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文檔簡(jiǎn)介
1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1.1學(xué)會(huì)柴油微乳體系擬三元相圖的繪制與研究方法,并根據(jù)相凰選擇合適的
柴油微乳液進(jìn)行燃燒性能測(cè)定。
1.2通過(guò)氧彈卡計(jì)進(jìn)行燃燒性能的測(cè)定,比較柴油、微乳柴油燃燒時(shí)其燃燒效
率的不同,對(duì)微乳柴油的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1.3通過(guò)對(duì)乳化柴油的燃燒熱的測(cè)定,掌握燃燒熱的定義,學(xué)會(huì)測(cè)定物質(zhì)燃燒
熱的方法,了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的差別。
1.4了解氧彈卡計(jì)的重要部件的作用,掌握氧彈卡計(jì)的量熱技術(shù);熟悉雷諾圖
解法校正溫度改變值的方法。
2、實(shí)驗(yàn)原理
2.1實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)
Schulman在1959年初次報(bào)道微乳液以來(lái),微乳的理論和應(yīng)用研究獲
得了迅速發(fā)展。1985年,Shah定義微乳液為兩種互不相溶的液體在表面活
性劑界面膜的作用下生成的熱力學(xué)穩(wěn)定、各向同性的透明的分散體系⑴。由于
微乳液能形成超低界面張力,具有高穩(wěn)定性、大增溶量、以及粒徑小等特殊性質(zhì),
已引起人們廣泛關(guān)注⑵。
燃料中摻水,能提高油料的燃燒效率,減少燃燒廢氣中有害氣體的含量
⑶。燃油摻水是一個(gè)既古老又新興的課題。早在一百數(shù)年前就有人使用摻水燃油。
由于油、水在表面活性劑作用下形成的W/0或0/W乳液在加熱燃燒時(shí)水蒸氣受
熱膨脹后可以產(chǎn)生微爆,使得燃油二次霧化燃燒更加充足,提高了燃燒效率,大
大減少了廢氣中的有害氣體的含量。但是由于一般的乳狀液穩(wěn)定期間短,易分層,
使得這一技術(shù)的應(yīng)川受到了很大的限制⑷。
微乳燃料的制備比較簡(jiǎn)樸,只需要把油、水、表面活性劑、助表面活性劑按
合適的比例混合在一起就可以自發(fā)形成穩(wěn)定的微乳燃料。微乳燃油可長(zhǎng)期穩(wěn)定,
不分層,且制備簡(jiǎn)樸,并能使燃燒更完全,燃燒效率高,節(jié)油率達(dá)5%?15%,
排氣溫度下降20%~60%,煙度下降40%?77%,NOx和CO排放量減
少25覽在節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益上都有較為可觀的效果,已成為世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)
發(fā)的熱點(diǎn)。隨著近年來(lái)對(duì)兩親分子有序組合體研究的不斷進(jìn)一步,微乳液理論在
乳化燃油領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展,開(kāi)發(fā)透明、穩(wěn)定、性能與原燃油差不多的微乳
液燃料成為了研究熱點(diǎn)。
隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與人口的急劇增長(zhǎng),80%?90%的空氣污染來(lái)自交通工具
排放的尾氣,柴油不完全燃燒導(dǎo)致的環(huán)境污染越來(lái)越受到人們的關(guān)注,根治大氣
污染已成為人類(lèi)面臨的重要課題。另一方面,由于中國(guó)未來(lái)石油供需缺口將越來(lái)
越大,進(jìn)口量呈逐步增大的趨勢(shì),并且天然石油的儲(chǔ)備是有限的,人類(lèi)面臨日益嚴(yán)
峻的能源危機(jī)。因此,如何提高燃油燃燒效率和減少環(huán)境污染,研究新型節(jié)油防
污染技術(shù),涉及最為人們青睞并具有節(jié)能效率高,減少尾氣污染的燃料乳化以及
