乙醇/水混合物

乙醇/水混合物（精选八篇）

乙醇/水混合物 篇1

1 理论部分

松香酸是一元弱酸,其一级解离存在以下电离平衡, Ka为离解平衡常数,则

$\text{Η}\text{A}\stackrel{}{\rightleftharpoons }\text{Η}{}^{+}+\text{A}{}^{-},{\rm K}{}_{\text{a}}=\frac{[\text{Η}{}^{+}]\cdot [\text{A}{}^{-}]}{[\text{Η}\text{A}]}$

根据电位滴定法测定一元弱酸电离常数的原理,由任何一个滴定点的数据都可算出Ka值,但测定电离平衡常数的误差很难发现与消除,所以人们配制几个不同浓度的溶液来测定以消除单点测定中的偶然误差,虽然这比只测一个数据好,但所配浓度相差较大时,对不同浓度的溶液来说误差的影响程度又会不一样。因此,为减小误差,增强实验结果的可靠性,人们设法建立数据处理方法以便由若干组实验数据求得一个Ka值。其中最常用的方法是加质子形成函数法,本文采用此法计算pKa。参照文献[1]加质子形成函数$\overline{n}{}_{\text{Η}}$定义:

$\overline{n}{}_{\text{Η}}=\frac{C{}_{\text{Η}\text{A}}-[B]-[\text{Η}{}^{+}]-[\text{Ο}\text{Η}{}^{-}]}{C{}_{\text{Η}\text{A}}}(1)$

式中, CHA是某滴定点时被滴定酸的总浓度(包括已被中和与未被中和的),因在滴定前V0 mL溶液中加入V mL碱溶液,溶液被稀释,HA的浓度由起始C${}_{\text{Η}\text{A}}^0$变成CHA, 即:

$C{}_{\text{Η}\text{A}}=\frac{C{}_{\text{Η}\text{A}}^0\cdot V{}_0}{V{}_0+V}(2)$

[B]为该滴定点时碱的浓度, 其值为:

$[B]=\frac{C{}_{\text{Ν}\text{a}\text{o}\text{Η}}\cdot V}{V{}_0+V}(3)$

[H+]由酸度计读数转换得到,[OH-]由[H+]与水的离子积计算得到,pKa可由某滴定点的$\overline{n}{}_{\text{Η}}$和pH值求得:

$\text{p}{\rm K}{}_{\text{a}}=-\lg [\text{Η}{}^{+}]+\lg \frac{\overline{n}{}_{\text{Η}}}{1-\overline{n}{}_{\text{Η}}}$

即:$\text{p}\text{Η}=\lg \frac{\overline{n}{}_{\text{Η}}}{1-\overline{n}{}_{\text{Η}}}-\text{p}{\rm K}{}_{\text{a}}$(4)

可见,pH与$\lg \frac{\overline{n}{}_{\text{Η}}}{1-\overline{n}{}_{\text{Η}}}$呈线性关系,对于一系列滴定点用pH对$\lg \frac{\overline{n}{}_{\text{Η}}}{1-\overline{n}{}_{\text{Η}}}$作图,即得斜率为1的直线,此直线在pH轴上的截距就是pKa。

如果以NaOH溶液滴定不同乙醇含量的松香酸溶液,得到一系列Ka值,然后外推至乙醇含量为零即纯水中,求得松香酸在水溶液中的离解常数。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

ZD-2自动电位滴定仪,上海雷磁仪器厂。

松香酸,上海晶纯实业有限公司;其它试剂均为分析纯,水为新煮沸冷却后的去离子水。

2.2 溶液的配制

2.2.1 松香酸溶液的配制

配制系列浓度为0.05 mol/L左右的松香酸乙醇/水溶液10.00 mL 溶液,使乙醇含量( V/V总)分别为 30%、40%、50%、60%和70%,用KCl 维持离子强度I=0.10。

2.2.2 NaOH溶液的配制

配制浓度约为0.05 mol/L的NaOH溶液,为使滴定过程中不会因加入NaOH溶液改变反应体系中乙醇的体积比,每一体积比下的NaOH标准溶液采用相应的乙醇/水溶液配制。NaOH溶液浓度用邻苯二甲酸氢钾标定。

2.3 实验方法

先以标准缓冲溶液校准仪器,在自制恒温滴定杯中加入被测的松香酸溶液2.00 mL,连接好已活化的复合电极,调节电磁搅拌速度,按电位滴定法操作要求用标准NaOH溶液滴定,记录滴定过程消耗标准NaOH溶液的体积V和对应pH值。

3 结果与讨论

3.1 松香酸离解常数测定

以相应乙醇含量(V/V总) 标准NaOH溶液分别滴定相同乙醇含量( V/V总)的松香酸溶液。按2.3分别滴定了乙醇含量(V/V总)为30%、40%、50% 、60%和70%的乙醇/水混合溶剂体系中的松香酸,得到系列消耗VNaOH和相应pH值数据,然后按式(2)、式(3)求CHA和[B]值代到式(1)计算$\overline{n}{}_{\text{Η}}$,于是根据式(4)作pH对$\lg \frac{\overline{n}{}_{\text{Η}}}{1-\overline{n}{}_{\text{Η}}}$作曲线图,如乙醇含量为50%的松香酸乙醇/水溶液为例作的曲线图见图1,从图1得到曲线方程为:

$\text{p}\text{Η}=5.914+1.0453\lg \frac{\overline{n}{}_{\text{Η}}}{1-\overline{n}{}_{\text{Η}}}$

以此类推,可得到不同乙醇含量的松香酸乙醇/水溶液的pH对$\lg \frac{\overline{n}{}_{\text{Η}}}{1-\overline{n}{}_{\text{Η}}}$曲线图,求得不同乙醇含量的松香酸乙醇/水溶液的pKa值,以此系列pKa值与体系中乙醇体积含量作图,结果见图2。从图2得到线性回归方程为:pKa=4.937+0.01922(V/V总), 在乙醇体积含量为30%~70%(V/V总) 范围内,松香酸的pKa 随着乙醇含量的增大线性增大,究其原因可能是松香酸在醇-水混合介质中,氢离子的溶剂化是水分子和醇分子在主要的溶剂化区域内通过竞争进行的。乙醇分子中氧的电负性显然小于水分子中氧的电负性,故松香酸在乙醇-水介质中,随着乙醇含量的增大,乙醇分子对H+溶剂化的几率增大,相反地,水分子对H+溶剂化的几率相对减小,致使H+被溶剂化的程度减弱,导致松香酸的离解常数减小。这与许多难溶有机物离解常数与水有机溶剂混合体系中有机溶剂含量关系是相似的[2,3]。将其外推至乙醇含量为零,可得松香酸在实验温度22.5 ℃ 下、离子强度为0.10的纯水中的pKa为4.937。

4 结 论

本文采用电位滴定法,在乙醇/水混合溶剂体系中测定了松香酸在不同乙醇含量时的离解常数,结果表明松香酸的pKa与乙醇含量(V/V总)在30%~70% 范围内成线性关系,将其外推至乙醇含量为零,可得松香酸在温度为22.5 ℃下,离子强度为0.10的水溶液中的pKa为4.937。

参考文献

[1]王夔,陈贤营.电位法测定酸解离常数和络合物稳定常数的基本原理和方法(Ⅰ)[J].分析实验室,1985,4(3):46-51.

[2]马东兰,石中一,小田岛次胜.难溶有机物在水中离解常数及其分配系数的测定[J].化学通报,1993(12):52-54.

