燃烧学讲义第五章可燃液体的燃烧

1、.第5章 可燃液体的燃烧5.1液体燃料的燃烧特点目前，液体燃料的主体是石油制品，因此讨论液体燃料的燃烧主要涉及燃油的燃烧。液体燃料的沸点低于其燃点，因此液体燃料的燃烧是先蒸发，生成燃料蒸气，然后与空气相混合，进而发生燃烧。与气体燃料不同的是，液体燃料在与空气混合前存在蒸发汽化过程。对于重质液体燃料，还有一个热分解过程，即燃料由于受热而裂解成轻质碳氢化合物和碳黑。轻质碳氢化合物以气态形态燃烧，而碳黑则以固相燃烧形式燃烧。根据液体燃料蒸发与汽化的特点，可将其燃烧形式分为液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧和雾化燃烧四种。液面燃烧是直接在液体燃料表面上发生的燃烧。若液体燃料容器附近有热源或火源，则在辐射和对

2、流的影响下，液体表面被加热，导致蒸发加快，液面上方的燃料蒸汽增加。当其与周围的空气形成一定浓度的可燃混合气、并达到着火温度时，便可以发生燃烧。在液面燃烧过程中，若燃料蒸汽与空气的混合状况不好，将导致燃料严重热分解，其中的重质成分通常并发生燃烧反应，因而冒出大量黑烟，污染严重。它往往是灾害燃烧的形式，例如油罐火灾、海面浮油火灾等。在工程燃烧中不宜采用这种燃烧方式。灯芯燃烧是利用的吸附作用将燃油从容器中吸上来在灯芯表面生成蒸汽然后发生的燃烧。这种燃烧方式功率小，一般只用于家庭生活或其它小规模的燃烧器，例如煤油炉、煤油灯等。蒸发燃烧是令液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时所放出的一部分热量（如高温

3、烟气）加热管中的燃料，使其蒸气，然后再像气体燃料那样进行燃烧。蒸发燃烧适宜于粘度不太大、沸点不太高的轻质液体燃料，在工程燃烧中有一定的应用。雾化燃烧是利用各种形式的雾化器把液体燃料破碎成许多直径从几微米到几百微米的小液滴，悬浮在空气中边蒸发边燃烧。由于燃料的蒸发表面积增加了上千倍，因而有利于液体燃料迅速燃烧。雾化燃烧是液体燃烧工程燃烧的主要方式。对于不同的液体燃料，应依据其蒸发的难易程度不同的雾化方式。易蒸发液体燃料的雾化（例如汽油）往往采用“汽化器”来实现。对于比较难蒸发的液体燃料，通常是使用某种喷嘴来实现雾化。5.2液体蒸发5.2.1液体蒸发的一般概念一切物质都是在不断地运动着，蒸发也是物

4、质运动的一种形式。物质由液态变为气态的过程成为气化。蒸发和沸腾都是液体的气化现象，但蒸发一般指低于沸点的条件下在液体表面进行的气化，而沸腾则指液体在沸点时的剧烈气化。蒸发只在液体的表面进行，而沸腾时液体的表面和内部同时进行强烈的气化，因而液体出现翻滚现象。蒸发是液体表面分子运动的表现。在常温下，一切有自由表面的液体一直都在进行蒸发，不过速度有快有慢。如果将一种液体放进密闭容器中，从液体表面蒸发出的分子便会逐渐聚积在容器内的蒸气层中。这些分子中也有少量由于撞击其他分子或器壁而又重新进入液体。在开始阶段，由于从表面逸出的分子多于返回液体的分子，容器内液体的蒸气压逐渐上升。温度保持不变时，容器内液体

5、气压的上升是有限度的。当蒸气压达到某一定值时，单位时间内从液面逸出分子的数量恰好等于返回液面分子的数量，此时液相与气相保持相对的气液平衡（称为动态平衡），这种现象我们称之为饱和状态。此时的蒸气称为饱和蒸气，饱和蒸气产生的压力称饱和蒸气压，有时也简称蒸气压。一种物质在一定温度下的饱和蒸气压值是不变的，例如，水在20时的饱和蒸气压为2.33kPa。各种纯物质液体在不同温度下的饱和蒸气压可在标准手册中查阅到。一种液体气化的难易程度称为该液体的蒸发性或挥发性。显然，液体在一定温度下的饱和蒸气压愈大，表示该液体的蒸发性愈高。对纯物质来说，饱和蒸气压只决定于液体的性质和温度，与该物质在气相、液相中的数量无

6、关，例如在纯物质的气液平衡系统中抽去若干蒸气，液体将自动蒸发一部分，以恢复原有的压力而达到平衡。反之，如自外界加入一部分该蒸气，则将有部分蒸气凝结，最后仍将恢复到原来的饱和蒸气压。然而，当系统由不纯物质如石油产品组成时，则液体的蒸气压不仅决定于液体的组成和温度，而且还和系统中蒸气和液体的数量比例有关。当平衡的气液相容积比例增大时，由于液体中轻质组分大量蒸发而使液相中轻质组分的浓度降低，蒸气压因而也随着降低。温度升高时，分子的平均动能增加，具有逸出液体表面能力的分子数也增加。同时，由于膨胀而使液体分子间的引力减弱，具有较小能量的分子也可能从液体逸出。这两种因素同时作用的结果，使单位时间内从单位表