微乳化技術(shù),己成為人們十分關(guān)心的問(wèn)題。本著節(jié)能和環(huán)保兩個(gè)主線(xiàn)宗旨,各國(guó)
都在加緊對(duì)微乳燃油性能的研究。微乳柴油的性能決定著它的應(yīng)用,研究微乳柴
油的性能就顯得十分重要⑸。
2.2微乳柴油與燃燒減排機(jī)理
乳化燃油與通常的乳狀液同樣,也分為油包水型(W/o)和水包油型(0/W),
在油包水型乳化燃料油中,水是以分散相均勻地懸浮在油中,被稱(chēng)為分散相或內(nèi)
相,燃料油則包在水珠的外層,被稱(chēng)為連續(xù)相或外相。我們目前所見(jiàn)的大多數(shù)乳
化燃料油都為油包水型乳化燃料。乳化燃料燃燒是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,對(duì)其節(jié)能降污
機(jī)理較為成熟的解釋是乳化燃料中存在的“微爆”現(xiàn)象和水煤氣反映,也就是從
燃料的物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程來(lái)解釋。一些燃燒機(jī)理介紹如下:
2.2.1物理作用一“微爆現(xiàn)象”
二十世紀(jì)六十年代初,前蘇聯(lián)科學(xué)家伊萬(wàn)諾夫等人發(fā)現(xiàn)了乳化燃料的“微
爆”現(xiàn)象,從而為乳化燃料的節(jié)能、降污機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。油包水型分子基
團(tuán),油是連續(xù)相,水是分散相,由于水沸點(diǎn)(100℃)低于燃油沸點(diǎn)(130℃以上)。
在氣缸溫度急劇升高時(shí),水微粒先沸騰氣化,體積在萬(wàn)分之一秒內(nèi)瞬間增大了
1500倍左右,其氣化膨脹相稱(chēng)于一次極小的爆炸。當(dāng)油滴中的壓力超過(guò)油的表
面張力及環(huán)境壓力之和時(shí)。水蒸氣產(chǎn)生的巨大壓力將沖破油膜的束縛,無(wú)數(shù)小液
珠產(chǎn)生的阻力使油滴發(fā)生爆炸,油霧化成更細(xì)小的油滴。小油滴與空氣接觸的比
表面積成倍提高,形成二次燃燒的霧化條件,爆炸后的細(xì)小油滴更易燃燒,其燃燒
表面比純?nèi)加驮鲩L(zhǎng)了104倍左右。因此,減少了物理上的不完全燃燒和排煙損失,
提高了燃燒效率,使內(nèi)燃機(jī)達(dá)成節(jié)能的效果。微爆產(chǎn)生的為數(shù)甚多的爆炸波,沖
破了包圍火焰面的CO2,N2惰性氣體克制層,促使空氣形成強(qiáng)烈的紊流,紊流
使空氣、燃油蒸氣在燃燒室內(nèi)做更均勻的分布,同時(shí)使溫度場(chǎng)也變得更加均勻,
從而加快了燃燒速度,減少了后燃現(xiàn)象,避免了燃燒區(qū)間局部高溫而產(chǎn)生的熱解
和裂化,使燃燒完全。
2.2.2化學(xué)作用一“水煤氣反映”
在缺氧條件下,油燃燒產(chǎn)生熱裂解,形成難以燃燒的碳,使排煙冒黑煙,而在
水煤氣存在時(shí),水微粒高速汽化中所含的氧與碳粒子充足結(jié)合,并被完全燃燒而
形成二氧化碳,從而大大提高噴燃霧化效果,使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率提高,達(dá)成增強(qiáng)
發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力,節(jié)省燃料的效果。
C+H2OCO+H2
C+2H20=C02+2H2O
C0+H2O=co2+H2
H2+02=H20
上述反映過(guò)程中,提高了乳化燃料的燃燒率,減少了排煙中的煙塵含量。同
時(shí)由于乳化水的蒸發(fā)作用,均衡了燃燒時(shí)的溫度場(chǎng),從而克制了NOX的形成,達(dá)
成節(jié)能環(huán)保的目的。
2.2.3摻混效應(yīng)
微爆產(chǎn)生的爆炸波沖破了包圍在火焰周邊的CO,、岫惰性氣體層,促使空氣
形成強(qiáng)烈的紊流,紊流使空氣和柴油蒸汽在燃燒室內(nèi)做更均勻的分布,同時(shí)溫度