沥青混合料水稳定性研究 篇2

【关键词】沥青混合料；水稳定性；试验

目前，沥青混合料水稳定性评价方法可大致分为两类：一类评价集料和沥青之间的粘附性，主要是将未经压实的松散沥青混合料浸于水中（常温或沸水）一段时间后，主观评价或利用仪器检查集料裹覆沥青膜的剥蚀程度，并据此作为判定混合料水稳定性的依据。这类方法以水煮法、浸水法和光电分光度法为代表。另一类评价方法是检验压实成型后的沥青混合料试件整体对水的抗剥落能力，主要方法是将沥青混合料试件或芯样置于一定水侵蚀环境条件下，以某些物理力学指标的衰变程度来表征混合料的水稳定性。这类方法有马歇尔试验、劈裂试验，以及洛特曼方法等。下面先对评价集料和沥青之间的粘附性的几种实验方法做出比较。

1、集料与沥青粘附性试验

1.1材料

玄武岩是修理公路、铁路、机场跑道所用石料中最好的材料，具有硬度大、抗压性强、抗滑系数大、耐磨性性好、压碎值低、抗腐蚀性强、与沥青粘附性好、吃水量少、导电性能差等优点，并被国际认可，是发展铁路运输及公路运输最好的料源。

凝灰岩：凝灰岩是一种火山碎屑岩，其组成的火山碎屑物质50%以上的颗粒直径小于2毫米，成分主要是火山灰。凝灰岩是一种常用的建筑材料，常用做公路建设筑路材料，凝灰岩二氧化硅含量较少，是一种典型的碱性岩石。

花岗岩：花岗岩石岩浆在地下深处经冷凝而形成的深层酸性火成岩，花岗岩与玄武岩都是岩浆岩，不同的是在岩浆喷发的时候，花岗岩是地下部分，在高压下形成，质地比喷出地表后形成的玄武岩严密的多，因此很坚硬。

沥青与矿料的粘附性的强弱，不仅与沥青和集料的性质有关，而且当两者结合时，尚与其界面层的性质及接触面积有很大关系，即不仅研究二者粘附性要研究矿料性质和沥青性质，还要研究二者的相互作用；本节按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011中 T 0616-1993 沥青与粗集料的粘附性试验方法来研究本论文采用的三种集料玄武岩、凝灰岩、花岗岩与沥青的粘附性等级。

1.2试验方法

评价沥青与集料粘附性的方法有很多，最简单就是将浸在沥青中的石子拿出来放入水中，观察沥青从石子表面脱落的情况，进而判断粘附性的优劣。国内外常用的几种方法，包括水煮法、水浸法、光电比色法、搅动水净吸附法等。鉴于试验室条件限制，本研究只能采用我国规范规定的水浸法来进行评定。

用于测试最大粒径不超过13.2mm的集料粘附性。通过将裹满沥青的石子放于80℃的静水中一定试件，然后观察剥落情况。具体步骤：

a）用四分法取100g 9.5～13.2mm这档料，放于高出沥青拌合温度5℃的烘箱中一个小时

b）称取沥青5.5g±0.2g，放入小型拌合容器，再放入同一烘箱加热15min

c）将集料加入小型拌合容器，充分拌合，然后取出20个裹满沥青的石子，用铲子放到玻璃板上摆开，并室温冷去一个小时

d）连同玻璃板一起放入80℃±1℃的水中，保持30分钟

e）轻轻取出玻璃板，放入冷水中，肉眼仔细观察石子表面沥青剥落情况，由两名以上经验丰富人员分別观察评定剥离程度，最后取平均值。

这种方法优点就是方法简便，结果直观；水温恒定，脱离人为因素；缺点就是静水条件缺少冲刷效果，模拟性差些；另外最终结果评定还是靠人为主观评测，这样仍存在一定影响。

研究沥青混合料采用了添加剂抗车辙剂所以还进行了集料与添加抗车辙剂的沥青的粘附性试验，最终按照规范由两名经验丰富的试验人员综合评定，将最终结果汇总于下表1。

2、试验结果分析

试验结果显示玄武岩与沥青粘附性最好，等级为5，最差的是花岗岩，从岩石的酸碱性上可以解释这种现象，花岗岩组成中二氧化硅含量比较高，属于酸性石料，石料硅铝含量比较会表现出一种亲水憎油的特性，正是这种特性导致花岗岩等酸性石料组成的沥青混合料容易受到水损害，水进入都集料表面因为酸性集料的亲水憎油性质会选择性水置换沥青膜，从而导致所谓的水损害。凝灰岩属于一种中性偏弱酸的岩石，所以它的粘附性略差于玄武岩，但优于花岗岩。所以公路工程上一般不选用花岗岩一类的酸性石料，但是有时候限于资源分布、运输成本等条件制约，不得不采用这类集料，但是使用之前必须采取补救措施即添加外加剂，这里我们看到集料与添加抗车辙剂的沥青粘附性结果中，花岗岩的粘附性明显改善达到了4级已经满足了工程技术要求，其实这是因为抗车辙剂熔化后一部分以离散状态均布凝固在沥青中形成一种固化结构，增强了沥青的粘稠度，还有一部分车辙剂粘附在石料表面形成沥青集料之间的一个搭接板，产生很大的粘结力，减少了集料的水损害。

3、总结

总结以上内容，对于沥青混合料水稳定性的研究，应该遵守以下步骤：

首先，对集料对沥青混合料的水损害影响程度做出分析：通过分析，得出不同集料该如何应对沥青混合料的水损害，从而指导工程具体应用，尽量可以就地取材，减少投资，节约成本。

其次对级配对沥青混合料的水损害影响程度做出分析：不同级配具有不同的路用工程，应用于不同的具体情况，所以广义来讲，级配并没有绝对的好坏，本文我们只是从水损害角度来探讨不同级配对水破坏前后的反应程度。

再次，通过以上分析对比，探究减少水损害的措施。

参考文献

[1]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001

[2]吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].同济大学出版社，2001

[3]杨春生.论城市化建设中公路路基的施工方法[J].四川建筑，2009（02）

乙醇-水体系的间歇萃取精馏 篇3

乙醇在化工、能源、医药和电子等领域都有着广泛的应用,它既是一种非常重要的有机化工原料,也是制药及精细化工中常见的溶剂,电子工业中的清洗剂。为了降低目标产品生产成本,许多乙醇使用消耗量大的企业(如制药、精细化工、电子工业等)往往会想到在废液中的乙醇回收再利用问题。所以这方面研究较活跃[1,2];本文对乙醇含量较低的乙醇水溶液的间歇萃取分离过程进行了实验初探,得出了主要参数与产品纯度影响因素之间的一些关系,得出较佳操作条件,为废液中乙醇的回收再利用提供一些实验依据。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验采用了由南京工业大学研制的特种精馏装置(如图1),主体设备有填料精密精馏柱、填料为θ环不锈钢及控制部分。

1.2 实验分析条件

实验采用温岭市福立分析仪器公司GC9790型气相色谱,载气为氢气,柱为φ3 mm、壁厚0.5 mm、高2 000 mm不锈钢填充柱。固定相为GDX—101白色担体,老化温度200 ℃,最高使用温度220 ℃。热导检测,汽化室温度175 ℃,柱温120 ℃,检测室温度200 ℃,柱前压0.16 MPa,进样量0.5 μL,应用软件为浙大 N2000色谱工作站。

1.3 实验步骤

乙醇-水间歇萃取精馏过程有四个阶段:(1)无萃取剂加入下的全回流操作,使塔内最终建立稳定的浓度梯度;(2)连续加入萃取剂下的全回流操作,降低塔顶重组分质量分数,直至塔顶组分达到产品要求值,分离混合物系,提纯精馏段产品;(3)连续加入萃取剂下进行部分回流操作,持续采出纯度合格的产品——乙醇。

