THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER WITH A DISK INJECTOR
Diesel biofuel is mainly received in the process of transesterification, due to the interaction of vegetal oil and methyl spirit under catalysts presence. Methyl spirit, catalyst and oil create a multiphase medium in which the reaction process is going slower. To speed up the transesterification rea...
Saved in:
| Date: | 2018 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2018
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/151 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103174543147008 |
|---|---|
| author | Yarosh, Y. Kukharets, S. Tsyvenkova, N. |
| author_facet | Yarosh, Y. Kukharets, S. Tsyvenkova, N. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Y. Yarosh",
"institution": "Zhytomyr National Agroecological University"
},
{
"author": "S. Kukharets",
"institution": "Zhytomyr National Agroecological University"
},
{
"author": "N. Tsyvenkova",
"institution": "Zhytomyr National Agroecological University"
}
] |
| author_sort | Yarosh, Y. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:11Z |
| description | Diesel biofuel is mainly received in the process of transesterification, due to the interaction of vegetal oil and methyl spirit under catalysts presence. Methyl spirit, catalyst and oil create a multiphase medium in which the reaction process is going slower. To speed up the transesterification reaction it is necessary to create the emulsion with an increased area of reagents contact, which can be done by means of constant mixing. An efficient mixing determines the completeness of the process of transesterification and effects both qualitative and quantitative indexes of diesel biofuel output.
To achieve the above mentioned it was proposed an improved mathematical model for emulsion mixing process in reactor-mixer with disk injector and main parameters for reactor-mixer and disk injector were received. This disk injector can be used for removing the received diesel biofuel from a reactor-mixer after the technological operations of transesterification and sedimentation. A disk injector enables to pump the received biofuel beginning from the upper part of a reactor-mixer that prevents glycerine from getting into the biofuel. The application of disk injectors in mixers makes it possible to produce diesel biofuel on a simplified technology as well as to remove it fully from the mixer under the conditions of farming. In a process of a four-time emulsion pumping on a closed circuit and after a proper sedimentation we received diesel biofuel with a coefficient of kinematic viscosity 4.25 mm2 /sec and a flash temperature 125 °C. A lower calorific value of a received diesel biofuel was 36.96 MJ /kg. The output of diesel biofuel was 85.6 % from a utilized rape oil. |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 78
UDC 620.92
THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER
WITH A DISK INJECTOR
Y. Yarosh, candidate of technical sciences, S. Kukharets, doctor of technical sciences, N. Tsyvenkova, candidate of technical sciences.
Zhytomyr National Agroecological University
10008, 7 Staryi Boulevard, Zhytomyr, Ukraine.
To improve efficiency of mixing and energy consumption of biodiesel production it is suggested to use a reactor-mixer equipped with
a disk injector. It creates circulation mixing by multiple liquid pumping through the closed loop. A disk injector is adjusted in the
upper part of a mixer with a possibility of movement along an axis of a reactor-mixer. A disk injector makes it possible to mix the
emulsion components within the layer on fixed height. It helps to reduce energy consumption for mixing. Turbulence, created when
emulsion moves through a disk injector, provides necessary efficiency of mixing. References 10, tables 2, figures 6.
Keywords: diesel biofuel, transesterification, hydraulic pump, Reinold’s number, hydraulic mixing, energy efficiency.
ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ РЕАКТОРА-ЗМІШУВАЧА
ІЗ ДИСКОВОЮ ФОРСУНКОЮ
Я.Д. Ярош, кандидат технічних наук, С.М. Кухарець, доктор технічних наук, Н.М. Цивенкова, кандидат технічних наук.
Житомирський національний агроекологічний університет
10008 м. Житомир, Старий бульвар, 7.
Для підвищення ефективності перемішування та споживання енергії при отриманні дизельного біопалива пропонується
використовувати реактор-змішувач, обладнаний дисковою форсункою. Реактор-змішувач забезпечує циркуляційне пе-
ремішування, що здійснюється багатократним перекачуванням рідини по замкненому контуру. Дискову форсунку встанов-
лено у верхній частині змішувача із можливістю її руху вздовж осі реактора-змішувача. Вона дозволяє виконувати змішу-
вання компонентів емульсії у прошарку фіксованої висоти. Це дозволяє зменшити витрату енергії на перемішування. Тур-
булентність, створювана під час проходження емульсії крізь дискову форсунку, забезпечує необхідну ефективність змішу-
вання емульсії. Бібл. 10, табл. 2, рис. 6.
Ключові слова: дизельне біопаливо, переестерифікація, гідронасос, число Рейнольдса, гідравлічне перемішування, енерге-
тична ефективність.
Я.Д. Ярош
Ya. Yarosh
Information about the author: dean of Engi-
neering and Energetic Faculty of Zhytomyr
National Agroecological University, Ph.D, As-
sis. Prof of Processes, Machinery and Equip-
ment in Agroengineering Department.
Research area: bioenergy systems of agrarian
production, technological means of forming
ecologically safe projects in the sphere of agro-
food industry.
Publications: 66 including 52 scientific articles
(39 scientific papers, which are published in
Ukrainian peer-reviewed journals, and 9 – in
international, 4 patents) and 14 educational and
methodical materials.