場(chǎng)也變得更加均勻,從而加快了燃燒速度,減少了后燃現(xiàn)象,避免了在燃燒區(qū)間
的局部高溫而產(chǎn)生的熱解和裂化,使燃燒完全。
2.2.4克制NO的生成
N0的生成重要有三個(gè)重要途徑:(1)由空氣中的N0,在高溫區(qū)反映生成的
熱反映NOx;(2)火焰面上生成的活性NOx;③燃料中氮元素生成的燃料NOx。
因此,生成的NO可分為溫度型NOx和燃料型NOx,其中以溫度型NOx為主。
NOx是柴油機(jī)的重要有害排放物。它是空氣在氣缸內(nèi)燃燒的高溫條件下氧
和氮反映而產(chǎn)生的。其中以NO為主。單缸發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乳化柴油的NOx排放比純
柴油低。這是由于乳化柴油中的水蒸汽稀釋燃?xì)馀c減少燃燒的最高溫度,從而
克制NOx的生成。柴油摻水乳化燃燒能有效地減少柴油機(jī)的排放濃度,這是極其
故意義的0。
影響NO生成的因素有:可燃混合物的組成,燃料在反映區(qū)停留時(shí)間,燃料溫
度和工作壓力等。根據(jù)J.B.Hower機(jī)理,NOx的生成速度為:
1/2
d[N0x]/dt=A-expE-Ea/RT]?[N2]?[02]
可見(jiàn)無(wú)論在內(nèi)燃機(jī)或是其它燃燒裝置上,NOx的生成量與反映溫度呈指數(shù)關(guān)
系增長(zhǎng)。假如空燃比高,燃燒強(qiáng)度大,反映溫度高,停留時(shí)間長(zhǎng),NOx則急劇增
長(zhǎng)。燃燒乳化油時(shí),由于水滴汽化、產(chǎn)生微爆均需吸熱,由此可減少氣缸工作溫
度,防止燃燒火焰局部高溫,縮短燃燒時(shí)間,并且油摻水燃燒改善了空氣和燃料
混合比例,可以用較小的過(guò)量空氣系數(shù),即[N[、[02]濃度大幅度減少,從而顯著
減少溫度型和燃料型NOx的生成,克制NOx對(duì)環(huán)境的污染。
2.3柴油微乳液的研究
對(duì)微乳柴油的研究通常涉及為微乳燃油配方選擇合適的表面活性劑和助表
面活性劑,并考察各組分對(duì)可增溶水量的影響,擬定最佳的微乳燃油配方比例。
然后針對(duì)微乳柴油體系,通過(guò)相圖、電導(dǎo)、NMR、FT-IR、分子光譜、熒光光譜、
黏度法、電子顯微鏡等方式研究微乳液的結(jié)構(gòu)。并進(jìn)行燃燒性能與尾氣排放量測(cè)
定。
2.3.1擬三元相圖的研究方法
研究平衡共存的相數(shù)及其組成和相區(qū)邊界最方便、最有效的工具就是相圖,
在等溫等壓下三組分體系的相行為可以采用平面三角形來(lái)表達(dá),稱(chēng)為三元相圖
[7IO對(duì)四組分體系,需要采用立體正四周體。而四組分以上的體系就無(wú)法全面的
表達(dá)。通常對(duì)四組分或四組分以上體系,采用變量合并法,比如固定某兩個(gè)組分的
配比,使實(shí)際獨(dú)立變量不超過(guò)三個(gè),從而仍可用三角相圖來(lái)表達(dá),這樣的相圖稱(chēng)為
擬三元相圖。
柴油微乳液研究可采用擬三元相圖的方法研究,相圖繪制簡(jiǎn)樸,根據(jù)相圖可
以初步推測(cè)體系的結(jié)構(gòu)狀態(tài),可以比較直觀地反映微乳體系相的變化,當(dāng)體系有
液晶相、凝膠相出現(xiàn)時(shí),也能對(duì)微乳液及其相邊界進(jìn)行直觀表達(dá)。
在表面活性劑和助劑含量一定情況下,將水往油中滴加,水量很少時(shí)為油包
水型的球形微乳液,繼續(xù)滴加水,水與油的比例將會(huì)變動(dòng),體系發(fā)生這樣的變化:
對(duì)稱(chēng)性水的球體一不對(duì)稱(chēng)性柱體一層狀結(jié)構(gòu)一水為外相的各種結(jié)構(gòu),最終為對(duì)稱(chēng)
性油的球體,這是體系內(nèi)部引力變動(dòng)而引起各種結(jié)構(gòu)迭變的結(jié)果,而研究此方面
最方便有效的工具就是相圖,因此,表面活性劑相圖的研究一直受到人們的關(guān)注。
也可以在水量一定的情況下,將復(fù)合表面活性劑往油中滴加,通過(guò)觀測(cè)體系相的
狀態(tài)的變化以及體系中物質(zhì)的重量比,通過(guò)擬三元相圖的繪制,研究體系中物質(zhì)