本文先在无萃取剂加入情况下,分别改变塔釜加热温度和回流比进行实验,为后面在加萃取剂下的间歇萃取精馏实验的最佳操作条件选择做下铺垫;再在不同的萃取剂加入下进行全过程的间歇萃取精馏操作,对不同萃取剂的分离效果、使用效率以及回收情况进行比较分析;最后,选择出较好的萃取剂,对它的最佳操作条件进行分析。

2 结果与讨论

2.1 改变塔釜加热温度对精馏的影响

实验条件:向塔釜加入37%乙醇水溶液(用无水乙醇配制)400 mL,设定不同塔釜加热温度(依次为150 ℃,180 ℃,210 ℃,240 ℃)进行全回流操作,待稳定后对塔顶塔釜进行取样分析,同时测定回流液量,数据记录于表(无萃取剂)1。

实验结果:由表1中可以明显看出,随着塔釜加热温度的升高,分离效率总体是呈上升趋势,在180～210 ℃之间的加热温度变化对分离效果影响较大,210 ℃之后则变得比较理想,如再用提高加热温度的方法来提高分离效果就不必要。

2.2 改变回流比对精馏的影响

实验条件:向塔釜加入22%乙醇水溶液300 mL,设定塔釜加热温度为210 ℃。待全回流稳定后,设定回流R(依次为1∶1,2∶1,3∶2,3∶1),不加萃取剂下进行部分回流操作,并将馏出液接回至塔釜以保证实验的连续进行,回流稳定后对塔顶塔釜取样分析,数据记录于表2。

实验结果:增大回流比可以提高分离效率,但同时也降低了乙醇流出量,增加了能耗,需要根据实际废液处理量来选择合适的回流比。

2.3同一萃取剂对不同纯度的乙醇—水体系的实际分离效果比较

醋酸钾是目前工业上萃取精馏乙醇普遍采用的一种较好的盐萃取剂,本文就针对醋酸钾在全回流下对不同纯度的乙醇-水溶液的分离效果进行了分析比较,具有典型性。

实验条件:配制不同浓度的乙醇水溶液(30%,40%,50%,60%),向塔釜加入400 mL原料液,在210 ℃的塔釜加热温度下,待全回流稳定后,收集一定量的乙醇,用于配制0.1 g/mL的醋酸钾乙醇溶液,在从塔顶连续加入萃取剂下进行全回流操作,每隔45 min对塔顶塔釜取样分析一次,并对每个纯度下的原料作塔顶乙醇含量-醋酸钾萃取剂累计加入量的曲线(图2)。

实验结果:萃取剂对不同浓度的乙醇分离效果都比较好,特别对乙醇含量高的乙醇-水体系分离效果更为明显。

2.4不同萃取剂对乙醇-水体系的实际分离效果比较

乙二醇是现在工业上最常用的萃取溶剂,将适当的盐类溶于乙二醇中配成混合溶剂,能够有效提高溶剂的选择性。本文对纯溶剂乙二醇[3,4,5,6],混合溶剂:乙二醇+氯化钙[5]、乙二醇+醋酸钾、乙二醇+氢氧化钾、乙二醇+氢氧化钠对乙醇-水体系的分离效果进行了分析比较。

实验条件:配置40%的乙醇水溶液,向塔釜中加入340 mL该原料液。配制盐/碱浓度为0.1 g/mL的混合溶剂,从塔顶连续加入,设定塔釜加热温度为210 ℃,进行间歇萃取精馏的第一二步操作,加入萃取剂后每隔45 min对塔顶塔釜取样分析一次,并作塔顶乙醇含量-不同萃取剂加入量的曲线(图3)。

实验结果:在加了盐或碱后的溶剂对乙醇水体系的分离效果显著提高,大大减少了萃取精馏得到相同纯度的无水乙醇所用萃取剂消耗量。实验同时也验证了林军[7]等在对乙醇水体系所做的不同混合溶剂相对挥发度实验上得出的结论:溶碱萃取剂分离效果优于溶盐萃取剂,乙二醇+氢氧化钾效果好于乙二醇+氢氧化钠。

3 结论

虽然用乙二醇+氢氧化钾的混合溶剂做萃取剂分离效果较好,能量消耗也相对较少,但同时也存在着一些问题,如对设备防腐性能要求高,氢氧化钾在乙二醇中的溶解度不高,需要再设保温装置等等。在用废液回收乙醇的实际操作时,还是要针对企业自身情况,注意权衡乙醇纯度、操作时间、利润三个方面的内容[7],分清主次矛盾,选择适宜的萃取剂以及较优的操作方式进行间歇萃取精馏。

摘要：为了实现对废液中的乙醇回收再利用,对乙醇含量较低的乙醇水溶液的间歇萃取精馏过程中的塔釜加热温度、混合溶液的浓度、回流比等进行了实验研究。得出了主要参数和产品纯度影响因素之间的一些关系。结果满意,为废液中乙醇的回收提供了有价值的实验依据。

关键词：无水乙醇,乙醇回收,间歇萃取精馏,萃取剂,混合溶剂

参考文献

[1]白鹏,邬慧雄,朱思强.分批萃取精馏技术的研究进展.石油化工,2001;30(7);563—566

[2]孙健哲,陆晖.溶盐萃取精馏法制取无水乙醇.宝鸡文理学院学报(自然科学版),1994;2:12—14

[3]张志刚,徐世民,李鑫钢,等.间歇萃取精馏技术的研究进展.化工进展,2004;23(9);933—937

[4] Yaim H,Moszkowicz P,Otterbein M.Comput Chem Eng,1994;18(11/12):1057—1069

[5]白鹏,姚俊峰,方静,等.乙醇-水间歇萃取精馏生产过程研究.海湖盐与化工,32(6):11—13

[6]李红利,孙建哲.溶盐萃取精馏系统的特点及设计计算.宁夏大学学报(自然科学版),19(2):15—18

乙醇汽油混合燃料的排放特性研究 篇4

1 实验装置和实验方案

实验用汽油机为本田2.4型发动机,表1列出了它的主要参数。排放分析仪是深圳元征科技股份有限公司生产的VEA-501型五组分排放分析仪,该设备是利用不分光红外线吸收原理(NDIR)来测量排气中的CO和HC的浓度,采用化学发光原理对NOx的浓度进行检测。

为了使发动机具有乙醇汽油与汽油的随意切换性能,选用低浓度的乙醇汽油(乙醇的体积分数为2.5%,5%,10%和15%)进行研究,分别用E2.5,E5,E10,E15表示,其中乙醇为工业乙醇,纯度在99.7%以上。实验中未对发动机进行任何调整,各系统也未进行优化,以利于乙醇汽油混合燃料的推广使用。实验主要在如下的两种工况下进行:

a.部分负荷工况。在适当转速下进行,发动机转速恒定,从小负荷20 N·m开始,逐渐开大节气门,每次多加载20 N·m直至100 N·m进行测量。转速分别固定在1 800 r/min和2 600 r/min,在每个测量点,待发动机运转60 s后开始测量。

b.全负荷工况。在适当转速下进行,节气门保持全开,并且发动机转速不变。测量点为1 200,1 800,2 400,3 000,3 600 r/min,在每个测量点,待发动机运转60 s后开始测量。