7、面上逸出的分子数大为增加。因此，只有在更高的蒸气压力下，才能达到液体与蒸气的平衡。所以液体的饱和蒸气压总是随着温度的升高而显著增大。几种液体的饱和蒸气压与温度的关系见图5-1。从图上可以看出，温度升高时，各种液体的蒸气压均增大。但增大的程度不同。当液体的蒸气压等于外界的大气压时，液体开始沸腾，与此相应的液体温度称为该液体的沸点。液体的蒸发能在任何温度下进行，但外界气压不变时，沸腾却只能在一定的温度下发生。纯物质均有固定的沸点。含有多种组分的液体的沸点随其组成的不同而具有一定范围。200180160140120100806040200-10 0 40 80 120 160 200 240 1 2

8、 3 4 5 6 7 81（C2H5）2O；2CH3OH；3C6H5OH；4C6H6；5H2O；6n-C7H16；7C6H5Cl；8C6H5I温度/饱和蒸气压ps（kPa）图5-1 某些液体的饱和蒸气压与温度的关系液体的沸点随外界压力的增加而升高，当外压减小，沸点相应地降低，这从图51中也很易看出。当不指明压力时，一般所称沸点均指液体在标准大气压（101.3KPa）下的沸点。一般在常温下具有较高蒸气压的液体，其沸点较低。由于沸点较蒸气压易于测定，而且与蒸气压常呈有规律的变化，因此人们经常使用沸点代替液体的饱和蒸气压来说明液体的蒸发性高低。显然，沸点愈低的液体，其蒸发性愈高。5.2.2蒸发的动力

9、学基础液体的蒸发实际上包括三个过程：气化过程液体分子从液面逸出成为蒸气分子；扩散过程逸出的蒸气分子在气相介质中分散开来；凝结过程部分逸出的蒸气分子经碰撞后重新被液面吸收。燃料蒸发的程度，决定于逸出液面的分子数与重新被吸回液面的分子数之差。这个差数越大，燃料蒸发的程度就越大。燃料的蒸发速度（单位时间内单位面积上蒸发的数量）则不仅决定于该燃料的气化和凝结过程，而且和逸出分子的扩散过程有密切关系。当液体蒸发时，位于液体表面层的分子由于热运动，克服了相邻分子对它的引力，离开液面，进入周围空间而变为自由蒸气分子。应该看到，不是液体表面所有分子都能自由地变成蒸气分子，只有在某一瞬间具有超过一定速度的那些分

10、子才能顺利地逸出液体表面。这些分子对液面的法向速度分量，必须大到一定程度，使这些分子能够克服液体内相邻分子对这些分子的引力。如以m表示液体分子的质量，ux表示垂直于液面的x轴上分子运动的速度分量（即法向分量），为液体分子逸出表面层所作的功，则可以看出，液体分子蒸发时必须满足下列条件： （5-1） 即分子的动能应等于或大于。假定液体在真空条件下蒸发，即气化后不致因碰撞而被吸回液面，这种情况称为自由蒸发。在自由蒸发条件下，根据表克斯韦尔速度分布公式，可以计算出在1s内，在表面层1cm3容积内液体分子中具有速度超过ux的分子数目。舒列依今根据上述原理计算出在自由蒸发时，液体分子蒸发的速度，即每秒内自

11、每平方厘米液面上蒸发出去的分子数n0应为 （5-2）式中N阿佛加得罗常数；液体的比体积（单位质量的体积）；液体的摩尔质量；R气体常数；li每摩尔液体的蒸发潜热；T绝对温度，K。因此，在自由蒸发时，单位时间内自单位面积上蒸发出的液体质量w应为 （5-3）式中表示该液体的密度。如对该式加以修正，考虑蒸气分子本身所占容积时，则所得结果与实验数据极为相符。自由蒸发只是在理论上具有一定的意义。在实际工作中，液体表面上总是有空气或本身的蒸气分子存在，因而液体分子在蒸发出液面后不得不碰撞其他分子。在多次碰撞之后，有部分分子被撞回液面。由于液体表面结构具有某些类似固体的性质，它的表面也具有一定的“刚性”。不是

12、所有被撞回液面的分子都被吸收，而是只有部分被吸收，其余部分被弹回而仍处于蒸发状态。假设在液体表面每立方厘米气相层中有C0个蒸气分子，则单位时间内在单位面积液面上所发生的蒸气分子撞击次数为Z。 （5-4）式中j为常数。假定在每次撞击中有一次被吸回液面，则在单位时间内每平方厘米表面上被吸回液面的分子数为 （5-5）当蒸发继续进行，直到平衡状态，即蒸发出去的分子数等于被吸回的分子数，此时蒸气达到饱和状态。饱和状态下的蒸气浓度称饱和蒸气浓度Cs，这时的蒸气压力称饱和蒸气压力Ps。在饱和状态下 （5-6）由上式及式（5-2），可以得出 （5-7）或 （5-8）即从饱和蒸气浓度和蒸发潜热li可以计算出撞合