的相溶性以及形成微乳液的條件。
2.4量熱法與氧彈量熱裝置及結(jié)果表達(dá)方法
量熱法是熱化學(xué)研究的基本實(shí)驗(yàn)方法,氧彈量熱計(jì)的基本原理為能量守恒定
律。樣品完全燃燒放出的熱量促使卡計(jì)及周邊的介質(zhì)(本實(shí)驗(yàn)用水)溫度升高,測(cè)
量介質(zhì)燃燒前后體系溫度的變化值,可求算該樣品的恒容燃燒熱。柴油為石油分
譙產(chǎn)品,其中各燃分子所含碳原子數(shù)不同,通常以測(cè)定柴油燃燒過(guò)程中Qv的變
化來(lái)衡量柴油燃燒效率的大小。
在氧彈量熱計(jì)與環(huán)境沒(méi)有熱互換情況下,其關(guān)系式為:
m樣QV=W(卡計(jì)+水)?z\T-m(點(diǎn)火絲)?Q(點(diǎn)火絲)
(1)
m樣為柴油的質(zhì)量(克);Qv為柴油的恒容燃燒熱(焦/克);W(卡計(jì)+水)為
氧彈卡計(jì)和周邊介質(zhì)的熱當(dāng)量(焦/度),其表達(dá)卡計(jì)和水溫度每升高一度所需要
吸取的熱量,W(卡計(jì)+水)一般通過(guò)經(jīng)恒重的標(biāo)準(zhǔn)物如苯甲酸標(biāo)定.苯甲酸的恒容
燃燒熱為26459.6焦/克。AT為柴油燃燒前后溫度的變化值。m(點(diǎn)火絲)
為點(diǎn)火絲的質(zhì)量,Q(點(diǎn)火絲)為點(diǎn)火絲(鐵絲)的恒容燃燒熱,其值為6694.4
焦/克。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法完全避免“熱漏”現(xiàn)象的存在,因此,實(shí)驗(yàn)中必須通
過(guò)雷諾作圖法或計(jì)算法校正柴油燃燒前后溫度的變化值。通過(guò)(1)式,計(jì)算柴油
燃燒的恒容熱效應(yīng)Qv(焦/克)。
為了避免平行測(cè)定中稱(chēng)量的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,可通過(guò)△T/m(K/g)(單位質(zhì)
量柴油燃燒引起溫度的變化值)或Qv/g(J/g)(單位質(zhì)量柴油燃燒放出的熱
量),研究柴油和微乳柴油燃燒效率的不同;通過(guò)△T/at(K/s)(即單位時(shí)
間柴油燃燒時(shí)燃燒溫度隨時(shí)間的變化率)研究柴油和微乳柴油燃燒速率的不同。
3、儀器與試劑
3.1實(shí)驗(yàn)試劑
柴油0*、油酸(CP)、十六烷基三甲基澳化鐵(CTAB)(CP)、氨水(CP)、正
丁醇(CP)
3.2實(shí)驗(yàn)儀器
燃燒熱測(cè)定裝置一套、充氧裝置一套、萬(wàn)用電表、5安保險(xiǎn)絲、1000ml
燒杯、磁力攪拌器、攪拌子(中)、電導(dǎo)率儀、氧氣、電子分析天平(每組一
臺(tái));燒杯(50ml.250ml)、鏡子、玻棒、洗耳球、膠頭滴管等。
4、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與現(xiàn)象
4.1復(fù)合乳化試劑配比與配制:
4.1.1復(fù)合乳化劑配比
油酸66.15%十六烷基三甲基浸化鏤(CTAB)0.91%氨水9.現(xiàn),正丁
醇23.8%
4.1.2復(fù)合乳化劑配制
室溫下,將36.5006g油酸放入100ml的燒杯中,此時(shí)燒杯中的液體為淺黃
色油狀液體;再逐滴加入5.008g氨水,燒杯中生成乳白色膏狀物質(zhì);先慢后快順
時(shí)針攪拌2min后該白色膏狀物質(zhì)變成淺黃色;再往燒杯中邊攪拌邊逐滴管加入
13.1993g正丁醇,此時(shí)淺黃色膏狀物質(zhì)開(kāi)始慢慢溶解,但仍有膏狀物質(zhì)殘留;在
磁力攪拌器上不斷攪拌約2Omin后,燒杯中的物質(zhì)變成淺黃色油狀乳濁液,繼續(xù)
邊加熱邊攪拌,約15min后該乳濁液變成黃色透亮、澄清的油狀液體;最后再直
接加入0.5003gCTABo制好的復(fù)合乳化劑放置備用。
4.2柴油-水-復(fù)合乳化劑微乳液柴油的制備
室溫下,稱(chēng)取(5g)的水一柴油,其中[m(柴油0*):m(水)分別為4.5:0.
