Ауылшаруашылық өнімдерінен биогаз алу үрдістерін зерттеу

Бұл жобаның  авторы басқа құрылғылармен салыстырғанда  ферментатордың ішінде орналасқан және үш шаруашылыққа таратылған үш жерасты тармағы бар түтікшелі құрылымдардың көмегімен газды жинаудың түрін таңдады. Бұдан басқа жырадағы су қақпағының суы ағынды, себебі ол қыс уақытында мұдың қатуынан қорғайды.

Ферментатор үстіне сиырдың  зәрі (соды қосылмаған) құйылған шамамен 12м³ жаңа түскен қи бөлігіне батырылады. Генератор толғаннан кейін 7 күннен соң жұмыс істей бастайды.

Мұндай құрылысты тағы бір құрылым бар (1). Оның ферментаторы, квадратты көлденең кесімінің өлшемі 2х2  және 2,5 м тереңдіктегі ойықта орналасқан. Ойық  қалыңдығы 10-12 см темір бетонды плитамен қапталып, цементпен сыланған және тығыздалуы үшін смоламен жабылған. Су қақпағы жырығының тереңдігі шамамен 50 см бетоннан жасалған, қоңырау қаңылтырлы темірден  пісірілген және бетонды резервуарда орналасқан төрт «құлақта» төрт тік сызықты бағытта еркін сырғи алады. Қоңырау биіктігі шамамен 3 м, оның 0,5 м-і ойыққа батырылған.

Ферментаторға  бірінші  толтыруда 8м³ көлемінде сиырдың жаңа түскен қиы, ал үстінен 400 л сиыр зәрі құйылған. 7-8 күннен кейін құрылым толығымен иелерді газбен қамтамасыз еткен.

Дәл осындай конструкцияны  аралас қиды (сиырдың, қойдың және шошқаның) қабылдауға есептелген 6 м³ биогаз генгераторлары да кездеседі. Үш камфорлы газды плитаның қалыпты жұмыс істеуіне осыда жеткілікті болды.

Тағы бір қызықты конструкциясы  бар құрылым кездеседі: ферментатордың қасында Т тәрізді шланг көмегімен  қосылған, өзара қосылған үш үлкен  тракторлық камералар бар (2 сурет).

  Түнгі мезгілде биогаз қолданылмайды және қоңыраудың астына жиналған кезде қауіп туады, себебі соңғысы артық қысымның әсерінен төңкерілуі мүмкін. Резиналық резервуар қосымша ыдыс қызметін атқарады. Екі оттықтың жұмысы үшін 2х2х1,5 өлшемді ферментатор әбден жеткілікті, ал құрылымның пайдалы көлемін 1м³-ге дейін арттырған кезде үй – жайды жылытуға жеткілікті биогаз мөлшерін алуға болады. Бұл құрылым түрінің ерекшелігі – үрленген қайық дайындау үшін қолданылатын диаметрі 138 см және биіктігі 150 см рәзеңкеден жасалған қоңырау құрылысы. Ферментатор диаметрі 140х300 см, көлемі 4,7 м³ металл резервуардан тұрады. Қоңырау ферментатордағы қиға 30 см- ден кем емес тереңдікке ауаға биогаздың шығуын гидравликалық жапқышты қамтамасыз ету үшін орналастырылады. Ісінген резервуардың жоғары жағында түтікпен қосылған кран орналасқан; осы түтік арқылы газ үш камфорлы газ плитасына  және суды жылытатын колонкаға келіп түседі. Ферментатордың оңтайлы жұмыс жағдайын тудыру үшін қи ыстық сумен араластырылады. Ең жақсы нәтижені құрылғы  шикізат 90% ылғалдылықта және 30-35º С температурада болған кезде көрсетті.

Ферментаторды жылыту үшін  жылыжай әсері  де тиімді қолданылады. Ыдыс үстіне полиэтилен пленкамен жабылған металл каркасы  құрылады: қолайсыз ауа – райы жағдайында ол жылуды сақтайды және шикізаттың ыдырау үрдісін айқын жылдамдатуға жағдай жасайды.

Румынияда биогаз генераторлары мемлекеттік немесе коопреативтік шаруашылықтарда  қолданылады. Міне, солардың бірі. Каркасы  полиэтилен пленкасымен жабылған сиымдылығы  200 м³   екі ферментатордан тұрады (сурет 3).

