甲醇柴油互溶实验

目录 第一部分  前言    1 1.1甲醇-柴油互溶实验的产生    1 1.2 甲醇-柴油的节能、环保机理    1 1.2.1 节能机理    1 1.2.2 环保机理    1 1.3 传统甲醇-柴油的研究情况    2 1.4 传统甲醇-柴油存在的问题    2 1.5 微乳燃油的形成机理及优势    2 1.6展望    3 第二部分  实验    4 2.1 实验仪器    4 2.2 实验方法    4 2.2.1甲醇与柴油的理化性质    4 2.2.2助溶剂种类对甲醇与柴油的互溶性的影响    4 2.2.3温度对甲醇柴油互溶性的影响    5 2.2.4助溶剂复配作用下甲醇柴油的的互溶性    5 2.2.5温度对复配用量的影响    5 第三部分  结果与讨论    5 3.1 实验数据结果    5 3.2数据分析    6 3.2.1单个助溶剂的影响    6 3.2.2温度的影响    7 3.3.3复配作用下的影响    7 3.3.4温度对复配作用的影响    7 第四部分  结论    8 参考文献：    8 第一部分  前言 1.1甲醇-柴油互溶实验的产生 随着国民经济的快速发展，对能源的需要日趋增大。柴油作为大功率内燃机的主要燃料，常有供不应求局面出现。虽然国际原油价格近期暂时回落，但从长远来看，原油资源总有枯竭。而且柴油机尾气中颗粒物、氮氧化合物和碳氢化合物的含量很高，污染环境，严重损害人体健康，因此研究开发清洁可再生能源是国家立项研究的重要课题。醇类燃料作为重要的可再生燃料是近年来人们研究的最大热点，其中甲醇燃料由于可由煤、天然气直接转化得到尤受人们重视。甲醇与汽油和柴油的比较接近，具有燃烧性能良好、热效率高、比能耗低、排放的颗粒物和氮氧化物(NOX)含量低[1] 、来源广泛，价格低廉等优点. 甲醇在柴油机上的应用主要方法有乳化液法、混合燃料法、熏蒸法、双燃料喷射系统法。乳化燃料的历史较长，20 世纪60 年代开始对柴油-水乳化燃料进行广泛研究，但是由于甲醇和柴油极性上的巨大差异，要实现甲醇与柴油的溶解，形成稳定均匀的混合燃料，必须在原有的甲醇-柴油体系中加入一定比例的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面活性剂、助溶剂，使两者能够充分混溶，并保持稳定。该混合燃料不仅价格低廉，解决了柴油短缺的问题，而且燃烧后废气的排放也大幅度减少，可以作为一种清洁能源，替代现有的柴油直接用于民用和工业生产，具有十分广阔的应用前景。 1.2 甲醇-柴油的节能、环保机理 1.2.1 节能机理 乳化油作为燃料，在节能方面目前公认的机理为微爆理论[2]。①微爆作用，对于油包水型的微乳液，由于甲醇的沸点低于燃油沸点 (130 ℃以上)，当油表面燃烧时,内部甲醇受热并汽化,体积急剧膨胀,产生的巨大压力使油滴爆破，油滴进一步微粒化，形成“二次雾化”，油和空气的接触面积大幅度增加，提高了燃烧效率，达到节能的效果。②加速燃烧反应，甲醇在汽化过程中，分子中的 OH 基团活性大大增强，一氧化碳尽可能完全燃烧。相当于“水煤气反应”，从而加速燃油裂解所形成焦炭的燃烧，抑制了烟尘的生成。 1.2.2 环保机理 一般柴油机中产生碳氢化合物的主要原因是混合不均匀，及燃烧不良所致一氧化碳是一种不完全燃烧产物，生成柴油机碳烟，概括地说是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的[3]。