5、4:1、3:2、2:3、1.5:3.5、1:4]樣品,分別放在50m1燒杯中,
逐漸往燒杯中滴加復(fù)合乳化劑,并不斷在磁力攪拌器上攪拌至溶液剛好變澄清,
靜置約20min后觀測(cè),如仍透明,則記錄所加復(fù)合乳化劑的用量。根據(jù)重
量差減法記錄加入的復(fù)合乳化劑重量,并根據(jù)體系中所具有的柴油、水的重量,
計(jì)算柴油-水-復(fù)合乳化劑擬三元體系達(dá)成透明狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的重量除根據(jù)各
不同配比擬三元體系中各個(gè)物質(zhì)的重量外,把復(fù)合乳化劑作為一個(gè)組分,另兩個(gè)
組分分別為油和水,繪制擬三元相圖,用以觀測(cè)柴油微乳液體系的相行為。
4.3柴油乳化燃料燃燒性能測(cè)定
選擇柴油0#、4.5:0.5及4:1的乳化柴油作為燃燒體系,分別將約1.2克燃
油體系放入用埸,分別稱(chēng)取四根鐵絲,記錄其重量,將鐵絲接在氧彈卡計(jì)的兩極
上,并將鐵絲浸沒(méi)柴油中,旋緊氧彈蓋,用萬(wàn)用電表檢查電極是否為通路。向氧彈
量熱計(jì)中充以氧氣,彈內(nèi)的氧氣壓力沖至LOMpa,放掉氧彈內(nèi)的氣體,重新充
氣后再放一次氣,最后再往其中充氧氣(彈內(nèi)的氧氣壓力沖至1.0Mpa)o充完
氣后,再用萬(wàn)用電表檢查電極是否為通路。若通路,則將氧彈放入卡計(jì)的水桶內(nèi),
用量筒取3000mL自來(lái)水倒入桶內(nèi),裝好攪拌軸,蓋上蓋子,將貝克曼溫度計(jì)探頭
插入水中。氧彈兩電極用電線(xiàn)連接在點(diǎn)火器上,然后開(kāi)動(dòng)攪拌馬達(dá),待溫度穩(wěn)定
上升后,每隔半分鐘讀取溫度一次,這樣連續(xù)記錄5min,便得到燃燒前期的溫
度。此時(shí)迅速按下點(diǎn)火器上的點(diǎn)火鍵通電點(diǎn)火,仍然隔半分鐘記錄一次溫度讀數(shù),
直到溫度出現(xiàn)最高點(diǎn),此階段的溫度為燃燒期間的溫度;當(dāng)溫度升高到最高點(diǎn)后,
繼續(xù)隔半分鐘連續(xù)記錄5min溫度,該階段溫度為燃燒后期的溫度。
實(shí)驗(yàn)停止后,小心取出貝克曼溫度計(jì),拿出氧彈,放出氧彈中的剩余氣體,
最后旋開(kāi)氧彈蓋,檢查樣品的燃燒情況,若氧彈中有許多黑色的殘?jiān)?,表達(dá)燃燒
不完全。把燃燒后剩下的鐵絲取出并稱(chēng)重,從鐵絲的原重量中減去未燃燒鐵絲的
重量后再進(jìn)行計(jì)算。
5、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解決
5.1柴油乳化體系擬三元相圖繪制
表1復(fù)合乳化劑的制備數(shù)據(jù)整理
加復(fù)合乳化劑
燒杯/g燒杯+柴油/g燒杯+油+水/g
后/g
4.5:
35.145939.641640.13841.5533
0.5
4.0:1.034.537938.534939.556642.9891
3.0:2.033.04336.021738.021144.5633
2.0:33.493335.498938.498546.4622
3.0
4
1.5:3.546.339749.864357.6596
4.8318
1.0:4.024.749625.745229.75339.9977
復(fù)合
復(fù)合乳微乳柴
柴油:水柴油/g水/g柴油外水%乳化
化劑/g油/g
劑%
4.5:4.40.491.416.400.7010.22
0.0775
0.5957645374609
4.0:1.0213.438.450.40
3.9970.4730.1209
1.07251262
3.0:2.91.9996.5411.50.20.5
0.1736
2.0787422203586679
2.0:2.02.97.96312.960.1540.614
0.2313
3.005699678961
1.5073.52410.2740.60
1.5:3.57.79530.1175
962.8278877
0.9954.00710.20.00.67
1.0:4.015.24810.2628
(5844765319
以柴油、水和油酸分別為X、Y、Z,繪制擬三元相圖,如下:
柴油-水-復(fù)合乳化劑微乳柴油的擬三元相圖
圖1柴油-水-復(fù)合乳化劑微乳柴油擬三元相圖
圖1,顯示曲線(xiàn)右方是不共溶區(qū)域,中間為臨界線(xiàn),其余部分均為共溶區(qū)
(即形成柴油-水一復(fù)合乳化劑微乳液柴油)。
5.2柴油0"、乳化柴油燃燒效率測(cè)定
5.2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄整理(見(jiàn)附表)
5.2.2柴油0#不完全燃燒的雷諾校正以及計(jì)算其燃燒熱
通過(guò)Origin解決數(shù)據(jù),得到雷諾校正圖如下:
溫度
