乙醇与柴油的互溶.docx
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乙醇与柴油的互溶
成绩评定表
学生姓名
马翼飞
班级学号
1308010223
专业
化学工程与工艺
课程设计题目
乙醇柴油的互溶
评
语
组长签字：
成绩
日期
20年月日
课程设计任务书
学院
环境与化学工程学院
专业
化学工程与工艺
学生姓名
马翼飞
班级学号
1308010223
课程设计题目
乙醇与柴油的互溶
实践教学要求与任务:
查阅柴油乙醇互溶及乳化方面的相关文献资料，综述乙醇柴油互溶的研究现状。
根据乙醇互溶过程中的影响因素，设定科学可行的实验方案。
按拟定的方案进行实验，研究助溶剂及其复配方法在乙醇互溶中的作用，探讨反应条件的变化规律，并得出相应的结果和结论。
结合所查阅的文献及所开展的实验，按照学术文章的基本要求撰写报告。
工作计划与进度安排:
12月26日—12月28日查阅有关文献资料，了解乙醇柴油的互溶及乳液制备的研究进展，并对文献进行综述。
12月29日—12月30日设计科学、可行的实验方案，研究乙醇与柴油互溶过程的影响因素，并据此开展实验。
1月3日—1月6日对得出的实验数据进行整理和分析，并得出相应的结论。
撰写报告并上交。
指导教师：
201年月日
专业负责人：
201年月日
学院教学副院长：
201年月日
1．前言
1.1引言
石油作为传统能源在人类的生活中占有重要的地位己经一个世纪了，随着汽车工业的发展，对于石油的需求也日益增大。
1973年后期，石油价格大幅上涨且不时出现短缺的严重形式笼罩着整个世界。
我国石油需求量很大，资源不足，2000年进口原油7000万吨，成品油3000万吨，节约能源，降低消耗是摆在我们面前的重要课题。
同时随着汽车产量的猛增，汽车排放的尾气成了流动的污染源，对大气的危害十分严重。
世界环境状况日益恶化，全球变暖，臭氧层空洞，酸雨等环境问题逐渐为全人类所重视。
美国每年由汽车向大气排放的污染物高达2-2.13亿吨，日本每年由汽车向大气排放的污染物亦达600万吨。
汽车排放污染物主要有碳氢化合物CH、氮氧合物NOx、一氧化碳CO、微粒PM等。
它们主要通过汽车排气管排放，将近45%的HC和极少数的其它污染物质则由曲轴箱和燃油系统排放。
在上述汽车排放污染物中，CO是燃油不完全燃烧的产物，对人的健康危害较大。
HC主要是燃油蒸发和不完全燃烧的产物，由200多种不同的成份构成，含有致癌物质。
NOx是燃烧室高温高压条件下，由氮和氧化合而成，排放到大气后变成二氧化氮，其毒性很强，对人及植物生长均有不良影响，是形成酸雨及光化学烟雾的主要物质之一。
PM主要成份是碳烟，上面附有大量化学物质，包含致癌物质，吸入人体后会在肺部长期停留。
随着汽车排放污染物对环境造成的危害日益严重，世界各国都先后制定了限制汽车废气排放的限量值，其中欧盟组织（EU）制定的欧洲标准是大多数国家和地区执行的参照标准[1]。
降低内燃机的比油耗、控制内燃机的排放是当前内燃机工作者的重要任务。
柴油机由于其高效、HC和CO排放量低的优点，应用范围己不仅局限于载重车辆，在轿车上的应用也越来越多。
因此，降低柴油机的油耗和排放具有非常重要的意义。
各国科技工作者对此作了大量研究工作，一方面节能一一深入进行降低内燃机比油耗的研究，另一方面开源一一开发内燃机的代用燃料。
2001年4月18日，国家计委和国家质量监督检验检疫总局联合举行了新闻发布会，宣布我国将全面推广使用乙醇汽油。
这标志着乙醇作为一种内燃机的代用燃料已经成功地在汽油机上得到了应用，同时，如何在柴油机上应用嫌料乙醉这一课题，又摆在科技工作者面前。
目前，我国的燃料乙醉生产已形成了一定的规模，研究其在柴油机上的应用，这将对加强我国的能源安全、降低大气环境污染起到重要作用[2]。
1.2乙醇柴油
