柴油相图和燃烧讲义修改2汇总

1、一.实验背景Schulman在1959年首次报道微乳液以来，微乳的理论和应用研究获得了迅速发展。1985年,Shah定义微乳液为两种互不相溶的液体在表面活性剂界面膜的作用下生成的热力学稳定、各向同性的透明的分散体系。由于微乳液能形成超低界面张力，具有高稳定性、大增溶量、以及粒径小等特殊性质，己引起人们广泛关注。燃油掺水是一个既古老又新兴的课题。早在一百多年前就有人使用掺水燃油。由于油、水在表面活性剂作用下形成的W/蛮0M乳液在加热燃烧时水蒸气受热膨胀后能够产生微爆，使得燃油二次雾化燃烧更加充分，提高了燃烧效率，大大降低了废气中的有害气体的含量。但是由于一般的乳状液稳定时间短，易分层，使得这一技

2、术的应用受到了很大的限制。微乳燃料的制备比较简单，只需要把油、水、表面活性剂、助表面活性剂按合适的比例混合在一起就可以自发形成稳定的微乳燃料。微乳燃油可长期稳定，不分层，且制备简单，并能使燃烧更完全，燃烧效率更高，其节油率可达515%,排气温度下降20%60%,烟度下降40%s77%,NOx和CO的排放量降低25%,在节能环保和经济效益上都有较为可观的效果，己成为世界各国竞相开发的热点。随着近年来对两亲分子有序组合体研究的不断深入，微乳液理论在乳化燃油领域取得了突破性进展，开发透明、稳定、性能与原燃油差不多的微乳液燃料成为了研究热点。近年来，随着我国农业和交通运输业的飞速发展，对石油的需求量增

3、大，而石油资源有限，于是出现了石油供应不足、价格上涨的趋势。2004全年我国进口原油12,272吨，2005年中国的石油日需求量比去年增11%；2006年石油消费量增长了6.7%o我国进口原油的30%用于汽车消耗，据预测，中国未来能源供需缺口将越来越大，即使在采用先进技术、推进节能，加速可再生能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下，2010年仍将短缺能源8%,石油进口依存度，预计2010年将上升为23%o现在我国年耗汽油和柴油总量约为1.15亿吨，进口原油及成品油已成为国家财政的沉重负担而且天然石油的储备是有限的，人类面临日益严峻的能源危机。但经济的可持续发展必须是在保护生存环境、节

4、约宝贵资源和降低能耗的前提下的发展。因此，如何提高燃油燃烧效率和减少环境污染，研究新型节油防污染技术，包括最为人们青睐并具有节能效率高，减少尾气污染的燃料乳化以及微乳化技术，己成为人们十分关心的问题。二.微乳柴油与燃烧减排机理乳化燃油与通常的乳状液一样，也分为油包水型（W/。）和水包油型（O/W）,在油包水型乳化燃料油中，水是以分散相均匀地悬浮在油中，被称为分散相或内相，燃料油则包在水珠的外层，被称为连续相或外相。我们目前所见的大多数乳化燃料油都为油包水型乳化燃料。乳化燃料燃烧是个复杂的过程，对其节能降污机理较为成熟的解释是乳化燃料中存在的“微爆”现象和水煤气反应，也就是从燃料的物理过程和化学

5、过程来解释。一些燃烧机理包括：2.1 物理作用一“微爆现象”二十世纪六十年代初，前苏联科学家伊万诺夫等人发现了乳化燃料的“微爆”现象，从而为乳化燃料的节能、降污机理提供了理论基础。油包水型分子基团，油是连续相，水是分散相，由于水沸点（100C）低于燃油沸点(130C以上)。在气缸温度急剧升高时，水微粒先沸腾气化，体积在万分之一秒内瞬间增大了1500倍左右，其气化膨胀相当于一次极小的爆炸。当油滴中的压力超过油的表面张力及环境压力之和时。水蒸气产生的巨大压力将冲破油膜的束缚，无数小液珠产生的阻力使油滴发生爆炸，油雾化成更细小的油滴。小油滴与空气接触的比表面积成倍提高，形成二次燃烧的雾化条件，爆炸后