ORCID: 0000-0001-6590-7058
Contacts: phone /fax +38 (067) 796-24-49
e-mail: yaroslav.yarosh76@gmail.com
Відомості про автора: декан факультету
інженерії та енергетики Житомирського
національного агроекологічного
університету, к.т.н., доцент кафедри
процесів, машин і обладнання в
агроінженерії.
Наукова діяльність: біоенергетичні системи
аграрного виробництва, технологічні засоби
формування екологобезпечних проектів у
агрохарчовій галузі.
Публікації: 66, з них 52 наукові (у тому чис-
лі 39 наукових праць, опублікованих у віт-
чизняних і 9 у міжнародних рецензованих
фахових виданнях, 4 патенти на винахід) та
14 навчально-методичного характеру.
ORCID: 0000-0001-6590-7058
Контакти: тел. /факс +38 (067) 796-24-49 e-
mail: yaroslav.yarosh76@gmail.com
© Yarosh Y., Kukharets S., Tsyvenkova N., 2018
mailto:yaroslav.yarosh76@gmail.com
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 79
М.С. Кухарець
S. Kukharets
Information about the author: head of the
Mechanics and Agroecosystems Engineering
Department (Engineering and Energetic Facul-
ty) of Zhytomyr National Agroecological Uni-
versity, D.Sc, Prof. of the Mechanics and
Agroecosystems Engineering Department.
Research area: technical biotechnology, tech-
nical support of agroecosystems.
Publications: 149, including 122 scientific arti-
cles (58 scientific papers, which are published in
Ukrainian peer-reviewed journals, and 12 – in
international, 4 monographs, 14 patents) and 27
educational and methodical materials.
ORCID: 0000-0002-5129-8746
Contacts: phone /fax +38 (067) 665-35-48
e-mail: saveliy_76@ukr.net
Відомості про автора: завідуючий
кафедрою механіки та інженерії
агроекосистем Житомирського
національного агроекологічного
університету, д.т.н.
Наукова діяльність: технічна біоенергети-
ка, технічне забезпечення агроекосистем.
Публікації: 149, з них 122 наукові (у тому
числі 58 наукових праць, опублікованих у
вітчизняних і 12 у міжнародних рецензова-
них фахових виданнях, 4 наукові монографії,
14 патентів на винахід) та 27 навчально-
методичного характеру (з них 1 підручник, 2
навчальні посібники).
ORCID: 0000-0002-5129-8746
Контакти: тел. /факс +38 (067) 665-35-48 e-
mail: saveliy_76@ukr.net
Н.М. Цивенкова
N. Tsyvenkova
Information about the author: deputy dean in
science of Engineering and Energetic Faculty of
Zhytomyr National Agroecological University,
Ph.D, Assis. Prof. of the Mechanics and Agroe-
cosystems Engineering Department.
Research area: energy saving, alternative ener-
gy, bionergetic systems and complex.
Publications: 78 including 62 scientific articles
(52 scientific papers, which are published in
Ukrainian peer-reviewed journals, and 8 – in
international, 2 patents) and 16 educational and
methodical materials.
ORCID: 0000-0003-1703-4306
Contacts: phone /fax +38 (050) 313-89-03
e-mail: nataliyatsyvenkova@gmail.com
Відомості про автора: заступник декана з
наукової роботи факультету інженерії та
енергетики Житомирського національного
агроекологічного університету, к.т.н., доцент
кафедри механіки та інженерії
агроекосистем.
Наукова діяльність: енергозбереження,
альтернативна енергетика, біоенергетичні
системи і комплекси.
Публікації: 78, з них 62 наукові (у тому чис-
лі 52 наукові праці, опубліковані у вітчизня-
них і 8 у міжнародних рецензованих фахових
виданнях, 2 патенти на винахід) та
16 навчально-методичного характеру.
ORCID: 0000-0003-1703-4306
Контакти: тел. /факс +38 (0500 313-89-03
e-mail: nataliyatsyvenkova@gmail.com
List of symbols and abbreviations:
θ – the expansion angle for a symmetric stream, radian;
QV – the hydraulic pump productivity, m3/s;
Q0, QF, QX – the emulsion consumption in proper injector splits, m3/s;
VV, VO, VF – the motion speed of emulsion in injector splits, m/s;
d – a split between the injector disks (the thickness of an injector
nozzle), m;
h0 – an initial thickness of a disk injector, m;
hX – the stream thickness in active cross sectional view, m;
LX – the length of an active part of a stream, m;
DF – a diameter of a disk injector, m;
D0 – a diameter of a disk injector near the entry pipeline, m;
dV – the diameter of an inlet part of a disk injector, m;
AF – an area of a cross section view of an injector on perime-
ter (at outlet), m2;
A0 – an area of a cross section view of an injector near the
entry pipeline, m2;
AV – an area of a cross section view of an intake pipeline, m2;
Rg – a hydraulic radius of a stream in active cross section, m;
Re – Reynolds’ number;
v – a viscosity-density ratio, m2/s;
– a dynamic emulsion viscosity, Pa·s;
ρ – an emulsion density, kg/m3;
nD – the frequency of pump rotation, per/min;
hF – the depth of dipping, m;
X – the speed in active cross section view of a stream, m/s.
mailto:saveliy_76@ukr.net
mailto:nataliyatsyvenkova@gmail.com
mailto:nataliyatsyvenkova@gmail.com
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 80
Introduction. The quality of the reaction of
transesterification processing depends on hydrody-
namic conditions [8] and requires a proper mixing
intensity [3]. The most spread reactors for perform-
ing the process of transesterification are the ones
which are equipped with mechanical mixers [9]. The
mathematical model of the technological process of
transesterification for the production of diesel biofuel
has been developed on the basis of fuzzy logic [3, 4].
