乙醇與柴油的互溶

1、沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計專用紙 成 績 評 定 表學(xué)生姓名馬翼飛班級學(xué)號1308010223專 業(yè)化學(xué)工程與工藝課程設(shè)計題目乙醇柴油的互溶評語組長簽字：成績?nèi)掌?20 年 月 日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院專 業(yè)化學(xué)工程與工藝學(xué)生姓名馬翼飛班級學(xué)號1308010223課程設(shè)計題目乙醇與柴油的互溶實踐教學(xué)要求與任務(wù):查閱柴油乙醇互溶及乳化方面的相關(guān)文獻資料，綜述乙醇柴油互溶的研究現(xiàn)狀。根據(jù)乙醇互溶過程中的影響因素，設(shè)定科學(xué)可行的實驗方案。按擬定的方案進行實驗，研究助溶劑及其復(fù)配方法在乙醇互溶中的作用，探討反應(yīng)條件的變化規(guī)律，并得出相應(yīng)的結(jié)果和結(jié)論。結(jié)合所查閱的文獻及所開展的實驗，按照學(xué)術(shù)文

2、章的基本要求撰寫報告。工作計劃與進度安排:12月26日12月28日 查閱有關(guān)文獻資料，了解乙醇柴油的互溶及乳液制備的研究進展，并對文獻進行綜述。12月29日12月30日 設(shè)計科學(xué)、可行的實驗方案，研究乙醇與柴油互溶過程的影響因素，并據(jù)此開展實驗。1月3日1月6日 對得出的實驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，并得出相應(yīng)的結(jié)論。撰寫報告并上交。指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專業(yè)負責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長：201 年 月 日目錄1前言11.1引言11.2乙醇柴油21.2.1 燃料乙醇21.2.2燃料乙醇的制備21.2.3燃料乙醇的特性31.3 柴油的乳化52 實驗部分62.1實驗儀器62.2實驗試

3、劑62.3 實驗原理62.4實驗裝置及流程72.4.1實驗裝置組成72.4.2注意事項72.4.3 實驗流程83.結(jié)果與討論93.1實驗結(jié)果93.1.1單一助溶劑滴定結(jié)果93.1.2復(fù)配助溶劑滴定結(jié)果93.2 結(jié)果討論93.2.1 單一助溶劑下的乙醇體積分數(shù)與助溶劑消耗體積曲線93.2.2復(fù)配助溶劑下的乙醇體積分數(shù)與復(fù)配助溶劑消耗體積曲線114.結(jié)論125.參考文獻136.致謝141前言1.1引言石油作為傳統(tǒng)能源在人類的生活中占有重要的地位己經(jīng)一個世紀了，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對于石油的需求也日益增大。1973年后期，石油價格大幅上漲且不時出現(xiàn)短缺的嚴重形式籠罩著整個世界。我國石油需求量很大，資

4、源不足，2000年進口原油7000萬噸，成品油3000萬噸，節(jié)約能源，降低消耗是擺在我們面前的重要課題。同時隨著汽車產(chǎn)量的猛增，汽車排放的尾氣成了流動的污染源，對大氣的危害十分嚴重。世界環(huán)境狀況日益惡化，全球變暖，臭氧層空洞，酸雨等環(huán)境問題逐漸為全人類所重視。美國每年由汽車向大氣排放的污染物高達2-2.13億噸，日本每年由汽車向大氣排放的污染物亦達600萬噸。汽車排放污染物主要有碳氫化合物CH、氮氧合物NOx、一氧化碳CO、微粒PM等。它們主要通過汽車排氣管排放，將近45%的HC和極少數(shù)的其它污染物質(zhì)則由曲軸箱和燃油系統(tǒng)排放。在上述汽車排放污染物中，CO是燃油不完全燃燒的產(chǎn)物，對人的健康危害較