6、的细小油滴更易燃烧，其燃烧表面比纯燃油增加了104倍左右。因此，减少了物理上的不完全燃烧和排烟损失，提高了燃烧效率，使内燃机达到节能的效果。微爆产生的为数甚多的爆炸波，冲破了包围火焰面的CO2,N2惰性气体抑制层，促使空气形成强烈的紊流，紊流使空气、燃油蒸气在燃烧室内做更均匀的分布，同时使温度场也变得更加均匀，从而加快了燃烧速度，减少了后燃现象，避免了燃烧区间局部高温而产生的热解和裂化，使燃烧更加完全。2.2 化学作用一“水煤气反应”在缺氧条件下，油燃烧产生热裂解，形成难以燃烧的碳，使排烟冒黑烟，而在水煤气存在时，水微粒高速汽化中所含的氧与碳粒子充分结合，并被完全燃烧而形成二氧化碳，从而大大提

7、高喷燃雾化效果，使发动机燃烧效率提高，达到增强发动机动力、节省燃料的效果。C+H2O=CO+H2C+2H2O=CO2+2H2oCO+H2O=co2+H2H2+02=H2O上述反应过程中，提高了乳化燃料的燃烧率，降低了排烟中的烟尘含量。同时由于乳化水的蒸发作用，均衡了燃烧时的温度场，从而抑制了NO的形成，达到节能环保的目的。2.3 掺混效应微爆产生的爆炸波冲破了包围在火焰周围的CO、N2惰性气体层，促使空气形成强烈的紊流，紊流使空气和柴油蒸汽在燃烧室内做更均匀的分布，同时温度场也变得更加均匀，从而加快了燃烧速度，减少了后燃现象，避免了在燃烧区间的局部高温而产生的热解和裂化，使燃烧完全。2.4 抑

8、制NO勺生成NO勺生成主要有三个重要途径：(1)由空气中的NO在高温区反应生成的热反应NOx;(2)火焰面上生成的活性NOx;燃料中氮元素生成的燃料NOx因此，生成的NM分为温度型NOx和燃料型NOx其中以温度型NO为主。影响NO生成的因素有：可燃混合物的组成，燃料在反应区停留时间，燃料温度和工作压力等。根据J.B.Howcr机理，NOx勺生成速度为：1/2dNOx/dt=Aexp-EJRTN202可见无论在内燃机或是其它燃烧装置上，NOx勺生成量与反应温度呈指数关系增加。如果空燃比高，燃烧强度大，反应温度高，停留时间长，NOx则急剧增加。燃烧乳化油时，由于水滴汽化、产生微爆均需吸热，由此可降

9、低气缸工作温度，防止燃烧火焰局部高温，缩短燃烧时间，而且油掺水燃烧改善了空气和燃料混合比例，可以用较小的过量空气系数，即N2、02浓度大幅度降低，从而显著降低温度型和燃料型NOX勺生成，抑制NOX寸环境的污染。三.水-柴油微乳液的配制与研究方法对微乳柴油的研究通常包括为微乳燃油配方选择合适的表面活性剂和助表面活性剂，并考察各组分对可增溶水量的影响，确定最佳的微乳燃油配方比例。然后针对微乳柴油体系，通过相图、电导、NMR、FT-IR分子光谱、荧光光谱、黏度法、电子显微镜等方式研究微乳液的结构，并进行燃烧性能与尾气排放量测定。3.1拟三元相图的研究方法研究平衡共存的相数、组成和相区边界最方便、最有

10、效的工具就是相图。在等温等压下三组分体系的相行为可以采用平面三角形来表示，称为三元相图。对四组分体系，需要采用立体正四面体。而四组分以上的体系就无法全面的表示。通常对四组分或四组分以上体系，采用变量合并法，比如固定某两个组分的配比，使实际独立变量不超过三个，从而仍可用三角相图来表示，这样的相图称为拟三元相图。对柴油微乳液的研究可采用拟三元相图的方法研究，相图绘制简单，根据相图可以初步推测体系的结构状态，能够比较直观地反映微乳体系相的变化，当体系有液晶相、凝胶相出现时，也能对微乳液及其相边界进行直观表示。在表面活性剂和助剂含量一定情况下，将水往油中滴加，水量很少时为油包水型的球形微乳液，继续滴加

