет  реологические  свойства,  характерные  для  неньютоновской  псевдопластичной  жидкости.  На  основании  экспериментальных  данных  получена  следующая  зависимость: 

                        (8)

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.