Қыста қи ыстық  сумен жылытылады. Құрылғының газ өнімділігі күніне 300-480 м³ құрайды. Жергілікті агроөнеркәсіптік кешеннің барлық қажеттілігін қамтамасыз ету үшін осындай мөлшері әбден жеткілікті.

 ІІ.Эксперимент бөлімі

2.1 Биогазды алудағы химиялық термодинамиканың аспектілері

Химиялық реакциялар кезінде энергия бөлінеді немесе сіңіріледі. Егер энергия жылу түрінде  бөлініп немесе сіңірілетін болса, ондай реакциялар жылу эффектілері  көрсетілген химиялық реакция теңдеулері арқылы жазылып көрсетіледі, бұнда  әрекеттесуші заттардың фазалық құрамы көрсетілуі екрек.

Жылу бөліп  жүретін химиялық реакциялар экзотермиялық, ал жылу сіңіре жүретін реакциялар эндотермиялық деп аталады. Реакциялар жылу эффектісін термохимия зерттейді. Термохимияда реакцияның жылу эффектісі Q деп белгіленеді және кДж – мен өлшенеді. Энергияның бір пішінінен екіншісіне ауысуын және денелердің бір жиынтығынан екіншілеріне ауысуын, сонымен бірге берілген жағдайда химиялық және фазалық процестердің жүру тереңдігін зерттейтін термохимия химиялық термодинамиканың маңызды бөлімі болып табылады. әрбір жеке зат немесе олардың жиынтығы термодинамикалық жүйені құрайды. Егер термодинамикалық жүйе қоршаған ортамен не затпен, не энергиясымен алмаспайтын болса, оны оқшауланған деп атайды. Қоршаған орта әсерін ескермейтін процестерді қарастырғанда осындай идеалдандырылған жүйе физикалық абстракция ретінде қолданылады. Қоршаған ортамен тек энергиясы арқылы алмасатын жүйе жабық деп аталады. Егер энергетикалық және материалдық алмасу мүмкін болса – жүйе ашық /1/.

Жүйенің күйі термодинамикалық параметрлермен анықталады – температурамен, қысыммен, концентрациямен, көлеммен т.б. жүйені сипаттайтын басқа қасиеттері де бар: ішкі энергия U, энтальпия Н, энтропия S, Гиббс энергиясы G. Бұлардық реакция кезінде химиялық өзгерісі жүйе энергетикасын сипаттайды. Жүйенің аталған қасиеттері температурадан, қысымнан, концентрациядан тәуелді, сондықтан оларды күйдің функциясы деп атайды. Олар процестің жолынан тәуелсіз, жүйенің бастапқы және соңғы күйімен анықталады.

Жүйенің ішкі энергиясы U молекулалар қозғалысы мен әрекеттесулері энергиясы, молекуладағы байланыс энергиясы, электрондар мен ядролар қозғалысы мен әрекеттесу энергиясы  қосындылары болып табылады.

Химияда изобаралық процестер (р = const) жиі қарастырылады, бұндағы жылу эффектісін жүйенің энтальпиясының өзгеруі немесе процестің энтальпиясы деп атайды.

Q_P=ΔH,   ΔΗ= ΔU + PΔV

            Жүйе энтальпиясын Н (гректің «entalpo» қыздырамын) термодинамикалық жүйенің күйлік бір мәнді функциясы энтропия S мен қысымның тәуелсіз параметрлерінде ішкі энергиямен U келесі қатынас арқылы байланысады:   Η= U + PV, мұндағы V – жүйе көлемі.Энтальпияның өлшем бірлігі энергияның өлшем бірлігіндей (кДж). Оның шамасы зат мөлшеріне пропорционалды; зат мөлшері (моль) бірлігінің энтальпиясы кДж··моль^-1

Термодинамикалық жүйеде химиялық процестің нәтижесінде бөлінген жылуды теріс (экзотермиялық процесс, ΔΗ<0) деп белгілеу ұйғарылған, ал жүйенің сіңірген жылуы эндотермиялық процеске сәйкес келеді, ΔΗ>0.

Энтальпияны көрсету  арқылы берілген химиялық реакция теңдеуі  термохимиялық деп аталады. Энтальпияның сандық мәндері ΔΗ үтір арқылы кДж өлшенеді және барлық әрекеттесуші заттардың стехиометриялық коэффициенттерін ескеріп, барлық реакцияға қатысты болады.