13、系数1/。由上述推导也可以计算出在各种情况下，单位时间内在液体表面层每平方厘米表面内蒸发出去的分子数n，此时 （5-9）将式（5-8）中代入上式后得出 （5-10）由于蒸气分子的浓度通常可以用它们相应的蒸气压表示，故式（5-10）可以写成蒸气压形式： （5-11）如计算成单位时间内单位面积上蒸发出去的液体质量即蒸发速度则为 （5-12）这便是纯液体蒸发的重要公式。从式中可以看出，液体的蒸发速度决定于液体的温度，在该温度下液体的密度、摩尔蒸发潜热和液体在气相中的分压与该液体的饱和蒸发压之比。从式（5-12）可见，不同液体的蒸发速度随液体温度的升高、密度的增大而增大，但随摩尔数的增大及蒸发潜热的增

14、大而减小。显然，液体的饱和蒸气压愈大或气相中的分压（或浓度）愈低，液体的蒸发速度也愈大。当液体表面蒸气分子的浓度为零时（即P0），上式即与式（5-3）相同，此时的蒸气速度为最大，相当于自由蒸发，与油品新注入密闭容器时的情况类似。当液体表面蒸气分子浓度达到饱和状态时（PPs）w0，液体的蒸发速度最小。密闭条件下贮油容器内液体表面上空间的情况便与此类似。在液体温度一定的条件下，公式中、R、T、及li均为常数，故式（5-12）可写为 （5-13）由于在一定温度下液体的饱和蒸气压是不变的，故上式还可写成式中A及前式中w0均为常数。以上就是1803年道尔顿从实验中得出的有关液体蒸发的基本定律。从这个定律

15、可以看到，在一定温度下，液体蒸发的速度决定于该液体的饱和蒸气压与液面上该液体蒸气压之差。此差值愈大，蒸发的速度也愈大。在相同条件下，液体的饱和蒸气压愈大，或沸点愈低，则液体的蒸发性愈大，蒸发愈迅速。5.2.3静蒸发液体在容器中处于静止状态，液面空气（或其他气体）不流动时液体的蒸发称为静蒸发。各种液体燃料在容器中贮存时的蒸发现象均属静蒸发，静蒸发的蒸发速度一般较为缓慢。液体燃料在贮存中，容器基本上都是密封的。在密封条件下，液体静蒸发的规律可以用前述的道尔顿蒸发定律来说明，即单位时间内单位面积上蒸发出的液体质量w，与液体的饱和蒸气压Ps和该液体在容器内气相中的分压P之差成正比，即： （5-14）在

16、燃料开始注人清洁容器的最初瞬间，液面上燃料蒸气的分压P=0，此时燃料的蒸发速度最大，相当于自由蒸发。随着气相中蒸气浓度的增大，液体蒸发的速度逐渐降低，直到平衡状态，即蒸气压力达到该液体在该温度下的饱和蒸气压为止。此时P=Ps，蒸发的数量与凝结的数量相等（w0），容器的空间即为燃料的蒸气所饱和。但是，如果贮存液体燃料的容器不密封，气化的燃料分子通过孔隙不断向外界扩散，容器内空间燃料气化分子的浓度不易达到饱和，燃料便继续蒸发直到全部液体耗尽为止。应该注意，上述蒸发规律的基本公式在假定液体表面上无其他气体分子存在时才是正确的。在实际工作中，液体表面总是有或多或少的空气存在。因而，蒸发出来的燃料分子除

17、与自身分子相撞击外，还会不时撞击到空气分子而被液面吸收。液体蒸发的速度显然比只有液体分子存在时低。随着液面上空气压力的增大，撞击的机会增多，液体蒸发的速度也相应降低，据研究，在有空气存在的条件下，上述公式中的常数A实际上与外界压力（液面气体总压力） P外成反比，用公式表示之为 （5-15）式中w为单位面积上单位时间内的蒸发质量；A为常数，决定于液体的性质，如分子密度、蒸发潜热及该液体的蒸气扩散系数等。蒸发是在液体表面上进行的。因此，单位时间内的总蒸发量总是与液体蒸发的表面积成正比，而与液体的质量无关，用公式表示之为 （5-16）式中S为液体的总表面积。对于纯物质如苯、异辛烷等，在一定温度下的A

18、值是固定不变的，可以通过实验计算出来。但是对一般由多种烃类组成的液体燃料如汽油、煤油，A则不是常数。因为开始蒸发时，首先蒸发出的是燃料中最轻的馏分。随着蒸发的进行，液相和气相中的成分在不断变化，而且各种原油的成分和加工方法不同。即使牌号相同的油品其组成也可能有很大的区别。下面列举一种航空汽油的静蒸发数据，可供参考。从表5-1可以看出，当外界压力减小，温度增加或液体表面积增大时，汽油的蒸发量都有增加。表5-1 汽油蒸发量受空气压、空气温度和蒸发表面的影响空气压力/kPa4小时内汽油蒸发量/%空气温度0空气温度20蒸发表面0.5cm2蒸发表面25cm2蒸发表面0.5cm2蒸发表面25cm2100.