The technological process of transesterification of
the vegetable oils in batch reactors has been mod-
elled [3, 4]. But in the production of diesel biofuel
there are some problems related to mixing of the
emulsion components in the process of transesterifi-
cation. They are: a significant duration of the process, a
destruction of a required surface area of the reagents
contact, a significant energy consumption [3].
It often happens that the fermentation reactors of
ordinary and of rotation [7] types are used for the
production of diesel biofuel, but they have low
productivity. Because of insufficient efficiency of
mixing, the process of transesterification is per-
formed not completely, that is why additional opera-
tions on washing [10] and cleaning [1] are used
which make the technological process of receiving
diesel biofuel under the conditions of agrarian pro-
duction more complicated.
In the research related to the application of
membrane and tube [6] mixers, on the basis of cavi-
tation it has been shown that the rate of transesterifi-
cation process increases under condition of mixing
small amounts of emulsion components. But such
technologies of diesel biofuel production are charac-
terized by high specific energy consumption.
Similar results related to the efficiency of a mix-
ing process are achieved in reactors with nozzles
application as well as with the emulsion circulation
outside the closed tube [4]. Under the condition of
hydraulic mixing the efficiency of transesterification
process is maintained when there is a turbulent re-
gime in the emulsion flow [2]. The use of machines
with a hydraulic emulsion mixing and with circula-
tion enables to run the processes of transesterifica-
tion and setting-out in one container. But in the
working process of such a reactor may form the are-
as of stagnation. The issue related to a safe removing
of diesel biofuel received in the process of reaction
has not been solved either.
A carried out analysis allows us to make a con-
clusion that an existing and a perspective equipment
for diesel biofuel production does not fully provide
the efficiency of a technological process under the
conditions of an agrarian producer. It is necessary to
conduct a theoretical substantiation as well as exper-
imental research of the parameters of the equipment
for diesel biofuel production with an application of
hydraulic mixing.
Task setting. The research goal is to increase
the level of energy efficiency of diesel biofuel pro-
duction by improving the construction of a hydraulic
reactor-mixer.
To achieve the goal it is necessary: to improve
the mathematic model of emulsion mixing in a reac-
tor-mixer with an application of a disk injector; to
determine the main parameters of a reactor-mixer
and of a disk injector; to conduct an experimental
testing of reactor-mixer’s energy efficiency.
The presenting of main material. The proce-
dure of experimental research. An experimental ma-
chine has been developed for conducting the re-
search on the energy efficiency of a reactor-mixer. It
included: a reactor-mixer for transesterification of
vegetable oil, a hydropower station (Fig. 1) and
measuring equipment. The measuring equipment
consists of: the transformer of energy frequency Hi-
tachi-3-G3JX-A4075-EF (Japan); the analyzer of the
parameters of energy consumption DMK-30 (Italy);
the tachometer UT-372 (China); the notebook Acer-
I3 (China) [4, Fig. 2].
When carrying out an experiment an emulsion
on the basis of rape oil in amount of 2000 l was
pumped by means of hydropower station to the mix-
er for transesterification. The emulsion mixing was
run under the temperature of 40 °C. The period of
mixing was from 222 to 888 s (222 s – 1 multiple
emulsion circulation, 444 s – 2 multiple, 666 s – 3
multiple and 888 s – 4 multiple).
An experiment on the plan of Boks-Benkin was
carried out in order to determine the interconnection
between the impact of a gap clearance between the
disks of a nozzle (d), the frequency of pump rotation
(nD) and the depth of dipping (hF) and the specific
power of a pump (P).
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 81
Fig. 1. The scheme of experimental circulation machine for diesel biofuel production:
1 – a circulatory reactor-mixer; 2 – a disk injector; 3 – a frame; 4 – electric generator; 5 – a joint; 6 – optical tachometer;
7 – gear-type pump; 8 – a transformer of energy frequency; 9 – an analyzer of energy consumption parameters;
10 – a source of power supply.
Рис. 1. Схема експериментальної циркуляційної установки для виробництва дизельного біопалива:
1 - циркуляційний реактор-змішувач; 2 - дисковий інжектор; 3 - рамка; 4 - електричний генератор; 5 – з'єднувач;
6 - оптичний тахометр; 7 - насос редукторного типу; 8 - трансформатор частоти енергії; 9 - аналізатор параметрів
енергоспоживання; 10 - джерело живлення.
The intervals of the factors under investigation are given in Table 1.