1.2.1燃料乙醇
乙醇俗称酒精，它是以玉米、小麦、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏而成，将乙醇进一步脱水再加上适量变性剂后形成变性燃料乙醇。
所谓车用乙醇汽油，就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配形成的一种汽车燃料。
乙醇几乎能够完全燃烧，不会产生对人体有害的物质。
用乙醇替代等量汽油，可提高汽油的辛烷值，清洁汽车引擎、减少机油替换、降低汽车尾气有害物质的排放。
作为增氧剂，燃料乙醇还可替代MTBE、ETBE（乙基叔丁基醚），避免对地下水造成污染。
我国2001年制定的《变性燃料乙醇》标准中，规定变性燃料乙醇水分含量不大于0.8%，因为水分的增加易造成乙醇汽油相分离，而乙醇又有较强的吸湿性。
油水分离会导致发动机运转故障[2]。
1.2.2燃料乙醇的制备
乙醇的生产方法有两类，即合成法和生物法。
近几年来由于受原油价格高涨的影响，合成法乙醇生产受到很大制约，使生物法乙醇生产得以恢复和发展。
生物法乙醇生产就是以农产物（如玉米）、农林废弃物（如农作物秸秆、甘蔗渣和国家森林每年为防止火灾稀疏林木而积累下来的森林残余物）为原料，通过水解作用将其转化为糖，再经发酵作用将糖转化为乙醇。
原料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其中的木质素在事后仍可作燃料用。
目前美国利用生物技术将纤维素、半纤维素水解成单糖的工艺技术有5种:
酶解法、稀酸水解法、浓酸水解法、逆流酸水解法、一步酶工艺法。
乙醇可以用用甘蔗渣、玉米、玉米秸秆、薯类、大麦、土豆、甜菜以及一些野生植物制成。
1Km2土地一年可获得5000吨甘蔗渣，lt甘蔗渣可生产将有7OL乙醇，即1Km2土地可生产出350m3乙醇。
因而大力发展生物乙醇产业将产生显著的社会经济效益[2]。
1.2.3燃料乙醇的特性
1、乙醇是燃油氧化处理的增氧剂，使燃油增加内氧燃烧充分，达到节能和环保目的。
2、乙醇具有极好的抗爆性能，调合辛烷值一般都在120左右，作为汽油的高辛烷值组份，它可有效提高汽油的抗爆性（辛烷值）。
3、在新标准汽油中，乙醇还可以经济有效地降低烯烃、芳烃含量，降低炼油厂的改造费用。
4、乙醇是太阳能的一种表现形式，在整个自然界这个大系统中，乙醉的整个生产和消费过程可形成无污染和洁净的闭路循环过程，永恒再生永不枯竭。
5、乙醇热值较低，要想在内燃机中掺烧并且获得同样的功率，必须加大燃油喷射量。
乙醇现己广泛应用到汽油机中，这方面的研究较多而且比较成熟。
在柴油机上的应用还很少。
目前乙醇在柴油机上应用的主要方式有乙醇一柴油混合燃料法、着火改进剂等方法。
在柴油机上掺烧乙醇和在汽油机上掺烧乙醇相比具有以下特点:
1、柴油机的压缩比远高于汽油机。
在柴油机中掺烧乙醇可以比在汽油机上掺烧乙醇获得更高的热效率。
而醇类的辛烷值高，可以用于高压缩比内燃机。
2、在增压柴油机中掺烧乙醇，采用进气管供醇法，可以更好地利用其而吸收增压后地空气热量，从而形成自然中冷。
这就增加了增压后进气的密度，提高发动机地功率。
3、烟度是限制柴油机功率（冒烟极限功率）和评价柴油机地重要指标。
柴油机掺烧适量乙醇后，可以在发出同等功率时大大降低烟度。
因为乙醇是含氧燃料，在燃烧中有自供氧效应，可以使燃烧更为完善。
4、柴油机地用途比汽油机的用途广泛得多。
如果解决了柴油机掺烧乙醇的各种技术问题，其对国民经济的意义是比较大的[2]。
在我国以前的研究中，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几种:
1、柴油为主、掺烧乙醇、化油器供醇法:
用简化了的化油器装在柴油机进气管上，辅助性的吸入乙醇.