5、大。HC主要是燃油蒸發(fā)和不完全燃燒的產(chǎn)物，由200多種不同的成份構(gòu)成，含有致癌物質(zhì)。NOx是燃燒室高溫高壓條件下，由氮和氧化合而成，排放到大氣后變成二氧化氮，其毒性很強，對人及植物生長均有不良影響，是形成酸雨及光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)之一。PM主要成份是碳煙，上面附有大量化學(xué)物質(zhì)，包含致癌物質(zhì)，吸入人體后會在肺部長期停留。隨著汽車排放污染物對環(huán)境造成的危害日益嚴重，世界各國都先后制定了限制汽車廢氣排放的限量值，其中歐盟組織(EU)制定的歐洲標準是大多數(shù)國家和地區(qū)執(zhí)行的參照標準 1。降低內(nèi)燃機的比油耗、控制內(nèi)燃機的排放是當前內(nèi)燃機工作者的重要任務(wù)。柴油機由于其高效、HC和CO排放量低的優(yōu)點，應(yīng)用范圍

6、己不僅局限于載重車輛，在轎車上的應(yīng)用也越來越多。因此，降低柴油機的油耗和排放具有非常重要的意義。各國科技工作者對此作了大量研究工作，一方面節(jié)能一一深入進行降低內(nèi)燃機比油耗的研究，另一方面開源一一開發(fā)內(nèi)燃機的代用燃料。2001年4月18日，國家計委和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合舉行了新聞發(fā)布會，宣布我國將全面推廣使用乙醇汽油。這標志著乙醇作為一種內(nèi)燃機的代用燃料已經(jīng)成功地在汽油機上得到了應(yīng)用，同時，如何在柴油機上應(yīng)用嫌料乙醉這一課題，又擺在科技工作者面前。目前，我國的燃料乙醉生產(chǎn)已形成了一定的規(guī)模，研究其在柴油機上的應(yīng)用，這將對加強我國的能源安全、降低大氣環(huán)境污染起到重要作用2。1.2乙醇柴油1

7、.2.1 燃料乙醇乙醇俗稱酒精，它是以玉米、小麥、薯類、糖蜜等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而成，將乙醇進一步脫水再加上適量變性劑后形成變性燃料乙醇。所謂車用乙醇汽油，就是把變性燃料乙醇和汽油以一定比例混配形成的一種汽車燃料。乙醇幾乎能夠完全燃燒，不會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)。用乙醇替代等量汽油，可提高汽油的辛烷值，清潔汽車引擎、減少機油替換、降低汽車尾氣有害物質(zhì)的排放。作為增氧劑，燃料乙醇還可替代MTBE、ETBE(乙基叔丁基醚)，避免對地下水造成污染。我國2001年制定的變性燃料乙醇標準中，規(guī)定變性燃料乙醇水分含量不大于0.8%，因為水分的增加易造成乙醇汽油相分離，而乙醇又有較強的吸濕性。油水分離會導(dǎo)致

8、發(fā)動機運轉(zhuǎn)故障2。1.2.2燃料乙醇的制備乙醇的生產(chǎn)方法有兩類，即合成法和生物法。近幾年來由于受原油價格高漲的影響，合成法乙醇生產(chǎn)受到很大制約，使生物法乙醇生產(chǎn)得以恢復(fù)和發(fā)展。生物法乙醇生產(chǎn)就是以農(nóng)產(chǎn)物(如玉米)、農(nóng)林廢棄物(如農(nóng)作物秸稈、甘蔗渣和國家森林每年為防止火災(zāi)稀疏林木而積累下來的森林殘余物)為原料，通過水解作用將其轉(zhuǎn)化為糖，再經(jīng)發(fā)酵作用將糖轉(zhuǎn)化為乙醇。原料的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中的木質(zhì)素在事后仍可作燃料用。目前美國利用生物技術(shù)將纖維素、半纖維素水解成單糖的工藝技術(shù)有5種:酶解法、稀酸水解法、濃酸水解法、逆流酸水解法、一步酶工藝法。乙醇可以用用甘蔗渣、玉米、玉米秸稈、