2 乙醇汽油混合燃料的排放特性

在两种实验工况下,对不同比例的乙醇汽油混合燃料的排放特性进行了研究,各种排放物均在催化器前测量。

图1和图2分别是发动机在两种不同转速下CO的排放曲线。从图上可以看出:

a.在一定转速下,随着负荷的加大,五种燃料CO的排放曲线开始时缓慢变化,而后出现上升趋势,最终达到最大值。

这是由于电控发动机在中小负荷工况时是实行闭环控制的,根据装在排气管上的氧传感器的反馈信号控制过量空气系数基本保持在1.0左右,此时汽油机用经济混合气工作,基本上可以保证燃料完全燃烧;另一方面,随着掺烧乙醇比例的增大,电控系统使发动机进气量自动减小,以维持过量空气系数保持在1.0左右。因此,在中小负荷工况,各种燃料的CO排放变化都不大,趋势比较平稳。而在大负荷工况时,电喷汽油机为了输出较大的功率将会增加喷油量以形成浓混合气,导致过量空气系数小于1.0,这就使得CO的排放开始上升。

b.燃用93#汽油的排放始终最高,四种混合燃料的排放效果均优于燃用93#汽油,并且随着掺烧乙醇的增加,CO排放有明显改善,其中使用E15的最大降低幅度为8.3%。

这是因为乙醇汽油燃料自携氧要比空气中的氧更有助于完全燃烧,或者说原子氧要比分子氧更容易参加化学反应,加之混合燃料中乙醇的C/H小于汽油,汽化潜热大于汽油,有利于混合气的完全燃烧。乙醇化学结构中的羟基OH使其燃烧反应特点与汽油中的各种烃类的有所不同,其燃烧速度和火焰传播速度高于汽油,这也是掺烧乙醇后CO排放得以改善的另一个原因[2,3]。

图3是全负荷工况时燃用五种燃料的CO排放曲线。从图上可以看出,燃用93#汽油,E2.5,E5,E10,E15的CO排放的变化趋势都是开始较为平稳,后来很快上升;同时,随着乙醇比例的不断增加,CO的排放依次明显降低,改善效果可达28%左右。

这是由于电控喷油发动机的空燃比控制策略来决定的,在发动机达到某一转速或者负荷时,就要增大喷油量,以形成功率混合气,而高转速段混合气的形成时间较短,不能够完全燃烧,所以在高转速段CO的排放均有所上升。同样也是由于乙醇汽油富氧特性的作用,使得乙醇汽油的排放仍然低于93#汽油。

图4和图5分别是发动机在两种不同转速下HC的排放曲线。从图上可以看出,燃用93#汽油和E2.5,E5,E10,E15时HC排放曲线的变化趋势保持一致,E2.5,E5,E10和E15的排放效果均优于燃用93#汽油时的排放,并且随着掺烧乙醇比重的不断增加,HC的排放依次降低。

这是因为在闭环控制区域内,ECU的控制策略使过量空气系数保持在1.0到1.05之间,五种燃料基本上都可以充分燃烧。然而由于乙醇的含氧特性,当乙醇加入后,混合燃料的含氧量获得提高,也使燃烧得以改善,燃料含氧降低了中小负荷时因为混合气过稀引起的HC淬熄排放,也降低了高负荷时因为混合气过浓导致的HC不完全燃烧排放,从而降低了未燃HC的排放量。由此可知,即使在不缺氧的闭环区域,乙醇的加入或者燃料含氧量的增加仍可改善燃烧。这也表明燃料自携氧对降低HC效果要优于空气中的氧气[4]。

图6是全负荷时燃用五种燃料的HC排放结果曲线。从图上可以看出,随着发动机转速的提高,HC的排放逐渐降低;并且掺醇率越高,未燃HC的排放就越低。

这是由于节气门保持全开时,随着转速的提高,燃烧速度得以提高,一定程度上降低了因火焰在到达壁面前由于膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄的可能性,所以HC排放得以降低。同时,HC在排气系统中的氧化一般要求排放系统仍有富氧和较高的温度,而发动机在全负荷工况运行时也使得排气温度获得提高,一定程度上为HC在排气系统中的氧化创造了条件[5]。另外,乙醇汽油含氧,其含碳量比汽油低,加上燃烧最高温度较低,又集中在定容区内燃烧,后燃的现象较少,也使排气中HC减少,掺醇比例越大,HC排放改善越明显。

图7和图8分别是发动机在两种不同转速下NOx的排放曲线。从图上可以看出:

a.发动机燃用五种燃料时,随着负荷的增加,NOx的排放都是先升高后降低。混合燃料中E15降幅最大,出现在2 600 r/min转速的工况,约为28.5%。

这是由于发动机在小负荷时,缸内温度比较低,不利于NOx的生成;到了中等负荷时,混合气浓度变化不大,但是缸内温度已经上升了,所以排放有所增加;而发动机在大负荷时,供给的混合气较浓,氧不足,即使此时缸内温度较高,NOx的生成也因缺氧被抑制。

b.E2.5,E5,E10,E15的排放均高于燃用93#汽油时的排放,并且随着掺烧乙醇比重的增加,NOx的排放依次增加。

这是由于乙醇含氧,可使缸内燃烧温度变高、速度变快,燃烧放热也比较集中,使NOx的排放得以增加,虽然乙醇的热值低,汽化潜热约为汽油的2.9倍,有使进气温度降低,火焰传播速度减慢,缸内最高温度降低的趋势,可能会使NOx有所降低,但其影响不够大,于是两者因素共同作用后的结果是E2.5,E5,E10,E15这四种混合燃料NOx的排放比93#汽油高。

图9是全负荷时五种燃料的NOx排放曲线。从图上可以看出,节气门全开时,随着转速的提高,NOx的排放先升高后降低最终又升高,并且四种混合燃料的排放始终低于93#汽油。这些都是由于燃料的含氧量、燃烧峰值温度以及混合气浓度不同等诸多因素综合在一起形成的[6]。

综合比较可知,在两种实验工况下,燃用四种乙醇汽油后可以显著降低CO和HC的排放,但同时会引起个别工况下NOx排放的增加。可见,发动机燃用四种乙醇汽油后排放特性的变化不仅与掺醇量有关,而且与发动机的空燃比控制策略以及发动机的运行工况有密切关系。

3 结论

a.在未作任何改动的前提下,发动机燃用四种乙醇汽油混合燃料(E2.5,E5,E10,E15)后的运行状况良好,未有异响或是噪声出现。

b.在两种实验工况下,CO和HC的排放均有明显改善。

c.部分负荷工况下,NOx的排放有所恶化。

d.排放特性的变化不仅与乙醇的含量有关,而且也与电喷发动机的空燃比控制策略有关。

参考文献

[1]李岳林,杜宝杰,李薛,等.汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的研究进展[J].小型内燃机与摩托车,2009,(2):85-87.

[2]刁洪军.乙醉汽油成分测试及其对电喷汽油机性能影响实验研究[D].吉林:吉林大学,2007.

[3]杜宝杰.电喷汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的性能研究[D].长沙:长沙理工大学,2009.

[4]顾洁.汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的模型及试验研究[D].杭州:浙江大学,2003.

[5]彭小红.醇类燃料的燃烧与排放特性的研究[D].西安:长安大学,2003.