Table 1. The intervals of the factors under investigation
Таблиця 1. Інтервали досліджуваних факторів
Name of a factor
Levels of a factor
Variety intervals
-1 0 +1
Depth of dipping, mm 0 50 100 50
Frequency of generator rotation, per /min 96 496 896 400
Gap clearance between disks of an injector, mm 2,2 4,4 6,6 2,2
The results of theoretical research of a reactor-
mixer. Circulating mixing which is performed by
frequent liquid repumping outside the closed circuit
has been suggested for the process of transresterifi-
cation of vegetable oils. A disk injector has been
fixed in the upper part of a mixer [4, Fig. 4] that ena-
bles it to move along the axe of a reactor-mixer.
When emulsion passes through a disk injector a tur-
bulent flow is formed, it supports a proper emulsion
mixing efficiency in a layer at a fixed height. Due to
emulsion pumping from a lower part of a mixer an
emulsion layer goes down, a mixing efficiency de-
creases, an intensive transesterification reaction
starts.
An emulsion stream that flows out of a disk in-
jector (Fig. 1) gradually extends and due to viscosity
action it draws in the liquid which is around the
stream [5]. Under the continuous flow [5] the emul-
sion consumption in all injector splits as well as in
streams is similar and it equals a hydropump produc-
tivity (QV) that is QV=QO=QF=QX. To avoid addition-
al pressure losses, let’s take the motion speed of
emulsion in injector splits as constant one:
VV=VO=VF
Having written the areas of cross section views:
0 0 0
2
,
,
4.
F F
V V
A D d
A D h
A d
(1)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 82
We can determine the split between the injec-
tor’s disks at outlet:
2
0 0 .
4
V
F F
D h d
d
D D
(2)
The stream thickness in active cross section
view will be:
1
2 .
2
X Xh d L tg (3)
The speed in active cross section view of a
stream can be determined according to [5], like with
liquid flow through the vents and fixtures (injectors)
on the formula:
0 .
1 1
2
2 2
X
F X F X
Q
D L h L tg
(4)
Having taken Rg like for a quadrangular cross
section view, we can determine Re, according to
which we can determine Lx with a proper mixing
intensity (Re≥ 2320) [5]:
1 1
2
2 2
1
2 2 4
2
F X X
G
F X X
D L d L tg
R
D L d L tg
, (5)
Re 2320
1
2
2 2
V
F
X
Q
D
L tg d
, (6)
Re 2320
1
2
2 2
V
F
X
Q
D
L tg d
, (7)
Using a formula (6):
1
.
1 2320 2
2
2
V F
X
Q D
L d
tg
(8)
We can determine the value of an active length
of emulsion stream as well as the dependence be-
tween QV and LX (Fig. 2).
Fig. 2. The dependence of an active length of emulsion stream from a hydraulic pump productivity (the dynamic emulsion
viscosity is 0,02 Pa·s).
Рис. 2. Залежність активної довжини струменя емульсії від продуктивності гідронасоса (динамічна в’язкість емульсії
0,02 Па·с).
The dependence between the dynamic viscosity of emulsion η and an active length of a stream LX
(Fig. 3) has been determined as well.
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 83
Fig. 3. The dependence of an active length of emulsion stream from dynamic viscosity of emulsion (hydraulic pump produc-
tivity is 0,005 m3/s).
Рис. 3. Залежність активної довжини струменя емульсії від динамічної в’язкості емульсії (продуктивність
гідронасоса 0,005 м3/с).
Table 2. Sustainable Parameters of a Reactor-Mixer
Таблиця 2. Раціональні параметри реакторів-змішувачів
Parameter
Inner diameter of a reactor, m
0,8 1,2 1,4 2,2 3,0 3,2
Nominal volume, m3 0,4 1 2 10 50 63
Disk injector diameter, m 0,75 1,10 1,30 2,05 2,80 3,00
Thickness of an injector nozzle, mm 5 5 5 10 10 10
Height of mixing area, m [4, Fig. 2] 0,077 0,095 0,100 0,11 0,12 0,13
Height of a divider, m [4, Fig. 2] 0,95 1,10 1,60 3,00 7,65 8,45
Pump output, m3/s 0,006 0,008 0,009 0,011 0,012 0,014
Theoretical capacity of a pump, W 96 128 144 176 192 224
Period of a single-shot emulsion circulation, s 67 125 222 909 4167 4500
On the basis of compatible solving of the equa-
tions (3–8) the interdependence between the values
of a mixer parameters and a disk injector has been
determined. The main geometric size of a reactor-
mixer (Table 2) has been received. The theoretical
capacity of a hydraulic pump has been determined by
multiplying pressure in an injector and emulsion ex-
penses through the injector.
The pressure in a disk injector in all variants of
DZ equals P=16 kPa. The parameters given in Ta-
ble 2 enable us to use a geometrical form of a reac-
tor-mixer most efficiently.
The Results of the Experimental Research of a
Reactor-mixer.
2
158.1794 0.8904 – 0.0123
+5.5220 0.0025 – 0.0366
F D
D D
P h n
d n n d
(9)
The quotation analysis shows that if the gap
clearance increases, the utilized capacity decreases
due to the reduction of energy consumption by elec-
trical generator which rotates hydraulic pump shaft.
It can be explained by reducing resistance losses
when emulsion passes through the injector.
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 84
Fig. 4. The dependence of utilized capacity of a hydraulic pump from the depth of dipping as well
as from the gap clearance between the disks.