19、00.161.480.613.1866.70.491.501.033.5333.30.661.801.123.65在实际工作中，贮油容器往往不易做到完全密封，容器内的蒸气不断通过阀门或细小孔隙向外界扩散，从而造成蒸发损耗。在油罐等容器中贮存的液体燃料蒸发损耗的原因，除经常的扩散损失外，还有容器的小呼吸。小呼吸就是贮油容器内蒸气由于昼夜温差而引起周期性的膨胀和收缩。膨胀时含油蒸气逸出，收缩时新鲜空气进入。昼夜温差愈大，小呼吸损失也愈大。由上述可知，要减少液体燃料的蒸发损失，最有效的途径是降低液体的贮存温度，在条件许可时尽量使液体在完全密封条件下贮存。同时，尽量减少液体蒸发的表面，减少液体液面上部

20、空间的容积。减少小呼吸的次数等也都是减少燃料蒸发损耗的有效措施。图5-2 液体燃料蒸发损失测定仪器5.2.4动蒸发液体在流动的气流中分散为细小颗粒的蒸发称为动蒸发。液体燃料在汽油机、柴油机、喷气式发动机或锅炉中燃烧时，都是在强烈的空气流中，被喷散成雾状进行蒸发，然后燃烧。这种在发动机或锅炉中燃料的蒸发现象均属动蒸发。另外，在往油罐等容器注油时会有大量燃料蒸气逸出，卸油时会有大量新鲜空气进入，这种现象叫做大呼吸，也属于动蒸发。评定液体燃料在贮存运输和抽注过程中的蒸发损失的倾向，应采用标准方法SHT0235。该法使用的仪器如图5-2所示。测定时将油样l0mL注入特制试管并称量其质量，在温度为20的

21、恒温水浴中放置5min后，将试管与空气计量器连通，提高压力瓶至上面位置，控制气流速度，使空气l00mL强烈吹人试油，最后称量试油质量，计算为该油的蒸发损失的质量百分比。用这种方法对几种液体燃料蒸发损失评定的结果列于表5-2。表5-2 液体燃料蒸发损失评定结果燃料名称蒸发损失/燃料名称蒸发损失/异戊烷15.6B-92航空汽油0.60A-66车用汽油2.2苯0.41B-100/130航空汽油1.4精馏酒精0.11A-66直馏汽油1.3柴油0.066B-95/115航空汽油1.0液体在动蒸发时的蒸发速度远远超过在静蒸发时的蒸发速度。这是由于在动蒸发时，和液体表面相邻的空气中液体的蒸气压（或浓度）很难

22、达到饱和状态的缘故。影响动蒸发的因素很多，概括起来分为两方面：（1）属于液体本身性质方面的因素，如液体燃料的沸点和蒸气压，蒸气的扩散系数，液体的蒸发潜热、粘度和表面张力等。（2）属于使用条件的因素，如周围空气的温度和压力、空气流动速度、与蒸发表面有关的燃料雾化程度和分散情况（液体分散的颗粒大小与数量）以及喷嘴的构造和喷油压力等。由于在动蒸发中，影响蒸发速度的因素较静蒸发远为复杂，目前还不能得出统一的规律。下面就一些主要因素对燃料动蒸发的影响进行简要的讨论。（1）燃料的沸点和饱和蒸气压图5-3 烃的碳原子数和沸点的关系1环烷烃；2芳香烃；3正烷烃；4烯烃；5异构烷烃沸点和饱和蒸气压是表示液体燃料

23、蒸发性的基本指标。对任意一种纯物质，例如单体烃，无论是沸点还是各温度下的饱和蒸气压均为定值。正如密度或凝固点一样，它们都是物质的结构特性。因此，比较两种单体烃蒸发性大小时，只需比较其沸点即可，沸点愈低蒸发性愈高。但如要求比较两者在一定温度下的蒸发性大小，则需取二者在该温度下的蒸气压进行比较，蒸气压愈大的蒸发性愈高。当碳原子数相同时，各种烃类中芳香烃的沸点最高，环烷烃和正烷烃次之，烯烃和异构烷烃的沸点最低。异构体分支愈多，沸点也愈低。在同一烃类系列中，沸点随碳原子数增加而升高，参见表5-3和图5-3。从图5-3看出，同系物中含碳原子数愈多，即分子量愈大，沸点也愈高。这是因为液体蒸发时必须克服分子

24、间的范德华引力。各种烃类的结构不同，分子间的引力也不相同。引力愈大的愈不易气化，沸点也愈高。在有机同系物中，分子的偶极矩相等，电离能也大致相等，所以范德华引力的大小主要决定于极化率的大小，而同系物的极化率有加和性，即相对分子质量愈大者（碳原子愈多）极化率也愈大，所以沸点也愈高。表5-3 不同碳原子分子的沸点和蒸气压名称分子式沸点/60时的饱和蒸气压甲苯C6H5CH3110.618.5乙基环戊烷C5H9C2H5103.524.3甲基环己烷C6H11CH3100.927.0正庚烷C7H1698.428.0正庚烯C7H1493.633.22-甲基己烷C6H13CH390.137.52，2-二甲基戊烷

