摘要

為了獲取兩種脂肪酸酯類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開展研究。

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。一般來說，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；燃料黏度過高會(huì)導(dǎo)致油箱沉積物增多和過濾器堵塞等故障，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)可以用來預(yù)估實(shí)際中難以測量的混合燃料性質(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。測量前，采用孔徑為2μm的聚四氟乙烯過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

樣品來源 Aladdin Aladdin

純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/% 97.20 98.29