9、薯類、大麥、土豆、甜菜以及一些野生植物制成。1Km2土地一年可獲得5000噸甘蔗渣，lt甘蔗渣可生產(chǎn)將有7OL乙醇，即1Km2土地可生產(chǎn)出350m3乙醇。因而大力發(fā)展生物乙醇產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟效益2。1.2.3燃料乙醇的特性1、乙醇是燃油氧化處理的增氧劑，使燃油增加內(nèi)氧燃燒充分，達到節(jié)能和環(huán)保目的。2、乙醇具有極好的抗爆性能，調(diào)合辛烷值一般都在120左右，作為汽油的高辛烷值組份，它可有效提高汽油的抗爆性(辛烷值)。3、在新標準汽油中，乙醇還可以經(jīng)濟有效地降低烯烴、芳烴含量，降低煉油廠的改造費用。4、乙醇是太陽能的一種表現(xiàn)形式，在整個自然界這個大系統(tǒng)中，乙醉的整個生產(chǎn)和消費過程可形成無污染

10、和潔凈的閉路循環(huán)過程，永恒再生永不枯竭。5、乙醇熱值較低，要想在內(nèi)燃機中摻燒并且獲得同樣的功率，必須加大燃油噴射量。乙醇現(xiàn)己廣泛應(yīng)用到汽油機中，這方面的研究較多而且比較成熟。在柴油機上的應(yīng)用還很少。目前乙醇在柴油機上應(yīng)用的主要方式有乙醇一柴油混合燃料法、著火改進劑等方法。在柴油機上摻燒乙醇和在汽油機上摻燒乙醇相比具有以下特點:1、柴油機的壓縮比遠高于汽油機。在柴油機中摻燒乙醇可以比在汽油機上摻燒乙醇獲得更高的熱效率。而醇類的辛烷值高，可以用于高壓縮比內(nèi)燃機。2、在增壓柴油機中摻燒乙醇，采用進氣管供醇法，可以更好地利用其而吸收增壓后地空氣熱量，從而形成自然中冷。這就增加了增壓后進氣的密度，提高發(fā)

11、動機地功率。3、煙度是限制柴油機功率(冒煙極限功率)和評價柴油機地重要指標。柴油機摻燒適量乙醇后，可以在發(fā)出同等功率時大大降低煙度。因為乙醇是含氧燃料，在燃燒中有自供氧效應(yīng)，可以使燃燒更為完善。4、柴油機地用途比汽油機的用途廣泛得多。如果解決了柴油機摻燒乙醇的各種技術(shù)問題，其對國民經(jīng)濟的意義是比較大的2。在我國以前的研究中，由于采用的是含有大量水分的乙醇，其燃用方法主要有以下幾種:1、柴油為主、摻燒乙醇、化油器供醇法:用簡化了的化油器裝在柴油機進氣管上，輔助性的吸入乙醇.2、預(yù)燃式柴油機進氣管噴乙醇摻燒法:日本近久武美在這方面做了大量研究工作，乙醇從氣缸蓋進氣管法蘭上游噴入進氣管;3、燃用柴油

12、+乙醇+乳化劑法:通過乳化劑將柴油和乙醇均勻混合在一起;4、乙醇為主、柴油引燃、雙噴嘴供醇法:柴油為引燃燃料。在引燃燃料噴入前，將乙醇噴進氣缸后，有時間進行初期燃燒，由于乙醇的高潛熱會使燃燒熄滅。引燃燃料只要使乙醇燒起來，就可以使乙醇噴射量達到約90%。這種方式需要有兩套燃料噴射系統(tǒng)和油箱。作為內(nèi)燃機的代用燃料，必須具備下列條件:1、必須具有一定的熱值。其理論混合氣熱值不低于2.60MJ/Kg，即接近于柴油或汽油的理論混合氣熱值(它們分別為2.753MJ/Kg和2.778MJ/Kg):2、必須在發(fā)動機運轉(zhuǎn)的一定時間內(nèi)達到氣化或霧化，以便能與空氣迅速形成可燃的氣態(tài)混合氣，及時燃燒:3、必須在一定