25、C5H10（CH3）279.254.7乙苯C6H5C2H5136.27.4乙基环己烷C6H11C2H5131.89.2正辛烷C8H18125.710.51-正辛烷C8H16121.312.42，2，4-三甲基戊烷C5H9（CH3）399.232.2由石油产品制成的各种液体燃料如汽油、煤油、柴油等，所含烃类的组分，随原油性质及加工过程的不同而变动很大，因而这些燃料的蒸发性通常用沸点范围或馏程来表示，必要时也可以采用一定温度下的蒸气压来表示。几种常见燃料的沸点范围列于表5-4。表5-4 几种常见燃料的沸点范围液体燃料沸点范围/液体燃料航空汽油（79号、95号）40180轻柴油（-35号，专用及直馏

26、）180350车用汽油35205燃料油（重油）300以上航空煤油（1号、2号）150250石油醚30号3060鱼雷燃料160250石油醚60号609灯用煤油200300酒精（工业纯乙醇95.6）78轻柴油（一般）200365各种单体烃和液体燃料的蒸气压均随温度的升高而迅速增大。关于纯物质的蒸气压随温度变化的规律，曾经有过许多研究。著名的克劳修斯克拉佩龙方程，就可用来计算不同温度下物质的蒸气压，该方程为： （5-16）式中H为液体的蒸发潜热，V1为1mol该物质的液相容积，V2为气相容积。如已知该物质的蒸发潜热，且其蒸气服从理想气体，由于V1远远小于V2（即：V2V1V2）则上述方程经积分后可得

27、 （5-17）式中R为气体常数；p1、p2为该液体在绝对温度T1、T2时的饱和蒸气压值。此方程还可以写为： （5-17a）或 （5-17b）式中：P0平衡压力，Pa；T温度，k；LV蒸发热，J/mol；C、C常数；R气体常数，值为8.314，J·K-1·mol-1。表5-5为几种常见有机化合物的LV和C值。表5-5 几种常见有机化合物的LV和C值。化合物分子式LV蒸发(J/mol)C温度范围()正-戊烷n-C5H12275679.6116-77191甲苯C6H5CH3358669.8443-2831正-癸烷n-C10H224561210.373017173甲醇CH3OH37

28、53110.7647-44224乙醇C2H5OH4043610.9523-31242苯n-C6H634.0529.9586-37290程光钺等在比较了大量蒸气压的公式后，认为安顿（Anloine）方程最适用，该式形式简单，结果准确可靠，即 （5-18）式中p为该烃在t时的蒸气压，a、b、c均为常数。对于每种不同的烃，这些常数均有不同值，它们可以在一些理化手册中找到。也可以用三个实测的蒸气压值来确定三个常数，然后用它来计算其他温度下的蒸气压值。例如，在一般压力下的正戊烷，安顿方程为 （5-19）式中p单位为kPa，t单位为。上述两个方程也可用来计算不同压力下液体的沸点。图5-4 液体燃料的蒸气压

29、与温度的关系1航空汽油；2航空煤油；3车用汽油；4裂化汽油；5轻煤油；6重煤油对于汽油、煤油等含有混合烃类的燃料，当温度升高时，其蒸气压也随之加大。从图5-4可以看出，对汽油和煤油燃料，温度在20以上时，燃料的蒸气压增长很迅速。当温度在10以下时，各种燃料的蒸气压值均较低，而且增长也较缓慢。各种液体燃料因所含组分变化较大，目前还缺乏蒸气压的统一计算公式。在计算不同压力下的沸点时，采用克拉珀龙公式仍可获得较满意的结果，例如在大于或小于标准大气压条件下测得燃料的沸点，要换算到标准状况下的沸点时，必须将所测沸点进行修正。此修正值可用下法求得：由于燃料的液相体积比气相体积小很多，前述克克方程可写作：根

30、据气体方程，代入上式，得出从特鲁东（Trouton）法则，代入上式则或设测定时压力为p，测得的沸点为t，沸点的修正值为C，则R8.314J/（mol·K），P101.3kPa，代入式中，得出因此，标准气压下的沸点t0应为：t0t+C。应该看到，上述温度修正值只是近似的数值。（2）扩散系数hDdxABC液体图5-5 扩散过程示意图XC2C1在液体蒸发的整个过程中，气化分子在气相中的扩散，对蒸发的速度有很大的影响。如果从液面蒸发出的分子不能迅速扩散，在液体表面就很快会形成一层饱和蒸气层，从而阻止液体的进一步蒸发。事实上由于分子运动的结果，气化的分子总是不断地向周围扩散，使液面难以产生饱和

31、蒸气层，促使液体继续蒸发。在开口容器中贮存的液体，由于不断扩散的结果，液体得以迅速蒸发，直至全部蒸发完为止。液体燃料在静止的或运动很慢的空气中 蒸发时，蒸发的速度很大程度上决定于蒸气分子在空间内的扩散速度。当液体燃料在空气流速很大或强烈涡流的条件下蒸发时蒸气分子的扩散速度虽然也有较大影响，但对蒸发速度起决定作用的则是气流的速度以及涡流的强度。扩散是指物质在空间的转移。在图5-5中所示的开口容器中，设液体蒸气自液面AB向空间扩散。靠近液面处的浓度最大，相当于饱和蒸气浓度，而在开口处的蒸气浓度最小，接近于空气中的蒸气浓度，蒸气总是由高浓度向低浓度扩散。取扩散路程h中任意截面CD来看，在d瞬间内通过