乙醇/水混合物 篇5

目前, 大部分含氧燃料研究, 主要是对柴油-乙醇混合燃料的分析, 而对柴油—乙醇—植物油混合燃料的研究和分析较少。柴油—乙醇—植物油混合燃料既不同于石化柴油, 又不同于生物柴油, 笔者把柴油—乙醇—植物油按照一定比例混合, 进行台架试验, 以探求柴油—乙醇—植物油混合燃料对发动机动力性、经济性和尾气排放的影响[2]。

1 试验装置和试验过程

1.1 试验装置

试验装置主要为:四冲程单缸柴油机、水力测功器、发动机尾气分析仪、油耗测量仪、不透光度计和发动机综合试验台等。

柴油机为郑州金牛集团股份有限公司生产的ZH1100B型金牛牌节能柴油机。废气分析仪是广东省南海市南华仪器有限公司生产的NHA—500型废气分析仪。

1.2 实验过程

对比试验用油选用:0#柴油 (对照油) ;柴油、乙醇和植物油 (此试验选用花生油) 体积比为25∶4∶5的混合油 (以下称混合燃料) 。为了满足采集试验数据的准确性, 试验前, 用以上混合燃料对柴油机进行预热, 试验时让柴油机稳定在转速2 200 r/min, 水温达到80℃左右时, 用废气分析仪和测功器采集柴油机各工况下的数据。

在柴油机供油提前角为16.8°时, 测量柴油机从小负荷至满负荷的数据, 分析含氧燃料的经济性能和排放性能, 特别是高负荷 (7～12 k W) 时的数据分析。综合试验台架测定转速n、燃油消耗量kg/h、功率k W、油耗率g/k W·h;废气分析仪测量不透光度N, 光吸收系数K。通过数据分析, 研究试验选用油———混合燃料对柴油机的动力性、排放性和经济性的影响。

2 试验结果及分析

2.1 对柴油机燃油特性影响

图1是0#柴油和混合燃料在标定转速 (2 200 r/min) 下柴油机负荷特性图。可以看出, 不改变供油提前角 (16.8°) 对0#柴油、混合燃料在中、高负荷时的油耗率影响不大, 小负荷时, 在不改变供油提前角时, 混合燃料的油耗大于0#柴油的油耗率。分析其原因:一是混合燃料改变了燃烧过程的着火延迟期, 从而使其在小负荷时油耗率变化明显;二是由于低负荷时柴油机的温度比较低, 植物油的黏度大, 影响燃料的雾化, 使燃料不能充分燃烧, 引起柴油机指示热效率ηi减小, 造成在低负荷时混合燃料的油耗率大于纯柴油。在低负荷时, 混合燃料油耗率最大增幅为20%, 但随着负荷的增加, 发动机的热力状况逐步得到改善, 混合燃料的油耗率逐渐接近纯柴油的情况。这是由于随着柴油机温度的提高, 混合燃料雾化性能得到改善, 同时乙醇的汽化热变化不大, 其含氧特性得到发挥, 有助于燃料的燃烧, 促成柴油机指示热效率ηi和机械效率ηm提高, 使混合燃料的油耗率下降。在8～12 k W中高负荷时, 混合燃料的油耗率略低于纯柴油, 降幅在3%。

2.2 对柴油机排放特性的影响

从图2可以看到, 使用混合燃料后, 柴油机的不透光度、光吸收系数与使用0#柴油相比, 都有明显的降低, 且随着负荷增加, 效果趋于明显, 特别在高负荷时, 降幅最大为60%。在各工况下混合燃料排放的不透光度明显低于0#柴油。由于植物油和乙醇都为含氧原料, 0#柴油、乙醇与植物油掺烧可以降低柴油机排放的烟度。此种现象出现, 首先是由于乙醇的黏度和沸点比石化柴油低, 减少了易于产生碳烟排放的过浓混合区[3];其次加入乙醇、植物油后燃料的含氧量增加, 改变了燃料的燃烧环境, 有助于燃料的燃烧, 可抑制碳烟生成, 使燃料废气的不透光度值减小, 这种情况在中高负荷区尤其明显。在负荷值达到7 k W以后, 0#柴油、乙醇、植物油混合燃料, 燃烧废气的不透光度值低于0#柴油的燃烧废气不透光度值。由于乙醇中氧含量为34.8%, 在高负荷情况下燃烧时, 为燃料提供了更多的氧, 使燃烧更加充分, 从而降低了0#柴油、乙醇、植物油燃烧的废气不透光度值。同时, 粉尘颗粒排放减少。如对混合燃料柴油机的点火时间等参数进行优化匹配, 有可能得到更好的节能效果。

3 结论

柴油机使用柴油、乙醇、植物油混合燃料的动力性不会出现明显的变化, 且在中、高负荷时有所改善[4];使用柴油、乙醇、植物油混合燃料, 可有效地减少柴油机的烟度排放, 且在中、高负荷时效果更为明显, 最大降幅在60%。

柴油、乙醇、植物油混合燃料在排放特性上比传统的内燃机燃料有很多优势, 并且混合燃料满足柴油机的要求, 作为柴油的代用燃料, 可起到节油和减少排放污染的效果, 有助于缓解能源危机和降低环境污染, 具有独特意义。

摘要：针对含氧燃料对柴油机功率影响不大, 并能减少尾气排放的情况, 介绍了在单缸柴油机上, 对0#柴油、0#柴油—乙醇—植物油混合燃料进行的对比试验。结果表明, 在不改变供油角的前提下, 能够降低不透光度、光吸收系数, 最高降幅达60%, 并且在中、高负荷时可以降低油耗。由此得出含氧混合燃料具有降低环境污染和缓解能源危机的结论。

关键词：柴油机,0#柴油,混合燃料,对比试验

参考文献

[1]李冠峰, 段二虎.柴油—乙醇混合燃料配制试验研究[J].河南农业大学学报, 2003.37 (3) :297-310

[2]于世涛, 郭英男.柴油—乙醇混合燃料的性质及其对发动机性能的影响[J].上海交通大学学报, 2005, 39 (8) :1252-1256.

[3]刑元, 荛命发.乙醇与柴油混合燃料燃烧特性及排放特性的试验研究[J].内燃机学报2007, 25 (1) :24-29.

乙醇/水混合物 篇6

关键词：混合二元酸,动力学,酯化反应,硅钨酸

二元酸二乙酯为无色透明液体,具有毒性低,溶解能力强,能生物降解,沸点高,可作为高效环保溶剂[1],广泛应用于烟草、医药、橡胶、塑料、高档汽车烤漆、彩色钢板涂料、木器涂料、家电涂料等[2]。

混合二元酸二乙酯也可以作为医药、染料和香料行业中重要的有机中间体[3]、应用于分析仪器的固定液、高档涂料、作稀释剂[4]、化学反应的溶剂等等。

现在化工行业对这种混合二元酸酯需求快速增加,酯化反应是在不分水的情况下进行。同时建立了混合二元酸与乙醇酯化反应动力学速率方程模型,对工业生产具有一定的指导作用。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

混合二元酸 规格 Q/L-LHHSO5-98辽化金兴化工厂;无水乙醇 规格 GB/T678-2002;沈阳市新氏试剂厂;硅钨酸 规格QB.85-9-24 沈阳化学试剂厂;JB-3型定时恒温搅拌器 数显恒温水浴锅等。

1.2 二元酸与乙醇酯化反应的实验设计

先将一定比例的混合二元酸固体和无水乙醇分别加入两个烧瓶中并搅拌、预热到实验指定的反应温度,同时留有5～10mL左右的无水乙醇于另一烧瓶中,溶解一定量的硅钨酸预热待用。当原料酸、原料醇及催化剂溶液达到反应温度时,将原料醇迅速加入到原料酸中,同时加入催化剂溶液,开始计时,并控制温度,温差不超过±1℃。待反应液中固体酸全部融化后开始取样,为减少取样对反应体积的影响,每次取样量为1～2mL左右。之后每隔一定时间(半小时左右)取一个样品,所取样品迅速用湿毛巾进行降温、冷却,以便使样品反应液停止反应和测量准确。样品冷却后进行酸值测定分析。

由于所使用的原料酸是一种混合的二元酸,所以它的酯化规律很难从理论上简单清晰地说明,所以本试验安排3组条件实验,分别按一定的投料比,温度,催化剂用量对比着进行实验,以便考察酯化动力学的最佳反应条件。

具体的实验方案为:为了便于操作,所以采用常压间歇的酯化工艺过程。在酯化过程中采用硅钨酸作为催化剂,酯化的反应温度分别控制在70℃、75℃、80℃,酯化反应的酸醇投料比分别为1:2.5、1:4、1:5.5用水浴锅加热酯化反应器,避免温度过高或是过低难以控制。