乳化柴油能发生“二次雾化”，其雾化质量是任何柴油机喷嘴都难以达到的，它使柴油分子与高温空气的混合更均匀，燃烧环境的改善能显著减少烟尘排放。氮氧化合物是柴油机的主要污染物，其生成过程在温度大于1600℃的条件下，进一步氧化生成。可见温度、氧浓度在生成过程中起着重要作用[3]，一般认为，当温度高于1600℃时，氮氧化合物的生成 才比较明显。与纯柴油相比，乳化柴油能更充分的燃烧，使得烟气中未反应的氧气大大降低，也减少了氮氧化合物的生成机会。 1.3 传统甲醇-柴油的研究情况 传统的甲醇-柴油燃料，以柴油为主要原料，在表面活性剂和助溶剂的作用下，加入一定比例的甲醇，得到均质的白色或黄色乳状液, 此项技术，在国外起步较早，至今已取得较大进展。近几年来，由于我国能源问题的凸显，甲醇-柴油的研究发展迅速，现已开发出许多种甲醇-柴油配方，有多项科研成果和发明专利产生，并正在向实用化和市场化的方向前进，例如楚宜民[4]等研制的甲醇-柴油混合燃料，在柴油机结构不变的情况下，把甲醇、柴油、OP 乳化剂、其他助剂按体积比 15:80:2.5:2.5 混合,混合燃料平均节油率达 9.5 %，在中、高负荷下节油率平均达 12.4 %。在中、高负荷范围内燃用混合燃料的烟度均低于燃用柴油时，下降达 25.6%，NOx 的排放值显著降低。还有，通常会加入一定量的助溶剂，比如中碳醇 [5]、基础油[6]等，合适的助表面活性剂可以调节微乳液的 HLB 值、分子排列参数、表面活性剂单分子膜的粘弹性，进一步降低界面张力，从而可大大提高表面活性剂的增溶能力，加入甲醇的比例最高可达到 50% 以上[7]，形成的乳化液稳定时间更长，低温下不会出现分层。并研究了复合乳化剂的 HLB 值、乳化温度、极性添加物、混合方式、乳化时间、甲醇纯度等对乳状液稳定性的影响。如与其它乳化技术比较，超声波乳化可使液滴分散细而分布窄，分散效果好，增加乳液的稳定性[8]。再经实验得出复合表面活性剂的值在 2.8～3.3时，所制得的甲醇-柴油乳状液稳定性最好[9]。 1.4 传统甲醇-柴油存在的问题 目前，甲醇-柴油在开发、生产和应用仍存在一些有待攻克的技术问题，如：甲醇加入柴油后的混融和分层问题，甲醇燃烧不充分产生甲醛的问题，如何使甲醇大比例加入的问题，甲醇-柴油的动力下降和速度冲击问题，应用中甲醇-柴油对油路及气缸金属部分的腐蚀问题、以及对橡塑件的腐蚀和溶胀问题等。另外，甲醇-柴油中，虽然甲醇非常廉价易得，但表面活性剂和助溶剂用量较大，而且价格昂贵，这就造成甲醇-柴油的成本较高，降低了甲醇-柴油的实用价值。所以寻求价格低廉、乳化效率高的表面活性剂，仍然是函待解决的问题。 1.5 微乳燃油的形成机理及优势 微乳液是由油、甲醇或水、表面活性剂、助表面活性剂组成，其粒径约为 10～100 nm。微乳状液之所以能形成，一般认为在表面活性剂的作用下体系产生了负界面张力，从而使液滴的分散过程自发地进行。质点的热运动使质点易于聚结，一旦质点变大，则又形成临时的 负界面张力，从而又必须使质点分散，以扩大界面面积，使负界面张力消除，而体系达到平衡。因此，微乳状液是稳定体系，分散质点不会聚结、分层[10]。与乳化燃油相比, 微乳燃油有如下优点: (1)粘度适中，微乳燃油的粘度与末掺水燃油粘度相差不大。而乳化燃油为了延长稳定储存的时间，有时要加入增粘剂，达到稳定目的，这样不利于燃油雾化，影响内燃机点火效率。(2)长期稳定，微乳液是一种热力学稳定体系，能自发形成，粒径小，可达 到长期稳定。