Рис. 4. Залежність споживаної потужності гідравлічного насосу
від зазору між дисками та глибини занурення.
When the injector’s depth of dipping increases
the utilized capacity of a pump increases as well
(Fig. 5). It can be explained by higher rate of energy
consumption of an electric generator which rotates
the pump shaft caused by the increase of a hydrostat-
ic pressure.
It is also determined (Table 3) that when the
frequency of a shaft rotation of a pump increases,
the utilized capacity increases as well. It can be
explained by an increase in energy consumption of
a generator owing to the increase of pump’s
productivity.
Fig. 5. The dependence of utilized capacity of a hydraulic pump from the depth of dipping
as well as from the gap clearance between the disks.
Рис. 5. Залежність споживаної потужності гідравлічного насосу
від глибини занурення та зазору між дисками.
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 85
Fig. 6. The dependence of utilized capacity of a hydraulic pump from the rotation frequency of its shaft
as well as from the gap clearance between the disks.
Рис. 6. Залежність споживаної потужності гідронасоса
від частоти обертання його валу та зазору між дисками.
Minimal utilized capacity (230 W) is achieved
when the gap setting between the disks of an injector
equals 6.6 mm, the frequency of a pump rotation
equals 96 turns per min and when there is zero depth
of dipping. When the frequency of pump rotation
increases up to 896 turns per min, the gap clearance
between the disks reduces up to 2.2 mm and the dip-
ping depth is maximal, the utilized capacity is max-
imal and it equals 2159 Wt. Under practical (Table 1)
gap clearance indexes of 5 mm between the disks of
an injector, and a maximal depth of dipping 50 mm,
(which equals half of the thickness of emulsion
stream near the walls of a reactor-mixer) as well as
under the nominal frequency of 200 turns /min of a
hydraulic pump shaft (PG-100, Ukraine), the utilized
capacity will equal 292 W. The experimentally de-
termined utilized capacity (292 W) is higher than
theoretical capacity (144 W) due to additional capac-
ity expenses on emulsion circulation. The specific
capacity on emulsion mixing and circulating for a
reactor-mixer 2 m3 in volume will equal 146 W /m3.
Conclusions. 1. On the basis of the equation of
flow continuity and taking Reynolds’ number into
consideration, an active length of emulsion stream
(with a proper mixing intensity) as well as the main
geometric parameters of a reactor-mixer for the pro-
duction of diesel biofuel have been determined.
2. The main parameters of a reactor-mixer
have been determined as standard ones for the units
of equipment with a cone bottom in chemical indus-
try. For the agrarian production the more suitable is a
reactor-mixer 2 m3 in volume, with a disk injector
1.10 m in diameter, with injector nozzle 5 mm thick,
internal diameter 1.4 m and 1.6 m high.
3. Under practical indexes of a 5 mm gap
clearance between the disks of an injector, nominal
200 turns per min. frequency of a pump rotation,
50 mm depth of a disk injector dipping which equals
half of emulsion stream thickness near the reactor-
mixer walls, the utilized capacity will be 292 W.
Specific capacity on emulsion mixing and circulating
for the reactor-mixer 2 m3 in volume will be
146 W /m3.
1. Alamsyah R., Loebis H. (2014). Design and Technical
Testing for Crude Biodiesel Reactor Using Dry Methods: Compari-
son of Energy Analysis. Energy Procedia, 47, 235–241 [in Eng.].
2. Bargole S., Carpenter J., George S., Saharan V.K. (2017).
Process intensification of synthesis of biodiesel using a novel recircu-
lating flow ultrasonication reactor. Chemical Engineering and Pro-
cessing: Process Intensification, Vol. 122, 21–30 [in Eng.].
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 86
3. Golub G., Kuharets S., Osyipchuk O., Kuharets V.
(2015). Analiz protsessa polucheniya biodizelnogo goryuchego i
obosnovanie osnovnyih parametrov reaktora-razdelitelya [The
analysis of biodiesel fuel producing and justification of the reactor-
separator’s basic parameters]. Motrol, Commission of Motoriza-
tion and Energetics In Agriculture, 17(9), 149–155 [in Ukr.].
4. Golub G., Kukharets S., Chuba V. (2017). Rationale
for the parameters of equipment for production and use of bio-
diesel in agricultural production. Eastern-European Journal of
Enterprise Technologies, 2/1 (86), 28–33 [in Eng.].
5. Kundu P.K., Cohen I.M., Dowling D.R., (2016). Flu-
id Mechanics. Academic Press. Boston : USA [in Eng.].
6. Noriega M.A., Narváez P.C., Cadavid J.G.,
Habert A.C., (2017). Modeling of biodiesel production in liquid-
liquid film reactors including mass transfer effects. Fuel Pro-
cessing Technology, Vol. 167, 524–534 [in Eng.].
7. Poppea J., Fernandez-Lafuente R., Rodriguesa R.,
Ayuba M. (2015). Enzymatic reactors for biodiesel synthesis:
Present status and future prospects. Biotechnology Advances,
33(5), 511–525 [in Eng.].
8. Rahmat B., Setiasih I., Kastaman R. (2013). Biodiesel
Reactor Design with Glycerol Separation to Increase Biodiesel
Production Yield. Makara Journal of Technology, 17(1), 11–16
[in Eng.].