在酯化反应过程中用微量移液管作为反应液的抽取器,在加入物料待物料反应达到指定的要求时便抽取一定量的料液,测量酸值、记录待用。

在全部的试验完成后,根据酯化反应的原理、动力学的计算公式、动力学的机理对数据进行必要的处理。通过一系列的工具软件和计算整理出有用的数据归档。通过初步建立动力学模型来反证数据的合理性。根据数据和动力学模型之间的误差在进一步修订初始模型并且对原有动力学模型的不合理的地方进行修改,最终确定生产混合二元酸二乙酯的酯化反应动力学模型。

1.3 建立动力学模型的基本假设

实验是研究混合二元酸和乙醇,在硅钨酸催化作用下的酯化反应动力学原理,为简化动力学模型,现对实验假设如下:

(1) 反应只在液相中进行,只有溶解的混合二元酸参加反应,并且混合二元酸研磨的足够细,搅拌充分,因不溶的混合二元酸均匀混合在均匀相中,视反应为拟均相反应;

(2) 反应体系中的固相,只有不溶的混合二元酸,对反应不产生影响,即固相混合二元酸的传质过程不影响反应步骤的进行;

(3) 反应过程中的样品取样量很小,可视该反应为恒容反应体系;

(4) 忽略除逆反应外其它副反应的影响。

2 结果与讨论

2.1 酯化反应结果的直观分析

温度、催化剂用量和投料比对反应转化率的影响最大,进行了三组条件实验。实验的直观结果分析见表1至表3。

由表2至表3 的结果可看出,反应温度为75℃,酸与醇投料比为1:4,催化剂用量为混合二元酸质量的2.0%,是反应的最优条件。

2.2 反应动力学模型方程的求解

由于酯化反应是可逆反应,正反应为$\text{A}+\text{B}\stackrel{}{\to }\text{D}+\text{W}$,即酸和醇的直接酯化, 逆反应为D+W(A+B,即酯的水解反应,其反应机理可简化为A+BD+W,酯化动力学初建模型形式如下:

$\begin{array}{l}r{}_A=-\frac{dC{}_A}{dt}=A{}_{0+}\times exp(-\frac{E{}_{\alpha +}}{R{\rm T}})\times C{}_A^{\alpha }\times C{}_B^{\phi }\times C{}_C^{\gamma }-A{}_{0-}\\ \times exp(-\frac{E{}_{\alpha -}}{R{\rm T}})\times C{}_A^{\delta }\times C{}_B^{\epsilon }\times C{}_C^{\xi }(1)\end{array}$

在这个模型中,rA表示混合二元酸中氢离子的反应速率,A表示混合二元酸中氢离子,B表示乙醇,C表示硅钨酸,D表示混合二元酸二乙酯,W表示水,a,b分别表示对应物质的反应级数。模型中需要确定如下参数:反应正、逆活化能,正、逆指前因子,各个浓度的反应级数。只要确定了如上参数,反应动力学方程的模型即可求出。

由于各物质的的反应级数a,b是未知的,所以本论文采用试差法,代入a,b值。因为现今研究酯化反应的相关文献中介绍酸、醇、酯、水的反应级数大多是1左右,所以a从0.8～1.4左右开始代值,又根据经验值,一个反应总反应级数一般不大于3,即a+a+b不大于3,所以b的范围一般在0.2～1.4。将每一次试差的数值代入模型中,按照后面介绍的方法求出动力学模型,再进行一系列的验证。经过几次试差和验证后最终后确定反应级数a=1.2,b=0.5。将反应平衡常数K代入动力学模型公式中,整理得到:

$\begin{array}{l}r{}_A=\frac{dC{}_A}{dt}=k{}_{+}C{}_A^{1.2}C{}_B^{1.2}C{}_C^{0.5}\frac{k{}_{+}}{{\rm K}}C{}_D^{1.2}C{}_W^{1.2}C{}_C^{0.2}\\ =k{}_{+}\left(C{}_A^{1.2}C{}_B^{1.2}\frac{k{}_{+}}{{\rm K}}C{}_D^{1.2}C{}_W^{1.2}\right)C{}_C^{0.5}(2)\end{array}$

由酯化反应简单的示意公式:

2A+2BD+2W

开始浓度 CA0 nCA0 0 0

反应的摩尔数$\text{C}{}_{\text{A}0}-\text{C}{}_{\text{A}}\text{C}{}_{\text{A}0}-\text{C}{}_{\text{A}}\frac{1}{2}\text{C}{}_{\text{A}}\text{C}{}_{\text{A}}$

末时刻浓度 CAn$\text{C}{}_{\text{A}0}-(\text{C}{}_{\text{A}0}-\text{C}{}_{\text{A}})\frac{1}{2}(\text{C}{}_{\text{A}0}-\text{C}{}_{\text{A}})\text{C}{}_{\text{A}0}-\text{C}{}_{\text{A}}$

得到下列公式:

$\begin{array}{l}r{}_A=\frac{dC{}_A}{dt}=k{}_{+}C{}_A^{1.2}[(n-1)C{}_{A0}+C{}_A]{}^{1.2}C{}_C^{0.5}\\ -\frac{k{}_{+}}{{\rm K}}\frac{1}{2.46}(C{}_{A0}-C{}_A){}^{2.4}C{}_C^{0.5}(3)\end{array}$

由于上式不是整数的幂次,积分上有很多的困难,故在此处就此式作一定的简化处理后再积分得到如下的积分式:

-∫k+dt=∫$\frac{dC{}_A}{\left(1-\frac{1}{2{\rm K}}\right)C{}_A^2+\left(nC{}_{A0}-C{}_{A0}+\frac{C{}_{A0}}{{\rm K}}\right)C{}_A-\frac{C{}_{A0}^2}{2{\rm K}}}(4)$

其中令p=1-1/2K、q=nCA0- CA0+CA0/K、z=- C${}_{\text{A}0}^2$/2K。

则得到:

$\frac{1}{\sqrt{q{}^2-4pz}}\ln \left(\frac{2pC{}_A+q-\sqrt{q{}^2-4pz}}{2pC{}_A+q+\sqrt{q{}^2-4pz}}\right)=y=-k{}_{+}t+C(5)$

即可求得y值,将求得的y值与相应的反应时间做y～t图。若该图呈线性关系,则该直线的斜率的负数即为k+。

由阿伦尼乌斯方程:

k=A×EXP(-Ea/R×T) (6)

等式两边取对数得:

lnk=lnA-Ea/(R×T) (7)

分别代入k+,k-后,两方程相减整理得到:

lnK=lnA-(Ea+-Ea-)/(R×T) (8)

作出不同的反应温度下lnK与1/T的关系曲线图,可求得正、逆反应活化能及表观指前因子,可得反应的最终模型:

$\begin{array}{l}r{}_A=-\frac{dC{}_A}{dt}=1.019\times 10{}^9\exp (-\frac{72717.15}{R{\rm T}})\times C{}_A^{1.2}\times C{}_B^{1.2}\times C{}_C^{0.5}\\ -4.159\times 10{}^5\times \exp (-\frac{252782.51}{R{\rm T}})\times C{}_A^{1.2}\times C{}_B^{1.2}\times C{}_C^{0.5}(9)\end{array}$