Data10_B[5]:slope=0.001
(5,78,26,816)1______
26.8-
26.6-
26.4-
26.2-
26.0-
25.8-
25.6-
25.4-
25.2-
25.0-
24.8-
24.6-
(5.78,24,392)
24.4-
1~~?時(shí)間
024881012141618
圖2柴油0#燃燒熱的測(cè)定雷諾校正
由上圖可以知道:41=2.424℃
根據(jù)公式:mQv-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲=C△"!,有
Qv=(-CAT-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲)/m柴油
已知:C—14541.35J/K,Q點(diǎn)火絲=—6694.4J/g,m柴油=1.2036,
m點(diǎn)火修=0.0066g,
代以上數(shù)據(jù)到Qv=(-CAT-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲)/m柴油得:
Qv=[-14541.35J/KX2.424K-0.0066gX(-6694.4J/g)]
/1.2036g
=-29.249kJ.g'
△T/m柴油=2.014K/g
Qv/m^=~24.301kJ.g
-Q
△T/At=2.376X10K/s
5.2.34.5:0.5微乳柴油不完全燃燒的雷諾校正及計(jì)算其燃燒熱
通過(guò)Origin解決數(shù)據(jù),得到雷諾校正圖如下:
溫度
27.0-J(5942690切”‘a(chǎn)l0_B[32]:slope=0.003
26.8-
26.6-
26.4-
26.2-
26.0-
25.8-
25.6-
25.4-
25.2-
25.0-
24.8-
24.6-
24.4-
24.2-
時(shí)間
圖38:2乳化柴油燃燒熱的測(cè)定雷諾校正
由上圖可以知道:4丁=2.695℃
根據(jù)公式:-mQv-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲=C△T,有
_
Qv-(CAT-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲)/m柴油
已知:C=14541.35J/K,Q點(diǎn)火絲二一6694.4J/g,m柴油二1.2120g,
m點(diǎn)火絲=0?0082g,
代入上述數(shù)據(jù)于Qv=(-CAT-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲)/m柴油得::
Qv=[-14541.35J/KX2.695K-0.0082gX(-6694.4J/g)]/1.2
120g
=-32.289kJ.g1
△T/m柴油=2.224K/g
Qv/m柴油=-26.641kJ.g"
△T/At=2.495X1O'"K/s
5.2.44:1微乳柴油不完全燃的雷諾校正及計(jì)算其燃燒熱
通過(guò)Origin解決數(shù)據(jù),得到雷諾校正圖如下:
濕度
27DData10_B[5]:slope=O.OCB
26JB-
(5.87.26.860)
266-
264-
262-
26D-
25JB-
25J6-
圖47:3乳化柴油燃燒熱的測(cè)定雷諾校正
由上圖可以知道:4T=2.638℃
根據(jù)公式:~mQv-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲二C有
_
Qv=(CAT-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲)/m柴油
已知:C=14541.35J/K,Q點(diǎn)火絲二一6694.4J/g,^l柴油=L2128g
m點(diǎn)火絲=0.0120g,
代入上述數(shù)據(jù)于Qv=(-CAT-m點(diǎn)火鈴9點(diǎn)火絲)/m柴油得:
Qv=-[14541.35J/KX2.638K-0.0120gX(-6694.4J/g)]/1.2128
g
=-31.563kJ.gT
△T/m柴油=2.175K/g
Qv/mw26.025kJ.g1
△T/At=2.442X1O''K/s
6、結(jié)果與討論
6.1由微乳柴油的擬三元相圖可以看到相圖分為兩個(gè)相區(qū),左邊為共溶區(qū),右
邊為不共溶區(qū),中間為臨界線(xiàn)。如圖所示,我們所得到的微乳區(qū)面積比較小,經(jīng)分
析,也許因素為:
①正丁醇作為輔助表面活性劑,存在于界面活性劑之間,參與液滴界面膜的形成,
同時(shí)還要分派到油相和水相中,使兩相性質(zhì)得到改善,從而有助于表面張力的減
少和微乳液的形成。醇量太少,很難改變界面膜的流動(dòng)性。而本次實(shí)驗(yàn)我們所采
用的復(fù)合乳化劑中正丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.8%,含量相對(duì)較少,因此得到的微