32、截面CD扩散的蒸气量dM是与CD截面处的蒸气浓度梯度成正比的。用公式表示如下： （5-20）式中S圆筒的横截面积；D蒸气的扩散系数；在扩散途径方向上的蒸气浓度梯度（x坐标方向系垂直于液面）。公式中的负号表示浓度是沿x方向递减的。单位时间内通过垂直于扩散途径单位截面积的蒸气量称为扩散速率。如用w表示蒸气的扩散速率，则上式可写为： （5-21）即蒸气扩散速率的绝对值等于该蒸气的扩散系数与蒸气浓度梯度的乘积。如扩散速率单位用g/（cm2·s），浓度梯度用每厘米浓度差g/（cm2·cm）表示，则扩散系数的单位为：在一定的浓度梯度条件下，扩散系数愈大时，蒸气的扩散速率也愈大。根据马克

33、斯威尔和斯特芬等的研究，扩散系数与蒸气的浓度无关，但随周围介质的温度和压力而改变。当温度升高时，蒸气分子运动的速度增加，扩散系数因而也随着加大。当压力升高时，蒸气分子扩散时的自由行程减小，阻力加大，因而扩散系数减小。根据实验，蒸气扩散（D）与周围介质的温度（T）和压力（P）有如下关系： （5-22）式中D0表示在标准状况或已知温度、压力（T0、P0）下的蒸气扩散系数，T、T0用绝对温度单位表示，P、P0用帕（Pa）表示，m为常数，约为1.752.00。几种烃类和液体燃料在不同温度和压力下的扩散系数见表5-6和表5-7。表5-6 液体燃料在不同温度下的扩散系数液体燃料扩散系数D/（cm2/s）0

34、152030正己烷0.0755正庚烷0.0737苯0.0770.0850.0880.095甲苯0.0700.080邻二甲苯0.062间二甲苯0.059对二甲苯0.056乙苯0.065航空汽油0.0790.0900.0930.101裂化汽油0.0900.100表5-7 压力对燃料蒸气扩散系数的影响燃料15时的扩散系数/（cm2/s）101.3kPa5065kPa航空汽油0.0900.00198乙醚0.1100.00242苯0.0850.00187当液体表面的空气流动时，燃料蒸气扩散的速率大于在静止空气中的扩散速率。据研究，液体蒸气扩散的速率与液体表面空气流速的平方根成正比，即当气流速度增加到四倍

35、时，扩散速率增加为原来的二倍，这时因为空气流速增加时，空气的运动把浓度大的蒸气层不断带走，而代之以新鲜空气和浓度很低的蒸气，因而始终保持较高的蒸气浓度梯度的缘故。（3）蒸发潜热在沸点时，单位质量液体变为蒸气所需的热量称为该液体的蒸发潜热，简称蒸发热或气化热，单位常以kJ/kg表示。石油产品在常压下的平均蒸发潜热（kJ/kg）分别为：汽油290315，煤油250275，柴油190230，机械油180228。根据特鲁东法则，1mol液体的蒸发潜热（摩尔蒸发热H）与该液体的沸点（绝对温度T）成正比，即 （5-23）要准确地求得K值，可采用下述公式计算：式中T为液体沸点的绝对温度。可拉哥（Cragoe

36、）曾建议用下列经验公式计算石油产品的蒸发潜热： （5-24）式中H蒸发潜热，kJ/kg；d15时燃料的密度；t燃料的平均沸点，即平均分子沸点，。石油产品平均沸点的计算方法如下：先根据馏程测定出该燃料的平均体积沸点t体（）， （5-25）式中t10，t90分别表示蒸出体积10，90时的温度（），然后利用下式计算出该油品的分馏曲线斜率：图5-6 t与分馏曲线斜率的关系从图5-6中找出平均体积沸点与平均分子沸点之差t，然后从平均体积沸点中减去t，即得所求之平均分子沸点，也就是该燃料的平均沸点。液体燃料的蒸发潜热除决定于燃料的化学组成以外，还和燃料的温度及外界压力有关。组成燃料的烃类中，以芳香烃的蒸发

37、潜热最高，异构烷烃的最低。在同系物中，液体的蒸发潜热随相对分子质量的增加而减少。由同一产地制得的石油产品，蒸发潜热随馏分的加重而减小。当温度及压力升高时，蒸发潜热也随之降低。温度对几种烃蒸发潜热的影响可参考表5-8。当液体蒸发时，不仅分子的内能增加，而且由于体积的膨胀需对外界做功，因此，必须消耗热能。如液体不从外界取得热量，本身的温度要降低。表5-8 温度对烃类蒸发潜热的影响燃料沸点/蒸发潜热/（kJ/kg）020406080100正戊烷36.0391368355334316292正己烷68.5380367351337325306正庚烷98.3376367358346332316正辛烷125.