13、的溫度和壓力下以及一定的時間內(nèi)燃燒基本完畢，過后燃燒不可拖得過長，即必須在活塞處于上止點附近及上止點以后約60(A曲軸轉(zhuǎn)角)得時間內(nèi)基本上放出自己得全部熱量;4、燃燒后得排氣污染程度必須在國家標準規(guī)定的限度以內(nèi);5、與柴油或汽油的質(zhì)量和熱值相比，其價格不能太高，特別是在普遍推廣應(yīng)用時更應(yīng)如此:6、所有的內(nèi)燃機代用燃料必須具有節(jié)能、再生或應(yīng)急性質(zhì)(節(jié)能主要時指節(jié)省石油系燃料)。理論和實踐證明:乙醇柴油具備上述條件。綜上所述，通過采取一定的措施，在基本不改動柴油機結(jié)構(gòu)的前提下，在柴油機上燃用乙醇柴油理論上是可行的2。1.3 柴油的乳化柴油乳化中所加入的含氧燃料主要可分為三大類:醇類、醚類和酯類。醇

14、類當中研究得最多的是乙醇和乙醇。乙醇難溶于柴油當中，室溫(20)，latm下最大溶解的體積百分比約3%。所以要使柴油一乙醇能形成穩(wěn)定、均勻的混合液則必須加入適當?shù)闹軇┗蛉榛瘎?。純乙醇室溫下可與柴油混溶，不過這種柴油一純乙醇溶液極易從空氣中吸水而分層。7.5時柴油中能溶解的純乙醇體積百分比為10.2%，而通常配制柴油一乙醇混合燃料考慮到改善排放，同時混合燃料的動力性下降要在許可范圍內(nèi)，配制的柴油一乙醇混合燃料中，乙醇所占的體積百分比可達20%。南方大部分城市的冬季夜間溫度都低于7.5，所以配制乙醇含量為20%的柴油一乙醇混合燃料仍需加入適當?shù)闹軇┗蛉榛瘎┦共裼秃鸵掖夹纬煞€(wěn)定的混合液。而如果配

15、制含醇量低于10%的柴油一乙醇混合燃料，由于乙醇極易吸水從而造成混合液分層，所以還是要考慮到加入助溶劑，因為燃料在油箱中并未與空氣完全隔離。另外含醇量為95%的工業(yè)乙醇很難溶于柴油中，所以如果配制的是柴油一工業(yè)乙醇棍合液，則一定要加入其它助劑使之能形成穩(wěn)定、均勻的混合液。從混合燃料的形態(tài)上看，植物油和醋類通常能與柴油混溶，且其十六烷值與柴油同相當，所以無需其它的助劑就能配制成透明的溶液。而目前研究最多的二乙基醚由于常溫、常壓下是氣體，因而不能直接與柴油混合，通常是另采用一套供油和噴射系統(tǒng)。而乙醇、乙醇在柴油中溶解度不大，一般要加入其它助劑才能形成較穩(wěn)定、均勻的混合液，實際上這種混合液常常是以乳

16、化液形態(tài)存在，通?？煞譃槲⑷橐?外觀透明)和粗乳化液(外觀通常是乳白或乳黃色)，粗乳化液也就是通常所說的乳化液。通常把柴油和其它物質(zhì)混合后經(jīng)一定工藝形成乳化液形態(tài)的燃料稱作乳化柴油，這種混合燃料具有低碳煙，低NOx、排放的效果。除了醇可與柴油配成乳化柴油燃料外，水也是常用物質(zhì)之一。由于水的熱值為0，所以柴油一水乳化液中水的加入會造成混合燃料的十六烷值低，熱值低等不利影響。目前國內(nèi)、國外對乳化柴油的研究可分為兩部分:一部分研究配制乳化柴油的配方和乳化技術(shù);另一部分則研究乳化柴油的動力性、經(jīng)濟性。通常開發(fā)一種新型乳化柴油要包括這兩個部分3。2 實驗部分2.1實驗儀器表1 實驗儀器及制造公司實驗儀器