(3)制备简单，由于微乳液可自发形成，因此无需强力搅拌，而乳状液通常对乳化装置较为严格。(4)微乳燃油燃烧效率高，有害废气排放量明显低于乳化燃油。微乳油节油率为 5%～15%，排气温度降低 20%～60%,烟度降低 40%～77%，氮氧化合物和一氧化碳排放量约为一般汽油的 25%，在节能、环保和经济效益上都有较可观效果。 1.6展望 未来甲醇-柴油混合燃料的发展趋势可能会集中于以下几个方向。(1) 结合表面活性剂 的作用机理，考虑其亲水基和亲油基的结构，合成出新型的高效乳化剂，能够使甲醇与柴油 任意比例混溶，制备不同配比的、稳定的、色泽接近柴油近乎透明的微乳化柴油。(2) 在理 论方面，微乳状液的形成机理中，负界面张力的说法虽然能解释微乳化柴油的稳定性，但却 缺乏理论与实践的基础，需要进一步通过实验加以证明,。(3) 从应用的角度来看，甲醇-柴油推广困难，主要是因为价格偏高，不仅有表面活性剂、助溶剂、还有燃烧改进剂、冷气动剂、抗爆震剂、腐蚀抑制剂、防氧化剂等理化性能改进剂。而大多数问题都是由于甲醇的化学活泼性引起的，因此，通过将甲醇改性后，再制成燃料，将会成为今后甲醇-柴油的发展方向之一。(4) 从市场的角度看，甲醇-柴油需要寻找到正确的市场定位，不仅可以用于工业锅炉、内燃机燃油，对于热量、设备 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 不高的产业，如餐饮业等，也适用于采用甲醇比例大、发热量较低的甲醇-柴油，研制能够满足生产、生活各方面需要的一系列的甲醇-柴油，也将是该市场成熟的标志之一。(5) 近年来，由于生物柴油的可再生性、优良的环保特性、点火性能好、燃烧更充分和可任意比例与柴油混合使用，以及效益优势[11]等原因, 生 物柴油产业发展迅速，可将生物柴油、或者柴油和生物柴油混合后与甲醇乳化，进一步开发 出新的清洁替代能源。 第二部分  实验 2.1 实验仪器 仪器：滴定管，三角瓶或烧杯，恒温水浴，量筒，胶头滴管，计时器 药品：柴油，甲醇 助溶剂————正丁醇，油酸，正辛醇 2.2 实验方法 2.2.1甲醇与柴油的理化性质 甲醇与柴油燃料的理化性质参数对比见表2.1。甲醇分子(CH3OH)结构简单,含氧量高,因此与柴油混合燃烧可以有效降低烟度和CO的排放。但是甲醇与柴油性质差异较大,难以互溶。为了保证甲醇/柴油混合燃料性质稳定且不分层,必需选用合适的助溶剂。 表2.1  柴油、甲醇的理化特性对比 化学式 C1O.8H18.7 CH3OH 分子量 148.3 32.0 密度/kg·m3 0.86 0.796 低热值/MJ·kg-1 44 19.678 参数 柴油 甲醇 蒸发潜热/kJ·kg-1 260 1110 自然温度/℃ 200~220 470 十六烷值 45 5 C含量/% 86 37.5 H含量/% 14 12.5 O含量/% 0 50       2.2.2助溶剂种类对甲醇与柴油的互溶性的影响 在室温条件下，称取甲醇体积4ml，柴油21ml于烧杯内，形成分层的液体。用正丁醇进行滴定，直到甲醇柴油混合溶液出现澄清透明为止，并记录正丁醇消耗的体积。 多次重复以上操作，并分别用油酸，正辛醇替代正丁醇进行滴定，并分别记录消耗的体积。研究它们单独存在时对甲醇柴油互溶性的影响。 2.2.3温度对甲醇柴油互溶性的影响 称取甲醇体积4ml，柴油21ml，正辛醇2ml于烧杯内，形成分层液体，将烧杯置于20℃下的恒温水浴锅内，同时打开计时器，直到柴油甲醇混合溶液出现澄清透明为止，并关闭计时器，记录消耗时间。 