38、2374362348337323311苯80.1447434421408394379液体的蒸发潜热对蒸发的速度有很大的影响。当外界条件相同时，液体的蒸发潜热愈高，则本身由于蒸发而降低的温度愈多，因而蒸发的速度也愈低。从表可以看出，苯和乙醇的理化性质很相近。但乙醇的蒸发潜热为苯的2.2倍。结果使乙醇的蒸发率约比苯低30。当苯蒸发97时，温度由60下降到36，而乙醇蒸发67时，温度则由60下降到0。（4）粘度粘度是表示液体流动时，两个平行液层之间发生相对运动的摩擦阻力大小的指标，也就是液体的内摩擦系数。因而，粘度和流动性相反，粘度大的液体流动性小，粘度小的液体流动性大。图5-7 烃类粘度与沸点的关

39、系如用F表示两液层作相对运动时摩擦力的大小。S表示摩擦面的面积，表示两液层之间的速度梯度，表示 摩擦系数（粘度）则有下列关系：在动蒸发条件下，液体燃料通常先雾化为细小的液体颗粒，然后迅速蒸发。燃料的粘度对燃料雾化的质量有很大的影响。粘度小的燃料雾化时，因为所需克服内摩擦而消耗的力较少，所以雾化时颗粒较细，蒸发表面增大，结果使燃料的蒸发速度增大。反之，粘度大的燃料雾化较困难，蒸发速度也较低，这在低温时影响尤为显著。液体燃料的粘度取决于燃料的化学成分和外界的湿度、压力。各种烃类的粘度与沸点的关系见图5-7。从图中可以看出，组成燃料的各类烃中，以烷烃粘度最小，多环烃的粘度最高。在同系物中，烃类的相对

40、分子质量愈大，分子间引力也愈大，因而粘度也愈大。温度升高时，液体分子运动的速度增大，而分子的自由体积（即Vb，V为液体分子比体积，b为常数，约等于范德华方程中的常数b）也增加，分子间互相滑动比较容易，且由于分子间距离增大，分子间引力相对地减弱，所以液体的粘度总是随温度的升高而降低。见图5-8和图5-9。图5-8 汽油粘度与温度的关系1，2直馏汽油；3直馏与热裂化混合汽油；4热裂化重质汽油图5-9 煤油及柴油粘度与温度的关系1石蜡基煤油；2环烷芳香基煤油；3催化裂化柴油；4烷基环烷基柴油；5环烷芳香基柴油但是液体燃料粘度随温度的变化不是简单的反比关系。从图上可以看出，当温度升高时，各种燃料的粘度

41、都逐渐减少而趋于一极限值，这时各种燃料的粘度相差很少。液体粘度和温度的关系一般可用下式表示：式中液体的粘度（动力粘度）；c常数；E每克液体分子的内能；R气体常数；T液体的绝对温度。如将上式取对数，则公式可简化为：（A，B均为常数）显然，若作lg对1/T的图，则所得粘温关系为一个直线。如已测得任意两个温度下的粘度，则可利用上式求出A，B的值，并计算其他温度下的粘度。图5-10 轻柴油粘度与压力的关系外界压力对燃料粘度的影响不及温度的影响大。压力由常压增加到10.1MPa以前，燃料的粘度变化很小，通常可用忽略不计。但在现代的高速柴油机中，燃料以很高的压力喷入气缸，此时压力对燃料的粘度由一定的影响。

42、当压力升高不大时，液体的体积变化很小，因此粘度变化不大。当压力进一步升高至较大值时，液体分子的自由体积和分子的距离才逐渐缩小，分子间引力相对增大，因而导致粘度增加。（5）表面张力处在液体内部的分子，上下四周所受其他分子引力作用是均衡的。但处在液体表面的分子，其所受液体分子的引力大于其所受的气体分子的引力，结果产生一个合力，垂直指向液体内部，使处于液体表面的分子有拉向液面内的作用，结果使液面缩为最小。作用在液体表面单位长度上的力称为表面张力，它的常用单位是N/m。图5-10 烃类表面张力与密度的关系 从上述不难看出，要使表面扩张，必须做功来克服表面张力。每形成1m2新液面所需的功，也就是该液面的

43、表面张力，所以表面张力有时也用J/m2表示。当液体燃料被分散为雾状颗粒时，液面颗粒愈细，表面积愈大。在相同条件下，表面张力较小的燃料，雾化就容易，喷射时形成的颗粒愈细，结果使蒸发表面大大增加，从而使燃料的蒸发更为完善。表面张力是液体的结构特性之一。在组成燃料的各类烃中，以芳香烃的表面张力为最大，环烷烃次之，烷烃最小。它们的比较可参考图5-10，据研究，燃料的馏分愈重，相对分子质量愈大，表面张力也愈高。所以液体的表面张力均随温度的升高而降低。液体的表面张力是温度的直线函数，亦即： （5-26）式中t、0分别为液体在t和标准状况下的表面张力，为温度系数。从表10中可以看出，对各种烃类和燃料，值约为