9. Somnuk K., Prasit T., Prateepchaikul G. (2017). Ef-
fects of mixing technologies on continuous methyl ester produc-
tion: Comparison of using plug flow, static mixer, and ultra-
sound clamp. Energy Conversion and Management, Vol. 140,
91–97 [in Eng.].
10. Xua J., Liua C., Wanga M., Shaob L., Denga L.,
Niea K., Wanga F. (2017). Rotating packed bed reactor for en-
zymatic synthesis of biodiesel. Bioresource Technology, 224,
292–297 [in Eng.].
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕАКТОРА-
СМЕСИТЕЛЯ С ДИСКОВОЙ ФОРСУНКОЙ
Я.Д. Ярош, кандидат технических наук, С.Н. Кухарец,
Н.М. Цывенкова.
Житомирский национальный агроэкологический университет
10008 г. Житомир, Старый бульвар, 7.
Для повышения эффективности перемешивания и потреб-
ления энергии при получении дизельного биотоплива предла-
гается использовать реактор-смеситель, оборудованный
дисковой форсункой. Реактор-смеситель обеспечивает
циркуляционное перемешивание, осуществляемое много-
кратным перекачиванием жидкости по замкнутому конту-
ру. Дисковую форсунку установлено в верхней части смеси-
теля с возможностью ее движения вдоль оси реактора-
смесителя. Она позволяет выполнять смешивания компо-
нентов эмульсии в прослойке фиксированной высоты. Это
позволяет уменьшить расход энергии на перемешивание.
Турбулентность, создаваемая при прохождении эмульсии
через дисковую форсунку, обеспечивает необходимую эф-
фективность смешивания эмульсии. Библ. 10, табл. 2, рис. 6.
Ключевые слова: дизельное биотопливо, переэстерифика-
ция, гидронасос, число Рейнольдса, гидравлическое пере-
мешивание, энергетическая эффективность.
REFERENCES
1. Alamsyah R. Design and Technical Testing for Crude
Biodiesel Reactor Using Dry Methods: Comparison of Energy
Analysis / R. Alamsyah, H. Loebis // Energy Procedia. – 2014. –
№47. – P. 235–241.
2. Bargole S. Process intensification of synthesis of bio-
diesel using a novel recirculating flow ultrasonication reactor
/ S. Bargole, J. Carpenter, S. George, V.K. Saharan // Chemical
Engineering and Processing: Process Intensification. – 2017. –
Vol. 122. – P. 21–30.
3. Анализ процесса получения биодизельного горю-
чего и обоснование основных параметров реактора-
разделителя / Г. Голуб, С. Кухарец, О. Осыпчук, В. Кухарец
// Motrol. Commission of motorization and energetics in agricul-
ture. – 2015. – Т. 17, №9. – С. 149–155.
4. Rationale for the parameters of equipment for produc-
tion and use of biodiesel in agricultural production / G. Golub,
S. Kukharets, V. Chuba [and other] // Eastern-European journal
of enterprise technologies. – 2017. – Vol. 2, №1 (86). – P. 28–
33.
5. Kundu P.K. Fluid Mechanics / P.K. Kundu,
I.M. Cohen, D.R. Dowling. – Boston, USA : Academic Press,
2016. – 766 p.
6. Modeling of biodiesel production in liquid-liquid film
reactors including mass transfer effects / M.A. Noriega,
P.C. Narváez, J.G. Cadavid [and other] // Fuel Processing Tech-
nology. – 2017. – Vol. 167. – P. 524–534.
7. Enzymatic reactors for biodiesel synthesis: Present
status and future prospects / J. Poppea, R. Fernandez-Lafuente,
R. Rodriguesa [and other] // Biotechnology Advances. – 2015. –
№33 (5). – P. 511–525.
8. Rahmat B. Biodiesel Reactor Design with Glycerol
Separation to Increase Biodiesel Production Yield / B. Rahmat,
I. Setiasih, R. Kastaman // Makara Journal of Technology. –
2013. – №17 (1). – P. 11–16.
9. Somnuk K. Effects of mixing technologies on contin-
uous methyl ester production: Comparison of using plug flow,
static mixer, and ultrasound clamp / K. Somnuk, T. Prasit,
G. Prateepchaikul // Energy Conversion and Management. –
2017. – №140. – P. 91–97.
10. Xua J. Rotating packed bed reactor for enzymatic
synthesis of biodiesel / J. Xua, C. Liua, M. Wanga [and other]
// Bioresource Technology. – 2017. – №224. – P. 292–297.
SYNOPSES
Diesel biofuel is mainly received in the process of trans-
esterification, due to the interaction of vegetal oil and methyl
spirit under catalysts presence. Methyl spirit, catalyst and oil
create a multiphase medium in which the reaction process is
going slower. To speed up the transesterification reaction it is
necessary to create the emulsion with an increased area of rea-
gents contact, which can be done by means of constant mixing.
An efficient mixing determines the completeness of the process
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 87
of transesterification and effects both qualitative and quantitative
indexes of diesel biofuel output.