Термодинамикалық  функцияның стандарттық күйі, мысалы, энтальпияның мәні төменгі жоғарғы индекстерде көрсетіледі: немесе төменгі индекс берілмейді: . Стандарттық жағдайда- Р= 101,325 кПа және Т= 298 К

Түзілудің стандарттық  энтальпиясы  бұл тұрақты стандарттық жағдайда берілген жай заттардан бір моль заттың түзілу реакциясының жылу эффектісі /2/. Жай заттардың түзілу энтальпиясы нөлге тең.

Стандарттық жану энтальпиясы  - бір моль заттың жоғарғы оксид түзгенше жану реакциясының жылу эффектісі. Органикалық заттар үшін СО_2(Г) және Н₂О_(С) түзілгенше. Жанбайтын заттар үшін жану жылуы нөлге тең. Отынның жану жылуы оның жылу беру қабілетін сипаттайды

Реакцияның  стандарттық энтальпиясы – ΔΗ^° – бұл стандарттық жағдайда реакция теңдеуінде берілген реагенттердің белгілі моль сандары қатысқан реакцияның жылу эффектісі. Мысалы, реакция үшін

3H₂O_(с) + 2Fe_(қ) → Fe₂O_3(қ) + 3H_{2( г)} , ΔH⁰ = 34 кДж

ΔH⁰  түгел реакцияға берілген.

, және Е_б мәндерін пайдаланып, әртүрлі химиялық процестер мен фазалық айналымдардың энтальпиясын есептеп табуға болады.бұндай есептеулердің негізінде петербургтық профессор Г.И. Гесстің (1841 ж) заңы жатыр: «Процестің жылу эффектісі (энтальпия) тек бастапқы мен соңғы күйден екіншісіне өту жолынан тәуелсіз».

Гесс заңын  анализдей отырып, келесі салдарды тұжырымдауға болады:

1. Реакция  энтальпиясы стехиометриялық коэффициенттерді ескеріп реакцияның соңғы және бастапқы қатысушыларының түзілу энтальпиялары қосындыларының айырмасына тең.

ΔH = ΣΔH_{түз.соңғы}– ΣΔH_{түз. баст}

2. Реакция энтальпиясы, стехиометриялық коэффициенттерді ескеріп, бастапқы реагенттер мен соңғы реагенттер жану энтальпиялары қосындыларының айырмасына тең.

ΔH = ΣΔH_{жан.баст}– ΣΔH_{жан.соңғы}

ΔH_түз = –ΔH_айр

2.2 Көміртектің  құрамын зерттеу әдісі

Көміртектің құрамын  зерттеу әдісінің негізгі мәні оттекің  қоспаларынан тазартылған карбонилденген үлгіні жағу арқылы алынған заттың массасына негізделген.       

Жағуға  арналған құрылғы

Зерттеу үлгісіндегі көміртектің құрамын  зерттеу оттек қоспаларынан тазартылған үлгіні тоқтың қатысында жағуға

негізделген. Өрттеу үшін қыздыруды реттегіші бар көлденең трубкалы пеш қолданды.  Үлгінің жануы нәтижесінде түзілген көмірқышқыл газы, оттектің ағынымен жылжып барий гидроксиді бар ыдысқа жіберіледі.

Реакция нәтижесінде : 

Барий карбонаты  фильтрленіп, кептіріліп, аналитикалық таразыда өлшеніп отырды.

Көміртектің пайыздық мөлшері төмендегі формуламен есептелінді:

Бұнда:

ω_с (%) - % - бен өлшенген көміртектің мөлшері;

А_г (С) – көміртектің атомдық салмағы , г/моль;

m (ВаСО₃) – реакция нәтижесінде түзілген барий карбонатының массасы;

 

 

 

2.3 Эксперимент бойынша алынған мәліметтер және оларды өңдеу

Қидың өнімділігін биогазды алушы негізгі өнім ретінде келесі схемаға сәйкес жүргіздік:

1. Үлкен қара малдың салмағы 1 кг қиын өлшеп алып, биореакторға (ферментаторға) орналастырып, оған жағдайлар туғыздық (температура, уақыт және ылғалдылық).

2. Алынатын газды (құрамында негізінен метан бар биогаз бар деп ойлаймыз) күйдіріп, және газ түтігі арқылы барий суын өткіземіз.