2、预燃式柴油机进气管喷乙醇掺烧法:
日本近久武美在这方面做了大量研究工作，乙醇从气缸盖进气管法兰上游喷入进气管;
3、燃用柴油+乙醇+乳化剂法:
通过乳化剂将柴油和乙醇均匀混合在一起;
4、乙醇为主、柴油引燃、双喷嘴供醇法:
柴油为引燃燃料。
在引燃燃料喷入前，将乙醇喷进气缸后，有时间进行初期燃烧，由于乙醇的高潜热会使燃烧熄灭。
引燃燃料只要使乙醇烧起来，就可以使乙醇喷射量达到约90%。
这种方式需要有两套燃料喷射系统和油箱。
作为内燃机的代用燃料，必须具备下列条件:
1、必须具有一定的热值。
其理论混合气热值不低于2.60MJ/Kg，即接近于柴油或汽油的理论混合气热值（它们分别为2.753MJ/Kg和2.778MJ/Kg）:
2、必须在发动机运转的一定时间内达到气化或雾化，以便能与空气迅速形成可燃的气态混合气，及时燃烧:
3、必须在一定的温度和压力下以及一定的时间内燃烧基本完毕，过后燃烧不可拖得过长，即必须在活塞处于上止点附近及上止点以后约60℃（A曲轴转角）得时间内基本上放出自己得全部热量;
4、燃烧后得排气污染程度必须在国家标准规定的限度以内;
5、与柴油或汽油的质量和热值相比，其价格不能太高，特别是在普遍推广应用时更应如此:
6、所有的内燃机代用燃料必须具有节能、再生或应急性质（节能主要时指节省石油系燃料）。
理论和实践证明:
乙醇柴油具备上述条件。
综上所述，通过采取一定的措施，在基本不改动柴油机结构的前提下，在柴油机上燃用乙醇柴油理论上是可行的[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为三大类:
醇类、醚类和酯类。
醇类当中研究得最多的是乙醇和乙醇。
乙醇难溶于柴油当中，室温（20℃），latm下最大溶解的体积百分比约3%。
所以要使柴油一乙醇能形成稳定、均匀的混合液则必须加入适当的助溶剂或乳化剂。
纯乙醇室温下可与柴油混溶，不过这种柴油一纯乙醇溶液极易从空气中吸水而分层。
7.5℃时柴油中能溶解的纯乙醇体积百分比为10.2%，而通常配制柴油一乙醇混合燃料考虑到改善排放，同时混合燃料的动力性下降要在许可范围内，配制的柴油一乙醇混合燃料中，乙醇所占的体积百分比可达20%。
南方大部分城市的冬季夜间温度都低于7.5℃，所以配制乙醇含量为20%的柴油一乙醇混合燃料仍需加入适当的助溶剂或乳化剂使柴油和乙醇形成稳定的混合液。
而如果配制含醇量低于10%的柴油一乙醇混合燃料，由于乙醇极易吸水从而造成混合液分层，所以还是要考虑到加入助溶剂，因为燃料在油箱中并未与空气完全隔离。
另外含醇量为95%的工业乙醇很难溶于柴油中，所以如果配制的是柴油一工业乙醇棍合液，则一定要加入其它助剂使之能形成稳定、均匀的混合液。
从混合燃料的形态上看，植物油和醋类通常能与柴油混溶，且其十六烷值与柴油同相当，所以无需其它的助剂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温、常压下是气体，因而不能直接与柴油混合，通常是另采用一套供油和喷射系统。