To achieve the above mentioned it was proposed an im-
proved mathematical model for emulsion mixing process in reac-
tor-mixer with disk injector and main parameters for reactor-
mixer and disk injector were received. This disk injector can be
used for removing the received diesel biofuel from a reactor-
mixer after the technological operations of transesterification and
sedimentation. A disk injector enables to pump the received
biofuel beginning from the upper part of a reactor-mixer that
prevents glycerine from getting into the biofuel. The application
of disk injectors in mixers makes it possible to produce diesel
biofuel on a simplified technology as well as to remove it fully
from the mixer under the conditions of farming. In a process of a
four-time emulsion pumping on a closed circuit and after a prop-
er sedimentation we received diesel biofuel with a coefficient of
kinematic viscosity 4.25 mm2 /sec and a flash temperature
125 °C. A lower calorific value of a received diesel biofuel was
36.96 MJ /kg. The output of diesel biofuel was 85.6 % from a
utilized rape oil.
РЕФЕРАТ
Дизельне біопаливо, в основному, отримують в процесі
переестерифікації, завдяки взаємодії рослинної олії та мети-
лового спирту у присутності каталізаторів. Метиловий
спирт, каталізатор та олія утворюють багатофазне середо-
вище, в якому проходження реакції сповільнене. Для при-
швидшення проходження реакції переестерифікації необ-
хідне утворення емульсії зі збільшеною площею контакту
реагентів, що досягається за рахунок постійного перемішу-
вання. Ефективне перемішування визначає повноту проход-
ження процесу переестерифікації і впливає на кількісні та
якісні показники виходу дизельного біопалива.
Для досягнення вище зазначеного представлено вдос-
коналену математичну модель перемішування емульсії у
реакторі-змішувачі із використанням дискової форсунки та
встановлено основні параметри реактора-змішувача та дис-
кової форсунки.
Пропоновану дискову форсунку можна використовува-
ти для видалення отриманого дизельного біопалива із реак-
тора-змішувача після технологічних операцій переесте-
рифікації та відстоювання. Дискова форсунка дозволяє
відкачувати отримане біопаливо починаючи із верхньої ча-
стини реактора-змішувача, що унеможливлює потрапляння
гліцерину в дизельне біопаливо. Застосування дискових
форсунок у змішувачах дозволяє виробляти дизельне біопа-
ливо за спрощеною технологією та повністю видаляти його
зі змішувача в умовах сільського господарства. В процесі
чотирикратного перекачування емульсії по замкнутому кон-
туру та після відповідного відстоювання нами було отрима-
но дизельне біопаливо із кінематичною в’язкістю 4,25 мм2 /с
та температурою спалаху 125 °С. Нижча теплота згорання
отриманого дизельного біопалива знаходилася на рівні
36,96 МДж /кг. А вихід дизельного біопалива становив
85,6 % від використаної ріпакової олії.
Стаття надійшла до редакції 16.02.18
Остаточна версія 11.06.18
|
| id | veorgua-article-151 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-19T01:04:00Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/f2/d088c3634c43427af7d9b6977af5e6f2.pdf |
| spelling | veorgua-article-1512026-07-18T06:32:11Z THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER WITH A DISK INJECTOR ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕАКТОРА-СМЕСИТЕЛЯ С ДИСКОВОЙ ФОРСУНКОЙ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ РЕАКТОРА-ЗМІШУВАЧА ІЗ ДИСКОВОЮ ФОРСУНКОЮ Yarosh, Y. Kukharets, S. Tsyvenkova, N. diesel biofuel transesterification hydraulic pump Reinold’s number hydraulic mixing energy efficiency дизельне біопаливо переестерифікація гідронасос число Рейнольдса гідравлічне перемішування енергетична ефективність дизельное биотопливо переэстерификация гидронасос число Рейнольдса гидравлическое перемешивание энергетическая эффективность Diesel biofuel is mainly received in the process of transesterification, due to the interaction of vegetal oil and methyl spirit under catalysts presence. Methyl spirit, catalyst and oil create a multiphase medium in which the reaction process is going slower. To speed up the transesterification reaction it is necessary to create the emulsion with an increased area of reagents contact, which can be done by means of constant mixing. An efficient mixing determines the completeness of the process of transesterification and effects both qualitative and quantitative indexes of diesel biofuel output. To achieve the above mentioned it was proposed an improved mathematical model for emulsion mixing process in reactor-mixer with disk injector and main parameters for reactor-mixer and disk injector were received. This disk injector can be used for removing the received diesel biofuel from a reactor-mixer after the technological operations of transesterification and sedimentation. A disk injector enables to pump the received biofuel beginning from the upper part of a reactor-mixer that prevents glycerine from getting into the biofuel. The application of disk injectors in mixers makes it possible to produce diesel biofuel on a simplified technology as well as to remove it fully from the mixer under the conditions of farming. In a process of a four-time emulsion pumping on a closed circuit and after a proper sedimentation we received diesel biofuel with a coefficient of kinematic viscosity 4.25 mm2 /sec and a flash temperature 125 °C. A lower calorific value of a received diesel biofuel was 36.96 MJ /kg. The output of diesel biofuel was 85.6 % from a utilized rape oil. Для повышения эффективности