2.3 反应速率方程模型的验证

为了考查上述模型建立的正确性,将根据实验数据得到的反应速率(称作实验值)与由该模型计算得到的计算值进行比较。速率定义$r{}_A=-\frac{dC{}_A}{dt}$可知,由原始数据作出的一定温度下的氢离子浓度CA与反应时间t的曲线图上,作某一浓度时曲线的切线,此切线的斜率即为dCA/dt,取其负值即为该对应时刻的反应速率rA。CA～t关系曲线图所得出的方程,对方程中的时间求导数,得出一个方程,将一系列的反应时间代入这个方程中,得到的数值的负数就是相应的氢离子反应速率。现将一个反应的实验数据代入公式(2～9)中,得到另一组氢离子反应速率实验值,以反应时间为横坐标,rA的理论值与实验值为纵坐标作图,做了三个验证图,三个图实验条件是催化剂用量为2%,投料比为1:4,反应温度分别为80℃,为1号实验, 75℃为2号实验,70℃为3号实验,对比结果见图1～图3。

由上图可知,实验值与计算值基本正确,误差不大,说明建立的动力学模型可以看作合理。

3 结 论

(1)用硅钨酸作为催化剂,通过条件试验得到合成混合二元酸二乙酯反应的最佳条件是氢离子和醇的投料比为1:4,催化剂用量占混合二元酸总质量的2%,反应温度为75℃。

(2) 得到硅钨酸作为催化剂,制备混合二元酸二乙酯的酯化反应动力学速率方程模型为:

$\begin{array}{l}r{}_A=-\frac{dC{}_A}{dt}=1.019\times 10{}^9\exp (-\frac{72717.15}{R{\rm T}})\times C{}_A^{1.2}\times C{}_B^{1.2}\times C{}_C^{0.5}\\ -4.159\times 10{}^5\times \exp (-\frac{252782.51}{R{\rm T}})\times C{}_A^{1.2}\times C{}_B^{1.2}\times C{}_C^{0.5}\end{array}$

其中: Ea+=72717.15 (J/mol)

Ea-=52782.51 (J/mol)

(3)用硅钨酸作为催化剂合成混合二元酸二乙酯酯反应是在不分水的情况下进行。同时建立了混合二元酸酯动力学速率方程模型,对工业生产具有一定的指导作用。

参考文献

[1]刘国际,王艳军,鲁丰乐,等.固载磷钨酸催化合成混合二元酸二甲酯的研究.河南化工,2005,22(7):1-3.

[2]中国医药公司上海化学试剂供应站编.试剂手册.上海科学技术出版社,1985:454.

[3]于佰林,杨振宇,韩培慧,等.利用混合二元酸制备聚酯多元醇[J].精细化工,2002,19(5):273-275.

乙醇/水混合物 篇7

由于石油资源日趋短缺及其价格上涨和环境污染日益严重,发展低排放代用燃料已引起了世界各国重视。在众多的代用燃料中,乙醇的制取来源广泛,可大量生产,如可以由甘蔗、粮食等制得,属于可再生的能源,因而乙醇作为车用柴油机燃料不仅是未来十分有前景的石油替代燃料而且也是可以实现清洁燃烧的燃料。因而,柴油机燃用醇燃料来实现既减少柴油消耗又降低碳烟及NOx排放,已经成为目前热点研究课题之一。

本文研究了柴油-乙醇-水-乳化剂四元乳化液,在复合乳化剂的作用下,生成含氧燃料,形成W/O乳化液,在高温高压下形成团状微爆现象,也称“二次雾化”,可以有效地改善燃料与气体的有效混合,提高燃烧速度,有效降低NOx和碳烟的排放[1,2,3,4,5]。乳化液的黏度是基本的物性参数,直接关系到乳化液的应用和理论研究。在新型乳化剂作用下,乳化液燃料的流变特性研究鲜见相关报道。本文采用新型复合乳化剂,研究四元乳化液流变特性随含油量、含水量、乳化剂种类和含量的变化关系。

1 试验用乳化液和测量仪器

乳化液成分:0#市售柴油;工业无水乙醇(天津市天大化工实验厂);乳化剂为自行研发的非离子复合乳化剂,编号为No.1和No.2,其HLB值分别为3.8和5.4;水为自来水。

测量仪器:内切式高速分散器,型号GF-1,转速2 800～28 000 r/min,江苏海门市其林贝尔仪器制造有限公司生产;旋转黏度计,型号NXS-11A,成都仪表厂生产,测量范围为0.002 8～17 800 Pa·s,剪切应力为27.67～21 970 Pa,剪切速率为1.23～996 s-1,转速为5.6～360 r/min,测量精度±1%;表面张力仪,型号JZ-200A,测量范围0～199.9 mN/m,分辨率为0.1 mN/m,承德精密试验机有限公司生产。采用恒温器恒温时,物料温度为20℃。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂的流变性能

图1为两种乳化剂的流变特性。从图1可看出,乳化剂的流变性能曲线近似为直线,且过原点,因此可认为该乳化剂近似为牛顿流体。通过纵坐标与横坐标的比值即斜率,可以得出该乳化剂的黏度。同时测得各成分的黏度,柴油为3.2 mPa·s,水为1 mPa·s,乙醇为1.15 mPa·s,乳化剂No.1为1.04 Pa.s。乳化剂No.1的黏度约为水的1 040倍,乙醇的904倍,柴油的464倍。试验采用的乳化剂为非离子型亲油和亲水乳化剂进行复配而得,且仅由C、H、O元素构成,燃烧后不会形成新的污染源。由于乳化剂的类型不同,其黏度差异较大,乳化剂No.2的黏度为54.3 mPa·s,是No.1的5.22%。

2.2 乳化液的流变特性

为了研究乳化液流变特性,配制了若干种乳化液,并以D、E和W分别表示柴油、乙醇和水,其后紧跟的数字分别表示在乳化燃料中所占的质量分数。例如D80E10W10表示乳化燃料中柴油、乙醇和水所占的质量分数分别是80%、10%和10%。试验各组分的适用范围为:柴油50%～90%;水5%～25%;乙醇5%～25%;乳化剂以柴油、乙醇和水总质量的质量分数来计算,范围为1%～8%。试验分别采用No.1和No.2乳化剂,配制乳化液D90E5W5、D80E10W10、D70E15W15、D60E20W20和D50E25W25,研究乳化液流变特性随含油量、含水量、乳化剂种类和质量分数的变化关系。

2.2.1 柴油含量对乳化液流变特性的影响

分别以No.1和No.2为乳化剂,含量为2%时,考查柴油含量对乳化液流变特性的影响,结果如图2所示。从图2可看出,不同乳化剂的乳化液流变性能均近似直线且过原点,可以认为该乳化液近似为牛顿流体,这与以往认为该类乳化液是假塑性流体不一致[6]。尽管乳化剂含量较低,但含油量对乳化液流变性能有显著的影响,当乙醇和水的相对质量不变时,随着含油量的减少,乳化液黏度随之增大。因此,在考虑乳化液不同含量的柴油时必须考虑黏度的影响。乳化剂的加入,乳化液的黏度大于纯柴油的黏度。对比两种乳化剂,在柴油-乙醇-水相对质量相同时,No.1乳化剂的乳化液剪切应力比No.2的高,即No.1乳化液的黏度比No.2的大。分析其原因为:No.1乳化剂的黏度比No.2的大,且由于No.1乳化剂的H LB值很低,其亲油性更强,对油相吸附能力最强,使前述微团的尺寸增大,增加连续相变形难度,明显增大了乳化液的黏度。