11、水，水与油的比例将会变动，体系发生这样的变化：对称性水的球体一不对称性柱体一层状结构一水为外相的各种结构，最终为对称性油的球体，这是体系内部引力变动而引起各种结构迭变的结果，而研究此方面最方便有效的工具就是相图，因此，表面活性剂相图的研究一直受到人们的关注。也可以在水量一定的情况下，将复合表面活性剂往油中滴加，通过观察体系相的状态的变化以及体系中物质的重量比，通过拟三元相图的绘制，研究体系中物质的相溶性以及形成微乳液的条件。本实验采用此种方法进行乳化柴油的绘制。（2）电导法电导行为是微乳液的重要性质之一。关于微乳液的电导研究，基本上围绕微乳液体系的导电行为和根据电导测量研究微乳液体系的相行为。

12、尽管电导测量不能直接反映各种条件对微乳液粒子的大小的影响，但微乳液的电导率在某种程度上反映了微乳液的结构，例如W/C或O/W结构，因此，通常可通过对微乳体系电导率的测定判别微乳体系的结构。四.实验研究目的与实验内容五.4.1实验目的本实验学习柴油微乳体系拟三元相图的绘制与研究方法，并根据相图，选择合适的柴油微乳液，通过氧弹卡计进行燃烧性能测定，比较柴油、微乳柴油燃烧时其燃烧效率的不同，对微乳柴油的经济与环保价值进行评价。4.2 实验试剂与仪器实验试剂：柴油0#、油酸（化学纯）、十六烷基三甲基漠化铉（CTAB（化学纯）、氨水、正丁醇实验仪器：燃烧热测定装置一套、充氧装置一套、万用电表、5安保险丝

13、、1000ml烧杯磁力搅拌器、搅拌子（中）、电导率仪氧气电子分析天平（每组一台）；烧杯（50ml）、250mk镣子、滤纸、PH式纸、玻棒、洗耳球等、胶头滴管4.3 实验内容1 .水柴油体系配制及拟三元相图绘制（1）复合乳化剂配比：油酸66.15%十六烷基三甲基溟化铁（CTAB）0.91%氨水9.1%,正丁醇23.8%（2）复合乳化剂配制：室温下，将油酸36.5克放入50ml的烧杯中，加入0.5克CTAB,5克氨水,13.2克正丁醇，在磁力搅拌器上不断搅拌至溶解，此时所得复合乳化剂清晰、透亮，放置备用。（3）柴油水复合乳化剂微乳液柴油的制备与拟三元相图绘制在一定温度下（通常为室温），称取（10g

14、）的水柴油，其中m（柴油0#）:m休）分别为4.5:0.5、4：1、3:2、2:3、1.5:3.5,1:4,样品，分别放在50ml烧杯中，逐渐往烧杯中滴加复合乳化剂，并不断在磁力搅拌器上搅拌至溶液刚好变澄清，静置约20min后观察，如仍透明，则记录所加复合表面活性剂的用量。根据重量差减法记录加入的复合乳化剂重量，并根据体系中所含有的柴油、水的重量，计算柴油水-复合乳化剂拟三元体系达到透明状态时各物质的重量，根据各不同配比拟三元体系中各个物质的重量，把复合乳化剂作为一个组分，另两个组分分别为油和水，绘制拟三元相图，用以观察柴油微乳液体系的相行为。图1为水柴油微乳体系拟三元相图示意图。从图1可见，

15、显示曲线右方是不共溶区域，中间为临界线，其余部分均为共溶区（即形成柴油水复合乳化剂微乳液柴油）。通过拟三元相图可分析形成柴油水复合乳化剂微乳液燃料时不同柴油水配比与复合乳化剂加入量的关系，并选择合适的柴油水乳化燃料进行燃烧性能的测定与比较（具体燃烧热测定方法与原理可详见物理化学实验教材）。11图1柴油水复合乳化剂微乳液柴油的拟三元相图（4）乳液性质测定（电导法）以水为外相的o/w型乳状液有较好的电导性能，而W/C型乳状液的电导性能很差，实验中分别测定水、柴油以及不同配比的乳化柴油的电导率，以判定不同配比乳化柴油的结构性能，依据微乳柴油燃烧减排机理选择W/C型乳化柴油进行燃烧性能测定。2 .乳化