перемешивания и потребления энергии при получении дизельного биотоплива предлагается использовать реактор-смеситель, оборудованный дисковой форсункой. Реактор-смеситель обеспечивает циркуляционное перемешивание, осуществляемое многократным перекачиванием жидкости по замкнутому контуру. Дисковую форсунку установлено в верхней части смесителя с возможностью ее движения вдоль оси реактора-смесителя. Она позволяет выполнять смешивания компонентов эмульсии в прослойке фиксированной высоты. Это позволяет уменьшить расход энергии на перемешивание. Турбулентность, создаваемая при прохождении эмульсии через дисковую форсунку, обеспечивает необходимую эффективность смешивания эмульсии. Библ. 10, табл. 2, рис. 6. Дизельне біопаливо, в основному, отримують в процесі переестерифікації, завдяки взаємодії рослинної олії та метилового спирту у присутності каталізаторів. Метиловий спирт, каталізатор та олія утворюють багатофазне середовище, в якому проходження реакції сповільнене. Для пришвидшення проходження реакції переестерифікації необхідне утворення емульсії зі збільшеною площею контакту реагентів, що досягається за рахунок постійного перемішування. Ефективне перемішування визначає повноту проходження процесу переестерифікації і впливає на кількісні та якісні показники виходу дизельного біопалива. Для досягнення вище зазначеного представлено вдосконалену математичну модель перемішування емульсії у реакторі-змішувачі із використанням дискової форсунки та встановлено основні параметри реактора-змішувача та дискової форсунки. Пропоновану дискову форсунку можна використовувати для видалення отриманого дизельного біопалива із реактора-змішувача після технологічних операцій переестерифікації та відстоювання. Дискова форсунка дозволяє відкачувати отримане біопаливо починаючи із верхньої частини реактора-змішувача, що унеможливлює потрапляння гліцерину в дизельне біопаливо. Застосування дискових форсунок у змішувачах дозволяє виробляти дизельне біопаливо за спрощеною технологією та повністю видаляти його зі змішувача в умовах сільського господарства. В процесі чотирикратного перекачування емульсії по замкнутому контуру та після відповідного відстоювання нами було отримано дизельне біопаливо із кінематичною в’язкістю 4,25 мм2 /с та температурою спалаху 125 °С. Нижча теплота згорання отриманого дизельного біопалива знаходилася на рівні 36,96 МДж /кг. А вихід дизельного біопалива становив 85,6 % від використаної ріпакової олії. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2018-06-18 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/151 Vidnovluvana energetika ; No. 2 (53) (2018): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 78-87 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2 (53) (2018): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 78-87 Відновлювана енергетика; № 2 (53) (2018): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 78-87 2664-8172 1819-8058 en https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/151/103 Copyright (c) 2018 Y. Yarosh, S. Kukharets, N. Tsyvenkova https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | diesel biofuel transesterification hydraulic pump Reinold’s number hydraulic mixing energy efficiency Yarosh, Y. Kukharets, S. Tsyvenkova, N. THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER WITH A DISK INJECTOR |
| title | THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER WITH A DISK INJECTOR |
| title_alt | ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕАКТОРА-СМЕСИТЕЛЯ С ДИСКОВОЙ ФОРСУНКОЙ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ РЕАКТОРА-ЗМІШУВАЧА ІЗ ДИСКОВОЮ ФОРСУНКОЮ |
| title_full | THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER WITH A DISK INJECTOR |
| title_fullStr | THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER WITH A DISK INJECTOR |
| title_full_unstemmed | THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER WITH A DISK INJECTOR |
| title_short | THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF A REACTOR-MIXER WITH A DISK INJECTOR |
| title_sort | determination of parameters of a reactor-mixer with a disk injector |
| topic | diesel biofuel transesterification hydraulic pump Reinold’s number hydraulic mixing energy efficiency |
| topic_facet | diesel biofuel transesterification hydraulic pump Reinold’s number hydraulic mixing energy efficiency дизельне біопаливо переестерифікація гідронасос число Рейнольдса гідравлічне перемішування енергетична ефективність дизельное биотопливо переэстерификация гидронасос число Рейнольдса гидравлическое перемешивание энергетическая эффективность |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/151 |
| work_keys_str_mv | AT yaroshy thedeterminationofparametersofareactormixerwithadiskinjector AT kukharetss thedeterminationofparametersofareactormixerwithadiskinjector AT tsyvenkovan thedeterminationofparametersofareactormixerwithadiskinjector AT yaroshy opredelenieparametrovreaktorasmesitelâsdiskovojforsunkoj AT kukharetss opredelenieparametrovreaktorasmesitelâsdiskovojforsunkoj AT tsyvenkovan opredelenieparametrovreaktorasmesitelâsdiskovojforsunkoj AT yaroshy viznačennâparametrívreaktorazmíšuvačaízdiskovoûforsunkoû AT kukharetss viznačennâparametrívreaktorazmíšuvačaízdiskovoûforsunkoû AT tsyvenkovan viznačennâparametrívreaktorazmíšuvačaízdiskovoûforsunkoû AT yaroshy determinationofparametersofareactormixerwithadiskinjector AT kukharetss determinationofparametersofareactormixerwithadiskinjector AT tsyvenkovan determinationofparametersofareactormixerwithadiskinjector |