44、0.080.10。燃料表面张力的大小还和燃料中所含表面活性物质的数量多少有关。如果燃料中含有活性物质（如沥青直质及其他具有极性的化学成分等）较多，则燃料的表面张力增大。如果燃料经过精制已除去这些极性物质，则表面张力降低。（6）空气温度温度是影响液体燃料蒸发速度最重要的因素之一。无论在容器中贮存或是在发动机中使用，液体燃料的蒸发速度在很多程度上取决于空气温度及周围器壁的温度。前面已经讲过，温度愈高，液体的蒸发速度愈大，因而在炎热地区和夏季气温高的情况下或发动机已运行一定时间，器壁温度较高，燃料基本上都能很好地蒸发。而在寒冷地区和冬季气温条件下，发动机的启动时，燃料的蒸发性过低，便不易形成良好的可

45、燃混合气，因而不能保证迅速点火。温度升高后液体蒸发速度迅速增大的原因，主要是由于温度升高后，分子运动的速度增加，逸出液体表面的分子数增多，因而增大了燃料的蒸气压。同时，温度升高后，燃料的扩散速度也迅速增大，燃料的表面张力和粘度则降低，这些都有利于在动蒸发的条件下使燃料雾化更细密，蒸发程度也大大增加。此外，在发动机工作条件下，燃烧室及气缸壁或空气的温度提高后，雾化颗粒加热的速度也增大，因而也导致蒸发程度的增加。（7）蒸发表面蒸发是在液体表面上进行的气化过程。因此，其他条件相同时，液体的蒸发表面愈大，单位时间内的蒸发量也愈大。图5-11 液流中液滴数量与液滴直径的关系静蒸发时的蒸发表面易于计算，因

46、而蒸发速率也可以根据蒸发的条件来计算。但在动蒸发时，燃料通常在发动机中被分散为许多细滴，各个细滴的直径也不尽相同，因此，准确的总蒸发面积很难估计。从图5-11可以看出，燃料雾化的程度愈好，颗粒直径愈小，则单位质量燃料所占有的面积愈多。当喷油的颗粒直径较大时，由于颗粒数量少，故面积增加较慢。当颗粒直径进一步减小时，颗粒数量大大增加，面积也迅速增加。随着细滴半径的减小，它的蒸发速率将增大，而对非常小的细滴，将接近于自由蒸发的速率。5.3闪燃与爆炸温度极限5.3.1闪燃与闪点当液体温度较低时，由于蒸发速度很慢，液面上蒸气浓度小于爆炸下限，蒸气与空气的混合气体遇到火源是点不着的。随着液体温度升高，蒸气

47、分子浓度增大，当蒸气分子浓度增大到爆炸下限时，蒸气与空气的混合气体遇火源就能闪出火花，但随即熄灭。这种在可燃液体的上方，蒸气与空气的混合气体遇火源发生的一闪即灭的瞬间燃烧现象称为闪燃。在规定的实验条件下，液体表面能够产生闪燃的最低温度称为闪点。 液体发生闪燃，是因为其表面温度不高，蒸发速度小于燃烧速度，蒸气来不及补充被烧掉的蒸气，而仅能维持一瞬间的燃烧。 液体的闪点一般要用专门的开杯式或闭杯式闪点测定仪测得。采用开杯式闪点测定仪时，由于气相空间不能象闭杯式闪点测定仪那样产生饱和蒸气一空气混合物，所以测得的闪点要大于采用后者测得的闪点。开杯式闪点测定仪一般适用于测定闪点高于100的液体，而后者适

48、用于闪点低于100的液体。5.3.2同类液体闪点变化规律 一般地说，可燃液体多数是有机化合物。有机化合物根据其分子结构不同，分成若干类。同类有机物在结构上相似，在组成上相差一个或多个系差。这种在组成上相差一个或多个系差且结构上相似的一系列化合物称为同系列。同系列中各化合物互称同系物。同系物虽然结构相似，但分子量却不相同。分子量大的分子结构变形大，分子间力大，蒸发困难，蒸气浓度低，闪点高；否则闪点低。因此，同系物的闪点具有以下规律： （1）同系物闪点随分子量增加而升高。见表510； （2）同系物闪点随沸点的升高而升高，见表510； （3）同系物闪点随比重的增大而升高，见表510； （4）同系物闪

49、点随蒸气压的降低而升高，见表510； （5）同系物中正构体比异构体闪点高，见表59。碳原于数相同的异构体中，支链数增多，造成空间障碍增大使分子间距离变远，从而使分子间力变小，闪点下降。表5-9 正构体与异构体的闪点比较物质名称沸点（）闪点（）物质名称沸点（）闪点（）正戊烷3640正己酮127.535异戊烷2852异己酮11917正辛烷125.616.5正丙烷9111.5异辛烷9912.5异丙烷6913氯代正丁烷7911.5氯代异丁烷7024表5-10 部分醇和芳烃的物理性能物 质分子式分子量比重20/4沸点（温度）20时的蒸气压力（kPa）闪电（）醇类甲醇CH3OH320.79264.5611.827乙醇C2H6OH460.78978.45.879正丙醇C3H7OH600.80497.21.9322.5正丁醇C4H9OH740.810117.80.6334正戊醇C5H11OH880.817137.80.3746芳烃类苯C6H6780.87380.369.97-12甲苯C6H5CH3920.866110.362.975二甲苯C6H4（CH3）21060.879146.02.18235.3.3混合液体闪点5.3.3.1两种完全互溶的可燃液体的混合液体的闪点图5-12 甲醇与乙醇戊酯混合液