17、及型號制造公司HJ-3型恒溫磁力攪拌器常州國華電器有限公司HH-1型數(shù)顯恒溫水浴鍋江蘇金壇榮華儀器制造有限公司2.2實驗試劑表2 實驗試劑及產(chǎn)地試劑縮寫規(guī)格產(chǎn)地?zé)o水乙醇EthanolAR 成都市科龍化工試劑廠正丁醇NButanolAR天津市瑞金特化學(xué)品有限公司油酸Oleic acidAR天津市永大化學(xué)試劑有限公司2.3 實驗原理乙醇顯極性，具有較強的親水性，能無限溶于水；而柴油屬于石油系燃料，具有較強的憎水性，石油燃料憎水性順序為：脂肪族烴烯烴芳香烴，柴油中含有較多的脂肪烴，較少的芳香烴。當柴油和乙醇混合時，表現(xiàn)出較差的相溶性，很容易分層。因而解決柴油與乙醇的相溶性問題是柴油摻混乙醇的一個關(guān)鍵

18、技術(shù)。根據(jù)相似相溶原理,柴油與乙醇在不加助溶劑的情況下是不會完全相溶的。助溶劑分子一般是由非極性的、親油(疏水)的碳氫鏈部分和極性的、親水(疏油)的基團共同構(gòu)成的,具有既親油又親水的兩親性質(zhì)。助溶劑在乙醇/柴油混合燃料中具有降低乙醇/柴油界面的表面張力和在乙醇/柴油界面上形成界面膜的作用。試驗選擇的助溶劑1親油(疏水)的碳氫鏈(CH3)占主要部分，也有親水基；助溶劑2親水(疏油)的基團(OH ,CH2)占主要部分，也有親油基。柴油能與助溶劑1以任意比例互溶,乙醇能與助溶劑2以任意比例互溶,助溶劑1能與助溶。劑2以任意比例互溶。采用兩親性分子在柴油中形成對乙醇具有增溶能力的膠團，通過膠團的增溶作

19、用，實現(xiàn)互溶。粘度是發(fā)動機燃油的一個重要特性，它是衡量流體內(nèi)部摩擦阻力大小的尺度，是流體內(nèi)部阻礙其相對運動的一種特性，體現(xiàn)了流體抵抗剪切作用的能力，它影響噴射系統(tǒng)的潤滑特性以及燃油的霧化質(zhì)量。燃料的粘度太低就不能為油泵、油嘴提供足夠的潤滑，因此會加劇系統(tǒng)的磨損。燃油的霧化程度、燃油液滴的大小、貫穿距離等也受粘度的影響。如果燃油粘度太高，液滴粒徑就會變大，影響燃料與空氣的良好混合；粘度太小，會引起發(fā)動機相應(yīng)運動部件的磨損量增大，可靠性降低。2.4實驗裝置及流程2.4.1實驗裝置組成本實驗需要用到的玻璃儀器有燒杯，酸式滴定管，滴管及量筒。降酸式滴定管固定在鐵架臺上，下方放置燒杯及磁力攪拌器。2.4

20、.2注意事項1.滴定管使用前必須試漏。方法是：滴定管活栓不涂油脂，注水至全容量，垂直靜置15min，所滲漏的水不超過最小分度值，即可使用。2.向滴定管注入標準液時，應(yīng)先用少量標準液把滴定管潤洗23次。注入標準液至“0”刻度以上幾厘米，轉(zhuǎn)動活栓使溶液急速充滿尖嘴，并不得存有氣泡；3.讀數(shù)時，滴定管必須保持垂直。裝好或放出溶液后，應(yīng)靜置片刻，待附著在內(nèi)壁上的溶液流下之后再讀數(shù)。讀數(shù)者的視線必須與管內(nèi)液面的最凹點處于同一水平線上。4.滴定管用畢暫時不再使用時，應(yīng)洗凈并擦凈活栓，在活栓處應(yīng)墊一紙條，以防粘連。5.攪拌時發(fā)現(xiàn)磁力攪拌器的攪拌子跳動或不攪拌時，請切斷電源檢查一下，燒杯底是否平，位置是否正，