16、柴油燃烧热的测定掌握氧弹卡计的量通过对乳化柴油的燃烧热的测定，掌握燃烧热的定义，学会测定物质燃烧热的方法，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别;了解氧弹卡计的主要部件的作用，热技术；熟悉雷诺图解法校正温度改变值的方法。（1）量热法与氧弹量热装置及结果表示方法量热法是热化学研究的基本实验方法，氧弹量热计的基本原理为能量守恒定律。样品完全燃烧放出的热量促使卡计及周围的介质（本实验用水）温度升高，测量介质燃烧前后体系温度的变化值，可求算该样品的恒容燃烧热。柴油为石油分镭产品，其中各燃分子所含碳原子数不同，通常以测定柴油燃烧过程中Qv的变化来衡量柴油燃烧效率的大小。在氧弹量热计与环境没有热交换情况下，其关

17、系式为：mQ=W（卡计+水）？T-m（点火丝）？Q（点火丝）（1）m样为柴油的质量（克）；Qv为柴油的恒容燃烧热（焦/克）；W（卡计+水）为氧弹卡计和周围介质的热当量（焦/度），其表示卡计和水温度每升高一度所需要吸收的热量，W（卡计+水）一般通过经恒重的标准物如苯甲酸标定苯甲酸的恒容燃烧热为26459.6焦/克。T为柴油燃烧前后温度的变化值。m（点火丝）为点火丝的质量，Q（点火丝）为点火丝（铁丝）的恒容燃烧热，其值为6694.4焦/克。在实验过程中无法完全避免“热漏”现象的存在，因此，实验中必须经过雷诺作图法或计算法校正柴油燃烧前后温度的变化值。通过（1）式，计算柴油燃烧的恒容热效应Qv（焦/

18、克）。为了避免平行测定中称量的差异对实验的影响，可通过公T/m（K/g）（单位质量柴油燃烧引起温度的变化值）或Qv/g（J/g）（单位质量柴油燃烧放出的热量），研究柴油和微乳柴油燃烧效率的不同；通过AT/At（K/s）（即单位时间柴油燃烧时燃烧温度随时间的变化率）研究柴油和微乳柴油燃烧速率的不同。具体实验原理、方法和雷诺作图法详见物理化学实验中“燃烧热测定实验”。（2）柴油与乳化柴油燃烧性能测定实验中选择柴油0#、W/OAL化柴油作为燃烧体系，分别将约1.2克燃油体系放入卅蜗，将铁丝接在氧弹卡计的两极上，并将铁丝浸没柴油中，向氧弹量热计中充以氧气，弹内的氧气压力冲至I.OMpa,在燃油不完全燃

19、烧的条件下，通过测定燃烧过程中t、T值以及燃烧残渣的重量，计算Qv/m、T/m（K/g）、T/t（K/s）,比较柴油与乳化柴油的燃烧效率以及燃烧速率不同，并对燃烧结果进行评价。五.实验现象第一阶段：1 .配置复合乳化剂过程当中，把氨水加入油酸之后搅拌，这时逐渐有乳白色的絮状物生成，并逐渐结成团状粘稠固体。加入CTAB口正丁醇之后搅拌，固体逐渐溶解为淡黄色液体；2 .柴油与水混合之后，随着磁力搅拌器带动搅拌子搅拌，混合物逐渐浑浊（油水比例比较低时出现团状固体），随后浑浊澄清成亮黄色液体。第二阶段：1 .待柴油燃烧之后，塔烟中盛有炭黑，而固定塔谒的装置中没有明显炭黑存在;2 .待乳化柴油燃烧之后，

20、i甘烟中基本没有炭黑，而固定土甘烟的装置中有明显炭黑分散分六.实验数据及其分析第一阶段：表一：复合乳化剂各成分的质量试剂油酸氨水止醇CTAB质量(g)36.51205.012613.20460.5018表二：乳化柴油中柴油-水-复合乳化剂的质量情况水油总质量:5g油水比例油的质量（g）水的质量（g）乳化剂质量（g）油冰乳化剂总质量（g）油的质量分数（水的质量分数（乳化剂质量分数（%9:14.51330.57880.43615.528281.64%10.47%7.89%8:23.99251.01430.62865.635470.85%18.00%11.15%6:42.99882.00172.86