乳區(qū)面積并不大。
②本次實(shí)驗(yàn)復(fù)合乳化劑中各成分的作用分別為:油酸作陰離子表面活化劑,CTA
B作陽(yáng)離子表面活化劑,氨水是使HLB值親水劑方向,正丁醇是作表面輔助
劑。配置不同配比的微乳液,所加入的復(fù)合乳化劑的量不同。
復(fù)合乳化劑對(duì)于微乳液的制備具有很大的影響,故復(fù)合乳化劑的制備是本次實(shí)驗(yàn)
的關(guān)鍵。在制備復(fù)合乳化劑時(shí),各種試劑的加入順序影響很大,攪拌時(shí)間和攪拌
速度也存在一定的影響。在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,我們先加油酸,再逐滴滴加氨水,接
著加入正丁醇,最后加入CTAB,整個(gè)過(guò)程用時(shí)約40分鐘,最后得到澄清、透亮
的復(fù)合乳化劑。在制備微乳柴油的時(shí)候,隨著微乳液中含水量的增長(zhǎng),乳化劑的
用量也逐漸增長(zhǎng),制備出來(lái)的微乳柴油的透明度都相稱(chēng)不錯(cuò),放置一個(gè)星期后也
無(wú)分層或渾濁現(xiàn)象出現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)中的得到的微乳區(qū)較小,也許是由于制備復(fù)合乳
化劑時(shí)各種試劑的加入順序不妥,又或者是制備微乳柴油時(shí)復(fù)合乳化劑的用量不
妥。
6.2柴油0#、不同組分及配比的乳化柴油燃燒效率
在測(cè)定柴油燃燒效率的時(shí)候,我們采用了不完全燃燒的形式,由于完全燃燒可比
性不大,并且沒(méi)有必要,而在實(shí)際使用的時(shí)候,我們的柴油一般都是不完全燃燒
的。在本次實(shí)驗(yàn)中,我們做了柴油0#和4.5:0.5及4:1這三個(gè)樣品,結(jié)果發(fā)
現(xiàn),4.5:0.5的燃燒熱是最大的,柴油0"的燃燒熱最小。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,我們
觀測(cè)到,燃燒完后柴油0#得到的炭黑最多,另一方面是4.5:0.5的乳化柴油,
4:1的乳化柴油燃燒后得到的炭黑是最少的,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與計(jì)算值明顯不符合。
為了避免平行測(cè)定中稱(chēng)量的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,以得到更精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我又
計(jì)算了各柴油的△T/m(K/g)(單位質(zhì)量柴油燃燒引起溫度的變化值)、Qv/g
(J/g)(單位質(zhì)量柴油燃燒放出的熱量),以研究柴油0"和微乳柴油燃燒效率
的不同;接著我又通過(guò)計(jì)算aT/at(K/s)(即單位時(shí)間柴油燃燒時(shí)燃燒溫度隨
時(shí)間的變化率)研究柴油0,和微乳柴油燃燒速率的不同。通過(guò)計(jì)算,得到如下結(jié)
果:
柴油0*4.5:0.5微乳柴油4:1微乳柴油
燃燒熱(kj/g)-29.249-32.289—31.563
Qv/m柴油(kJ/-24.30
-26.641-26.025
g)1
△T/m(K/g)2.0142.2242.175
2.376X10
△T/At(K/-3
2.495X10”2.442X10
s)-3
通過(guò)精密的計(jì)算,再次證明了,無(wú)論從燃燒效率還是從燃燒速度來(lái)看,4.5:0.5
的微乳柴油都是最高效、最高速的。4:1的微乳柴油燃燒后炭黑最少,但燃燒值
卻比4.5:0.5的微乳柴油的小,也許是由于4:1的微乳柴油含柴油量相對(duì)較少,
但燃燒比較完全。
6.3根據(jù)以上結(jié)果對(duì)乳化柴油的形成過(guò)程、經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)與環(huán)境價(jià)值進(jìn)行初
步評(píng)估。
由以上計(jì)算可以知道,我們制備出來(lái)的微乳液在燃燒方面取得了較好的效果,在
環(huán)境價(jià)值上來(lái)說(shuō),其污染也是比較少的。但是由于加入了大量的復(fù)合乳化劑,導(dǎo)
致成本是純柴油的十幾倍,并無(wú)經(jīng)濟(jì)效益,主線(xiàn)無(wú)法在實(shí)際中應(yīng)用。要制得經(jīng)濟(jì)
效益較高的的柴油微乳液,關(guān)鍵在于制備出優(yōu)良的復(fù)合乳化劑,這也將是我們?nèi)?/p>
后的重點(diǎn)研究對(duì)象。
7問(wèn)題思考
7.1柴油的重要成分是什么?其燃燒后也許形成的產(chǎn)物有那些?