3. Ақ тұнбаның түзілгенін көреміз. (ВаСО₃)

4. Түзілген тұнбаны фильтірлеп, бөлме температурасында қалыпты салмаққа дейін кептіреміз.

5. Барий карбонатының массасы арқылы жанама жолмен метанның, яғни биогаздың  бар жоқтығын анықтаймыз.

 

Ыдыстың массасы	Тұнбаның массасы  ВаСО3	Ыдыстың массасы +   + тұнбаның массасы
625г	534,85г	1154,85г

 

ЕСЕПТЕУЛЕР ЖҮРГІЗЕМІЗ:

       ВаСО₃  -------- СО₂

197 г   ---------   22,4л

534,85г----------- Х,

осыдан Х = V (CO₂) (қ.ж) = 60,8л

СН₄  +  2О₂  → СО₂ + 2Н₂О

60,8л                 60,8л

1кг шикізатта  60,8л (қ.ж)  метан түзіледі.

Қалыпты жағдайдағы көлемді, стандартты жағдайға айналдырамыз:

V = V₀ ( 1 + t/273)

V = 61 (1 + 298/273) =  127.6л 

Яғни 1 кг шикізаттан 127,6л метан алынады. 

 

2.4 Тәжірибелік ұсыныстар.

Айтып өткеніміздей, ферментация үрдісінің дамуына  айтарлықтай маңызды ролді температура  атқарады: шикізатты 15º - тан 20º - қа қыздыру  энергия тасымалдағыштың өнімділігін  екі есе арттырады. Сондықтан, генераторлардың жартысы шикізатты қыздыратын арнайы жүйеден құралады, бірақ көптеген құрылғылар олармен қамтамасыз етілмеген; олар органикалық заттардың ыдырауы нәтижесінде пайда болған жылуды қолданады. Ферментатордың қалыпты жұмыс істеуінің маңызды жағдайларының бірі берік жылу оқшаулағыштың бар болуы.  Сондықтан ферментатор бункерін толтыру және тазалауда жылудың жоғалуын минимумге  теңестіруіміз қажет.

Сонымен қатар, биохимиялық теңдікті қамтамасыз етуді де ұмытпаған жөн. Кейде қышқылдарды бактериялармен өндіру қарқыны, олардың екінші тобының бактерияларға жем болуына қарағанда әлдеқайда жоғары. Бұл жағдайда масса қышқылдығы артады, ал биогаздың айлығы төмендейді. Бұл жағдайды күнделікті шикізат мөлшерін азайту арқылы, не болмаса оның ерігіштігін жоғарылататын (шамасынша ,ыстық сумен), не болмаса ақыры  бейтараптандыратын зат қосу - әк сүті, ұнтақ арқылы өзгертуге болады.

Биогаз өндірісі көміртегі мен азот арасындағы қатынастың бұзылуы арқылы азаюы мүмкін. Бұл  жағдайда ферментаторға азоты бар  заттарды, - зәр немесе  химиялық тыңайтқыш ретінде қолданылатын  аз мөлшерде аммоний тұзы қосылады (1м³ шикізатқа 50-100 г).

Жоғары ылғалдылық пен күкірттісутектің болуы (биогазда 0,5 %- ға дейін жетуі мүмкін) құрылымның металдық бөлігінің тот басуының жоғарылауын ынталандырады. Сондықтан, ферментатордың қалған басқа да элементтерінің жағдайын жүйелі бақылап және  зақымдалған орындарын бір немесе екі қабат қорғасын суригімен, кейін екі қабат кез келген майлы сырмен мұқият қорғау қажет.

Қоңырау қондырғының  жоғарғы жағында орналасқан шығарушы патрубкадан биогазды тасымалдау үшін тұтынушыға дейін қолданылатын түтікше ретінде (металл және пластмасса) сонымен бірге, резиналық шлангілер де қолданылады. Қыста конденсирленген су қатып, жарылу болмас үшін оларды терең траншеяға енгізу керек.  Егер шланг көмегімен биогазды тасымалдау ауада жүретін болса, арнайы құрылғы қажет болады. Мұндай қондырғының ең жеңіл схемасы U- тәріздес түтік (сурет 4)

Түтіктің еркін  тамшысының ұзындығы (х) биогаз қысымынан  жоғары болуы шарт. Өткізгіш түтікшеден конденсат түтікшеге аққан сайын, су газдың шығынынсыз төгіледі.