21、367.864138.13%25.45%36.42%4:62.00123.00893.31428.324324.04%36.14%39.82%3:71.51093.50173.61478.627317.51%40.59%41.90%2:80.99704.02593.63468.627511.56%46.66%41.78%图一：柴油-水-复合乳化剂拟三元相图的绘制数据分析:可以看到，柴油-水-复合乳化剂拟三元相图中，不共融区仍然比较宽。这可能在实验柴油-水-复合乳化剂拟三元相图过程当中，由于颜色观察差异，导致在乳化柴油在颜色变成亮黄之后仍不断加入复合的乳化剂，这可能是使不共融区变大的其中一个原因

22、。在放置时间为一周的情况下，油水比例9:1、8:2的乳化柴油仍未变质，说明实验制作的乳化柴油质量复合要求。第二阶段:表三：乳化柴油和0#柴油燃烧温度变化表时间/30s温度变化值？TC）乳化柴油0#柴油柴油质量m/g1.19371.1944铁丝质量差？m/g(0.0124-0.0063)g=0.061g(0.0126-0.0055)g=0.071g11.6761.14721.6811.14831.6821.14541.6821.14551.6811.14261.6801.14171.6791.13981.6771.1389（点火）1.7051.153102.0741.366112.7411.74

23、4123.2572.175133.6042.549143.8282.854153.9683.053164.0673.209174.1323.309184.1813.381194.2173.435204.2453.472214.2693.50022:4.2853.524234.2983.541244.3203.556254.3253.568264.3273.576274.3303.582284.3303.592294.3293.594304.3293.596314.3273.597324.3263.597334.3243.597图二：乳化柴油和柴油燃烧温度变化数据图微乳柴油数据分析：1 .Qv的

24、计算W(热计水厂-rv铁丝Q铁丝根据Qv2m样品可得：0#柴油Qi=-14541.35X(3.597-1.153)-0.061X6694.4/1.1944=-29412.84J/g乳化柴油：Q2=-14541.35X(4.329-1.705)-0.071X6694.4/1.1937=-31566.73J/g由此可见：乳化柴油的燃烧值要高于未乳化的柴油。2 .Qv/m(KJ/m2)的计算CV/m(0#柴油)=-29412.84/1.1944=24.63KJ/mQ/m(孚L化柴油)=-31566.7/1.1937=26.44KJ/m3 .T/m(K/g)的计算T/m(0#柴油)=(3.597一1.

25、153)/1.1944=2.0462K/gT/m(乳化柴油)=(4.329一1.705)/1.1937=2.1982K/g4 .T/t(K/s)的计算T/Zt(0#柴油)=(3.597一1.153)/630=3.88X103K/st(乳化柴油)=(4.3291.705)/630=4.17X103K/s表四：乳化柴油和普通柴油燃烧数据QV(KJ/g)QV/m(KJ/m)T/m(K/g)T/At(K/s)乳化柴油-31.57-26.442.204.17X10-30#柴油-29.41-24.632.043.88X103从以上Qv、T/m(K/g)、T/t(K/s)的计算中，可发现，单位乳化柴油比单位

26、柴油放出的燃烧值、单位温度的变化、单位温度的变化速率要大，这就给实际的生产带来可观的社会经济价值，而通过实验现象发现，相同质量的乳化柴油和普通柴油不完全燃烧的情况下，普通柴油产生的炭黑量要明显的乳化柴油产生的，因此柴油的乳化可在一定程度上降低化石能源燃烧给环境带来的污染，具有一定的社会环境价值。六.问题思考(1)柴油的主要成分是什么？其燃烧后可能形成的产物有那些？答：柴油的主要成分柴油主要是由低级的烷烧、烯烧、环烷煌、芳香煌、多环芳煌与少量硫、氮及添加剂组成的混合物。生成的产物可能有，N的化合物NxOxSO、COCO、水以及炭黑等。(2)乳化柴油与微乳柴油的区别？制备方法上有什么不同？答：与乳