答:柴油重要由C-H化合物組成,涉及烷燒、環(huán)烷燒、烯燒、煥燒、二烯煌以及
芳香煌。在這幾種成分中,烷煌都占有最大的比例。其完全燃燒后也許形成的產(chǎn)
物:水、二氧化碳,在高溫缺氧時(shí)不完全燃燒,易炭化形成炭煙。
7.2乳化柴油與微乳柴油的區(qū)別?制備方法上有什么不同?
答:與乳化柴油相比,微乳燃油可長(zhǎng)期穩(wěn)定,不分層,且制備簡(jiǎn)樸,并能使燃燒更
完全,燃燒效率高,節(jié)油率達(dá)5貯15%,排氣溫度下降20%~60%,煙度下降
40%?77%,NOx和CO排放量減少25%,在節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益上都
有較為可觀的效果,已成為世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
制備方法不同:微乳柴油的制備比較簡(jiǎn)樸,只需要把油、水、表面活性劑、助表
面活性劑按合適的比例混合在一起就可以自發(fā)形成穩(wěn)定的微柴油。乳化柴油由柴
油70%+助劑15%+水15%混合而成,采用油水法可以制備乳化柴油,環(huán)節(jié)如下:
選定所要加入的乳化劑,采用HLB值篩選法控制所要加入乳化劑的量;用玻璃棒
攪拌使各種乳化劑混合均勻。
7.3乳化柴油為什么不穩(wěn)定?其對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的損害是什么?
答:乳化柴油用的添加劑,是以減少界面張力為設(shè)計(jì)目的,讓表面活性劑組成的
復(fù)合界面膜,強(qiáng)力而牢固地吸附在油水表面,但它不是熱力學(xué)上的穩(wěn)定體系,故
穩(wěn)定性不好,大多一3個(gè)月不分層,不錯(cuò)的也只有半年左右。乳化油屬于熱力學(xué)不
穩(wěn)定體系,隨環(huán)境條件的改變、放置時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性差、存儲(chǔ)時(shí)間短及燃
燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象,使內(nèi)燃機(jī)工作不正常并產(chǎn)生銹蝕等危害。限制了它的推廣應(yīng)用
范圍。
7.4為什么要進(jìn)行柴油微乳液的研究?形成微乳柴油的通常條件是什么?其中
各組分的作用是什么?
答:近年來(lái),隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)送業(yè)的飛速發(fā)展,對(duì)石油的需求量增大,而
石油資源有限,于是出現(xiàn)了石油供應(yīng)局限性、價(jià)格上漲的趨勢(shì)。人類(lèi)面臨日益嚴(yán)
峻的能源危機(jī)。但經(jīng)濟(jì)的可連續(xù)發(fā)展必須是在保護(hù)生存環(huán)境、節(jié)約寶貴資源和減
少能耗的前提下的發(fā)展。因此,如何提高燃油燃燒效率和減少環(huán)境污染,研究新
型節(jié)油防污染技術(shù),涉及最為人們青睞并具有節(jié)能效率高,減少尾氣污染的燃料
乳化以及微乳化技術(shù),己成為人們十分關(guān)心的問(wèn)題。微乳燃料的制備比較簡(jiǎn)樸,
只需要把油、水、表面活性劑、助表面活性劑按合適的比例混合在一起就可以自
發(fā)形成穩(wěn)定的微乳燃料。其中各組分的作用是,醇的種類(lèi)和表面活性劑復(fù)配比例
對(duì)水最大增溶量有很大影響。醇碳數(shù)適中時(shí),醇更易富集于界面上,增長(zhǎng)了界
面面積,使增溶水量增長(zhǎng),
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