21、同時測一下，當前的電壓是否在220±10V之間6. 加熱時間一般不宜過長，間歇使用延長壽命。7. 中速運轉(zhuǎn)可連續(xù)工作8小時，高速運轉(zhuǎn)可連續(xù)工作4小時。2.4.3 實驗流程1、單一助溶劑存在的情況下乙醇與柴油的互溶性（1） 在室溫的條件下，稱取乙醇體積為5ml、柴油體積為15ml于燒杯內(nèi)（25%乙醇），將燒杯放置于磁力攪拌器上。（2） 用正丁醇進行滴定，直到乙醇柴油混合溶液出現(xiàn)澄清透明為止，并記錄正丁醇消耗的體積。（3） 多次重復(fù)（1）的操作， 再用油酸單獨滴定，并記錄消耗的體積。研究它們單獨存在時對乙醇柴油互溶性的影響。（4）改變乙醇所占混合液的體積分數(shù) 20%（5+20ml），17

22、%（5+25），14%（5+30），12.5%（5+32）重復(fù)（3），通過多種助溶劑進行滴定.繪出乙醇所占混合液的體積分數(shù)與滴定消耗助溶劑體積的曲線2、溶劑復(fù)配作用下乙醇和柴油的互溶性（1） 在室溫的條件下，稱取乙醇體積為5ml、柴油體積為15ml于燒杯內(nèi)，并置于磁力攪拌器上。（2） 各稱取30ml的正丁醇和油酸進行1：1復(fù)配滴定，直到乙醇柴油混合溶液出現(xiàn)澄清透明為止，并記錄二者消耗的體積。（3）重復(fù)(2)的步驟，改變正丁醇與油酸的比例，1：2，1：3進行滴定。（4）改變乙醇所占混合液的體積分數(shù) 20%（5+20ml），17%（5+25），14%（5+30），12.5%（5+32）重復(fù)（2 3

23、），通過復(fù)配助溶劑進行滴定.繪出乙醇所占混合液的體積分數(shù)與滴定消耗復(fù)配助溶劑體積的曲線3.結(jié)果與討論3.1實驗結(jié)果3.1.1單一助溶劑滴定結(jié)果表4 室溫下單一助溶劑滴定乙醇柴油混合液的結(jié)果乙醇體積分數(shù)%消耗正丁醇體積ml消耗油酸體積ml254.13.6204.34.2174.15.1144.45.412.53.96.03.1.2復(fù)配助溶劑滴定結(jié)果表5 室溫下復(fù)配助溶劑滴定乙醇柴油混合液的結(jié)果乙醇體積分數(shù)%正丁醇：油酸1：1正丁醇：油酸1：2正丁醇：油酸1：3253.9204.3174.8145.212.56.43.2 結(jié)果討論3.2.1 單一助溶劑下的乙醇體積分數(shù)與助溶劑消耗體積曲線圖表1 單一助溶劑下乙醇體積分數(shù)與正丁醇滴定消耗體積的曲線根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的趨勢圖，圖中分析，該趨勢并不明顯，五組實驗平均消耗正丁醇4.16ml，25%和17%兩組實驗消耗的正丁醇體積相同。該實驗五個乙醇所占體積分數(shù)保持了乙醇5ml不變，添加柴油來降低乙醇所占體積分數(shù)。由此可見，助溶劑正丁醇的消耗量與乙醇添加量有關(guān)，由于滴定管及實驗誤差，可以認為當乙醇添加量不變時，助溶劑正丁醇添加量也不變。圖表2 單一助溶劑下乙醇體積分數(shù)與油酸滴定消耗體積的曲線根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的趨勢圖，乙醇所占體積分數(shù)和油酸消耗量