27、化柴油相比，微乳燃油可长期稳定，不分层，且制备简单，并能使燃烧更完全，燃烧效率高,节油率达5%-15%，排气温度下降20%60%烟度下降40%-77%,NOx和CO排放量降低25%在节能环保和经济效益上都有较为可观的效果，已成为世界各国竞相开发的执占/wf。制备方法不同：微乳柴油的制备比较简单，只需要把油、水、表面活性剂、助表面活性剂按合适的比例混合在一起就可以自发形成稳定的微柴油。乳化柴油由柴油70%助剂15%水15%昆合而成，采用油水法可以制备乳化柴油，步骤如下：选定所要加入的乳化剂，采用HLB值筛选法控制所要加入乳化剂的量；用玻璃棒搅拌使各种乳化剂混合均匀。1(3)乳化柴油为什么不稳定？

28、其对柴油发动机产生的损害是什么？答：乳化柴油用的添加剂，是以降低界面张力为设计目标，让表面活性剂组成的复合界面膜，强力而牢固地吸附在油水表面，但它不是热力学上的稳定体系，故稳定性不好，大多13个月不分层，不错的也只有半年左右。乳化油属于热力学不稳定体系，随环境条件的改变、放置时间变长会出现稳定性差、存储时间短及燃烧不稳定等现象，使内燃机工作不正常并产生锈蚀等危害，限制了它的推广应用范围。(4)为什么要进行柴油微乳液的研究？形成微乳柴油的通常条件是什么？其中各组分的作用是什么？答：近年来，随着我国农业和交通运输业的飞速发展，对石油的需求量增大，而石油资源有限，于是出现了石油供应不足、价格上涨的趋

29、势。人类面临日益严峻的能源危机。但经济的可持续发展必须是在保护生存环境、节约宝贵资源和降低能耗的前提下的发展。因此，如何提高燃油燃烧效率和减少环境污染，研究新型节油防污染技术，包括最为人们青睐并具有节能效率高，减少尾气污染的燃料乳化以及微乳化技术，己成为人们十分关心的问题。微乳燃料的制备比较简单，只需要把油、水、表面活性剂、助表面活性剂按合适的比例混合在一起就可以自发形成稳定的微乳燃料。其中各组分的作用是，醇的种类和表面活性剂复配比例对水最大增溶量有很大影响。醇碳数适中时，醇更易富集于界面上，增加了界面面积，使增溶水量增加，更易形成微乳液。(5)什么是相图？什么是拟三元相图？绘制微乳柴油拟三元

30、相图的作用是什么？答：对于多相体系，个相间的相互转化，新相的形成，旧相的消失与温度，压力，成有关。根据实验数据给出的表示相变规律的各种几何图形称为相图。在等温等压下三组分体系的相行为可以采用平面三角形来表示，称为三元相图。对四组分体系，需要采用立体正四面体。而四组分以上的体系就无法全面的表示。通常对四组分或四组分以上体系，采用变量合并法，比如固定某两个组分的配比，使实际独立变量不超过三个，从而仍可用三角相图来表示，这样的相图称为拟三元相图。柴油微乳液研究可采用拟三元相图的方法研究，相图绘制简单，根据相图可以初步推测体系的结构状态，能够比较直观地反映微乳体系相的变化，当体系有液晶相、凝胶相出现时

31、，也能对微乳液及其相边界进行直观表(6)确定微乳液结构性质的简单方法(W/0型乳液或0/W型乳液)有那些？其原理是什么？答：微乳液性质测定：粗略配置10g/500ml的CoCI2溶液，将滤纸浸泡在该溶液中。使用时将预先浸泡在CoCI2溶液中的滤纸取出烘干，滴上乳液，若滤纸不变色仍为紫色，则为W/0型乳液，若变为红色则为0/W型乳液。实验原理：滤纸变色是乳液外相的水和CO。:反应生成Co（OH）2（紫色）的结果COC12+2H2-Co（OH）2+2HCI采用电导法进行乳液性质测定：电导行为是微乳液的重要性质之一。关于微乳液的电导研究，基本上围绕微乳液体系的导电行为和根据电导测量研究微乳液体系的相行为。尽管电导测量不能直接反映各种条件对微乳液粒子的大小的影响，但微乳液的电导率在某种程度上反映了微乳液的结构，例如W/O或O/W结构。采用偏光显微镜初步观察乳液粒径大