2.2.2 乳化剂含量对乳化液流变性能的影响

试验中考察了两种乳化剂含量对乳化液流变性能的影响。乳化液中各相组分分别为D90E5W5、D80E10W10、D70E15W15、D60E20W20和D50E25W25;乳化剂的质量比分别为1%、2%、3%、5%、8%。大量的试验数据表明:流变性能的趋势基本相同,为节省篇幅,下面以乳化剂No.1为例,考察乳化剂含量对D80E10W10和D60E20W20乳化液流变性能的影响,结果如图3所示。从图3可看出,对于同一乳化剂No.1,在不同组分的乳化液中随着乳化剂含量的增加,乳化液的黏度随之增大。对比两种乳化液的组分可看出,D80E10W10乳化液的流变性能随乳化剂含量的增加而增大,但其变化幅度不大;而D60E20W20乳化液的流变性能随乳化剂含量的增加而显著增大,其变化幅度明显高于D80E10W10。说明对于含油量较低的乳化液,随乳化剂含量的增加对乳化液流变性能的影响越明显;含水含醇量越大的乳化液,乳化剂含量的增加对乳化液黏度增大越明显。

2.2.3 含水量对乳化液流变性能的影响

以乳化剂No.2为例,在乳化剂质量比分别为2%、5%时,考察含水量对乳化液流变性能的影响,结果如图4所示。由图4可看出,含水量对5种不同乳化液的流变性能有显著的影响,随着含水量的增加,黏度变大,特别是在乳化剂含量为5%时更显著。当含水量由5%增加至15%时,乳化液黏度增加不显著;当含水量高于20%时斜率增大,即乳化液黏度显著增大。

2.2.4 乳化剂黏度对乳化液流变性能的影响

乳化液的黏度与乳化剂的黏度直接相关,在试验中发现,对于组分相同的乳化液,即使乳化剂的含量相同,若采用高黏度乳化剂,其乳化液黏度也高。试验测量了不同乳化液的流变特性,乳化液分别采用No.1和No.2乳化剂,其质量比分别为8%、5%、3%、2%和1%。图5列出了D70E15W15乳化液采用两种乳化剂时的流变特性。对于相同组分的乳化液,当乳化剂含量为1%时,No.1的乳化液黏度比No.2的略高,但当乳化剂含量达到8%时,No.1的乳化液黏度明显高于No.2,进一步验证当乳化剂增加时,其乳化液的黏度迅速增大且增幅较大。

3 乳化液的表面张力

表面张力表征乳化液的流动状态,直接影响乳化燃料的喷雾性能。试验对两种乳化剂不同乳化液的表面张力进行了测定。图6为D70E15W15乳化液表面张力随不同乳化剂含量的变化关系。从图6可知,乳化液的表面张力随乳化剂含量的增加呈下降趋势,其值在26～40 mN/m之间。对照水、乙醇、柴油的表面张力,在20℃时分别为72.9、23.5、27 mN/m左右,此乳化液的表面张力与纯柴油相近。

4 结论

(1)乳化液在本试验组分配比下近似牛顿流体,乳化液的黏度随着乳化剂含量和黏度的增加而增大。

(2)乳化液的黏度随着水和乙醇含量的增加而增大,当乳化剂含量小于3%时,乳化液的黏度随着乳化剂含量的增加缓慢增大;当乳化剂含量高于5%时,乳化液的黏度随着乳化剂含量增加增幅较大。

(3)当乳化液中“水”相含量和乳化剂含量均较低时,柴油、乙醇和水乳化液黏度略高于柴油;当乳化液中“水”和乳化剂含量均比较高时,乳化液的黏度比柴油大4～8倍。

(4)乳化液的表面张力接近柴油,且随乳化剂含量的增加呈下降趋势。

参考文献

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乙醇/水混合物 篇8

关于纯水和乙醇的饱和蒸汽压已有报道[6],而对于乙醇-水复合溶剂和对氨基苯酚-乙醇/水复合溶剂体系的饱和蒸汽压目前尚未见报道。本工作在363～423K条件下,采用静态法测定了质量分数为55%的乙醇-水复合溶剂(以下简称试样1)及质量分数为25%的对氨基苯酚-乙醇/水复合溶剂体系(以下简称试样2)的饱和蒸汽压。

1 实验部分

1.1 原材料

对氨基苯酚晶体:纯度大于98.5%,由安徽省蚌埠化工厂生产。乙醇:优级品,由沈阳市新化试剂厂生产。

1.2 实验装置及方法

装置 实验装置与文献[7]的相似,由平衡釜(100mL)、恒温槽、测温和测压装置等组成。通过恒温槽、加热器和温度控制器来控制平衡釜。以硅油为介质,在其中装有加热器和铂电阻温度传感器。

方法 用真空泵将平衡釜抽真空,充入氮气至0.05MPa,再抽真空,反复3次以除尽釜内空气。室温下加入50mL试样于平衡釜中,然后加热至363K恒温。经磁力搅拌约1h,待釜内压力稳定后计数,此数即为试样在该温度下的饱和蒸汽压。改变温度,测量不同温度下试样的饱和蒸汽压。

用该装置测量乙醇的饱和蒸汽压,并与文献值[6]进行对比,结果见表1。

由表1可知,实验值与文献值的偏差很小,说明可用该装置进行不同试样的饱和蒸汽压测定。

2 结果与讨论

2.1 试样1的饱和蒸汽压

为了计算不同温度下试样的饱和蒸汽压,常用Antoine方程[8]对实验数据进行拟合。Antoine方程为

undefined, (1)

式中:P为溶剂在一定温度(T)下的饱和蒸汽压,Pa;A,B,C为常数。

用最小二乘法分析软件拟合试样1的常数A,B,C,其结果依次为16.042,-3305.400,-64.496,相关系数为0.99997。拟合得到试样1饱和蒸汽压计算值(见表2)。

由表2可知,计算值与实验值的平均偏差为0.60%,最大偏差为 1.27%,这表明利用Antoine方程可以很好拟合实验数据。

2.2 试样2的饱和蒸汽压

在363～423 K条件下,采用Antoine方程对试样2的实验数据进行拟和,得到常数A,B,C分别为10.525,-605.260,-269.020,相关系数为0.99994。拟合得到试样2的饱和蒸汽压计算值,其结果见表3。

由表3可知,计算值与实验值的平均偏差为0.95%,最大偏差为2.30%,完全符合饱和蒸汽压与温度关系的热力学规律。

2.3 方程模拟结果及饱和蒸汽压数据比较

由图1可知,在相同温度下,因水的饱和蒸汽压小于乙醇,所以试样1的饱和蒸汽压曲线低于纯乙醇;当在试样1中加入质量分数为25%的对氨基苯酚(即试样2)后,其饱和蒸汽压进一步降低,然而它们的饱和蒸汽压曲线均符合Antoine方程。

■—乙醇;●—试样1;▲—试样2

3 结论

a.在363～423K条件下,采用静态法测定了试样1和试样2的饱和蒸汽压数据。

b.用Antoine方程对实验数据进行了非线性回归。试样1的常数A,B,C依次为16.042,-3305.400,-64.496,相关系数为0.99997。试样2的上述各值依次为10.525,-605.260,-269.020,0.99994。

c.试样1的计算值与实验值的平均偏差为0.60%,最大偏差为 1.27%。试样2的分别为0.95%,2.30%。

摘要：在363～423 K条件下,采用静态法测定了质量分数为55%的乙醇-水复合溶剂(以下简称试样1)及质量分数为25%的对氨基苯酚-乙醇/水复合溶剂体系(以下简称试样2)的饱和蒸汽压。用Antoine方程对实验数据进行了非线性回归。结果表明,试样1的Antoine方程常数项A,B,C依次为16.042,-3 305.400,-64.496,相关系数为0.999 97。试样2的上述各值依次为10.525,-605.260,-269.020,0.999 94。试样1的计算值与实验值的平均偏差为0.60%,最大偏差为1.27%;试样2的分别为0.95%,2.30%。

关键词：对氨基苯酚,乙醇-水复合溶剂,饱和蒸汽压,Antoine方程,平均偏差,最大偏差

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