多次重复以上操作，并改变水浴温度，分别测得30℃，36℃，40℃下消耗的时间，并记录。研究温度对甲醇柴油互溶性的影响。 2.2.4助溶剂复配作用下甲醇柴油的的互溶性 为了进一步降低助溶剂用量, 我们考察了以上几种助溶剂及它们与低分子醇复配时的助溶效果。 在室温条件下，称取甲醇4ml，柴油21ml于烧杯内，用正辛醇和油酸复配进行滴定，直到甲醇柴油混合溶液出现澄清透明为止，并记录二者消耗的体积。 多次重复以上步骤，并分别用正辛醇和油酸，正丁醇和正辛醇进行复配，记录其消耗的体积。 2.2.5温度对复配用量的影响 量取甲醇4ml，柴油21ml，正辛醇2ml于烧杯中，将烧杯置于20℃下的恒温水浴中，再添加油酸，直到甲醇柴油溶液出现澄清透明为止，并记录油酸消耗的体积。 多次重复以上操作，并改变水浴温度，分别测得30℃，36℃，40℃下消耗的油酸用量，并分别记录油酸的消耗体积。 第三部分  结果与讨论 3.1 实验数据结果 表3.1 不同种类助溶剂的消耗量 室温 正丁醇 油酸 正辛醇 甲醇4ml 柴油21ml 用量（ml） 4.2 6.8 3.0           表3.2 温度对甲醇柴油互溶性的影响 温度（℃） 20 30 36 40 甲醇4ml 柴油21ml 正辛醇2ml 用时（s） 2211 225 114 93             表3.3 助溶剂复配作用下的用量 复配 正丁醇+油酸 正辛醇+油酸 正辛醇+正丁醇 甲醇4ml 柴油21ml 用量（ml） 3+1.5 2+1.8 1+3           表3.4 温度对复配用量的影响 温度（℃） 20 30 26 40 甲醇4ml 柴油21ml 正辛醇2ml 油酸用量（ml） 2.3 1.9 1.7 1             3.2数据分析 3.2.1单个助溶剂的影响 由表3.1得下图3.1 图3.1 由上图知对于使一定比例的甲醇柴油混合溶液正辛醇用量最小，最容易改变甲醇柴油的互溶性，正丁醇次之，油酸最弱。 3.2.2温度的影响 由表3.2得下图3.2 图3.2 由图3.2知对于一定比例的甲醇柴油混合溶液，加入一定量的助溶剂，温度升高，甲醇柴油互溶所需时间减少。可见，温度对甲醇柴油互溶性的影响是不可忽视的。这是因为随着温度的升高, 分子能量增加, 分子热运动也更加剧烈, 有助于分子的扩散和分散。因此, 温度的升高, 有利于甲醇的溶解, 从而提高助溶剂的作用效果 3.3.3复配作用下的影响 由表3.3与表3.1对比，助溶剂用量明显减少，可见助溶剂之间有较为明显的协同作用，能够加快甲醇柴油的互溶。 3.3.4温度对复配作用的影响 由表3.4得图3.4 图 3.4 由图3.4可知温度的升高能降低复配助溶剂的用量，提高助溶剂的作用效果。 第四部分  结论 由于分子极性差异很大, 在一般情况下, 甲醇和柴油是难以实现互溶的, 但是在助溶剂的作用下, 却可以实现甲醇和柴油的良好溶解。通常长链脂肪醇具有良好的助溶性能, 而多种助溶剂的复配可以产生协同效应, 提高助溶效率。温度对助溶剂作用效果影响显著, 温度升高, 助溶剂用量明显减少, 温度降低, 则助溶剂用量明显增加。 参考文献： [1] 吴冠京, 车用清洁燃料[M]. 北京: 石油工业出版社. 2004: 335. 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