摘要

為了獲取兩種脂肪酸酯類(lèi)燃料棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯的熱物理性質(zhì)，并為將其作為燃料和燃料添加劑提供理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，利用表面光散射法、振動(dòng)管法和全反射法在較寬溫區(qū)下分別研究了兩種棕櫚酸酯類(lèi)的表面張力、黏度、密度和折射率。密度和折射率數(shù)據(jù)分別關(guān)聯(lián)成了溫度的多項(xiàng)式和線性函數(shù)，棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯的密度試驗(yàn)值與方程計(jì)算值平均絕對(duì)偏差分別為0.033%和0.013%，折射率試驗(yàn)值與方程計(jì)算平均偏差均為0.004%；黏度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)成了溫度倒數(shù)的多項(xiàng)式，棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯的試驗(yàn)值與方程計(jì)算值平均絕對(duì)偏差分別為1.76%和2.30%；表面張力數(shù)據(jù)利用了van der Waals方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯的試驗(yàn)值與方程計(jì)算值平均絕對(duì)偏差分別為0.86%和1.70%。

概述

生物柴油是一種新型的環(huán)保燃料，與化石柴油相比，具有含氧量高、十六烷值高、低硫、可降解和無(wú)芳烴等優(yōu)點(diǎn)。生物柴油可以直接使用或與化石柴油調(diào)和使用，可以有效改善柴油的潤(rùn)滑特性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的污染物排放。生物柴油的主要成分是含有12~18個(gè)碳原子的飽和及不飽和脂肪酸甲酯。直接研究其燃燒和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的機(jī)理較為復(fù)雜，往往選擇純質(zhì)脂肪酸甲酯作為模型燃料來(lái)開(kāi)展研究。

燃料的熱物理性質(zhì)是內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)燃油經(jīng)內(nèi)燃機(jī)噴射系統(tǒng)進(jìn)入燃燒室時(shí)，其噴射和霧化特性決定了燃油與空氣的混合和燃燒情況，進(jìn)而影響顆粒物和其他有害污染物的生成和排放。燃料的霧化特性主要由其表面張力、黏度和密度所決定，可以用霧化性能指標(biāo)Ka來(lái)表征:

Ka = [ (ρl / ρg) (Wel / Rel) ]1/3 (1)

式中，ρl和ρg分別為燃料的密度和內(nèi)燃機(jī)內(nèi)混合氣體的密度；Wel和Rel分別為韋伯?dāng)?shù)和雷諾數(shù)，均為無(wú)量綱數(shù)，其中Wel ∝ (ρl/σ), Rel ∝ (1/ν), σ和ν分別為燃料的表面張力和液相運(yùn)動(dòng)黏度。一般來(lái)說(shuō)，較高的表面張力會(huì)導(dǎo)致燃料在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)霧化困難，不易破碎成較小的液體，延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，同時(shí)也降低了內(nèi)燃機(jī)的熱效率；燃料黏度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致油箱沉積物增多和過(guò)濾器堵塞等故障，影響內(nèi)燃機(jī)的供油安全，而燃料黏度過(guò)低又會(huì)增加燃油泄露的可能性。如式(1)所描述，燃料的密度、表面張力和黏度是表征燃料噴射進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)綜合霧化效果的重要熱物理性質(zhì)。同時(shí)，折射率也是燃料品質(zhì)控制的重要指標(biāo)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用來(lái)預(yù)估實(shí)際中難以測(cè)量的混合燃料性質(zhì)，如密度和黏度。所以在較寬的溫度范圍內(nèi)獲取燃料的這些熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)是內(nèi)燃機(jī)噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯可以作為模型燃料與柴油和醇類(lèi)等混合作為新型清潔混合燃料。已有學(xué)者研究了低溫下兩種物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)，列于表1中，但高溫下熱物理性質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍屬空白。因此，本文對(duì)棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯兩種燃料的密度、表面張力、黏度和折射率在較寬溫區(qū)下進(jìn)行全面研究，為其工程應(yīng)用提供支持。

表1 文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

熱物性 物質(zhì) 數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù) 溫度范圍/K 文獻(xiàn)

密度 棕櫚酸甲酯 24 [308.15, 372.15] [7-12]

棕櫚酸乙酯 16 [298.15, 363.15] [9,12-13]

折射率 棕櫚酸甲酯 7 [303.15, 348.15] [9,14-15]

棕櫚酸乙酯 4 [298.15, 348.15] [9,13,15-16]

黏度 棕櫚酸甲酯 19 [303.15, 372.15] [7,12,17-18]

棕櫚酸乙酯 16 [303.15, 363.15] [12-13,18]

表面張力 棕櫚酸甲酯 3 [313.15, 353.15] [19]

棕櫚酸乙酯 2 [298.15, 303.15] [13]

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯、正十二烷均由阿拉丁公司提供，詳細(xì)的基本性質(zhì)列于表2中。其中，臨界參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)由Constantinou-Gani(CG)基團(tuán)貢獻(xiàn)法計(jì)算獲得，此方法也被化工流程計(jì)算軟件Aspen Plus所采用。測(cè)量前，采用孔徑為2μm的聚四氟乙烯過(guò)濾器去除液相中納米級(jí)別的顆粒。

表2 棕櫚酸甲乙酯的基本性質(zhì)

項(xiàng)目 棕櫚酸甲酯 棕櫚酸乙酯

化學(xué)文摘號(hào)(CAS No.) 112-39-0 628-97-7

化學(xué)式 C17H34O2 C18H36O2

臨界溫度 Tc/K 750.9 729.3

沸點(diǎn) Tb/K 584.2 591.7

臨界壓力 pc/MPa 1.3 1.2

臨界體積 Vc/(cm3·mol?1) 1010.2 1062.9

摩爾質(zhì)量 M/(g·mol?1) 270.45 284.48

樣品來(lái)源 Aladdin Aladdin

純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/% 97.20 98.29