而乙醇、乙醇在柴油中溶解度不大，一般要加入其它助剂才能形成较稳定、均匀的混合液，实际上这种混合液常常是以乳化液形态存在，通常可分为微乳液（外观透明）和粗乳化液（外观通常是乳白或乳黄色），粗乳化液也就是通常所说的乳化液。
通常把柴油和其它物质混合后经一定工艺形成乳化液形态的燃料称作乳化柴油，这种混合燃料具有低碳烟，低NOx、排放的效果。
除了醇可与柴油配成乳化柴油燃料外，水也是常用物质之一。
由于水的热值为0，所以柴油一水乳化液中水的加入会造成混合燃料的十六烷值低，热值低等不利影响。
目前国内、国外对乳化柴油的研究可分为两部分:
一部分研究配制乳化柴油的配方和乳化技术;另一部分则研究乳化柴油的动力性、经济性。
通常开发一种新型乳化柴油要包括这两个部分[3]。
2实验部分
2.1实验仪器
表1实验仪器及制造公司
实验仪器及型号
制造公司
HJ-3型恒温磁力搅拌器
常州国华电器有限公司
HH-1型数显恒温水浴锅
江苏金坛荣华仪器制造有限公司
2.2实验试剂
表2实验试剂及产地
试剂
缩写
规格
产地
无水乙醇
Ethanol
AR
成都市科龙化工试剂厂
正丁醇
NButanol
AR
天津市瑞金特化学品有限公司
油酸
Oleicacid
AR
天津市永大化学试剂有限公司
2.3实验原理
乙醇显极性，具有较强的亲水性，能无限溶于水；而柴油属于石油系燃料，具有较强的憎水性，石油燃料憎水性顺序为：
脂肪族烃＞烯烃＞芳香烃，柴油中含有较多的脂肪烃，较少的芳香烃。
当柴油和乙醇混合时，表现出较差的相溶性，很容易分层。
因而解决柴油与乙醇的相溶性问题是柴油掺混乙醇的一个关键技术。
根据相似相溶原理,柴油与乙醇在不加助溶剂的情况下是不会完全相溶的。
助溶剂分子一般是由非极性的、亲油（疏水）的碳氢链部分和极性的、亲水（疏油）的基团共同构成的,具有既亲油又亲水的两亲性质。
助溶剂在乙醇/柴油混合燃料中具有降低乙醇/柴油界面的表面张力和在乙醇/柴油界面上形成界面膜的作用。
试验选择的助溶剂1亲油（疏水）的碳氢链（CH3—）占主要部分，也有亲水基；助溶剂2亲水（疏油）的基团（—OH,—CH2—）占主要部分，也有亲油基。
柴油能与助溶剂1以任意比例互溶,乙醇能与助溶剂2以任意比例互溶,助溶剂1能与助溶。
剂2以任意比例互溶。
采用两亲性分子在柴油中形成对乙醇具有增溶能力的胶团，通过胶团的增溶作用，实现互溶。
粘度是发动机燃油的一个重要特性，它是衡量流体内部摩擦阻力大小的尺度，是流体内部阻碍其相对运动的一种特性，体现了流体抵抗剪切作用的能力，它影响喷射系统的润滑特性以及燃油的雾化质量。
燃料的粘度太低就不能为油泵、油嘴提供足够的润滑，因此会加剧系统的磨损。
燃油的雾化程度、燃油液滴的大小、贯穿距离等也受粘度的影响。
如果燃油粘度太高，液滴粒径就会变大，影响燃料与空气的良好混合；粘度太小，会引起发动机相应运动部件的磨损量增大，可靠性降低。
2.4实验装置及流程
2.4.1实验装置组成
本实验需要用到的玻璃仪器有烧杯，酸式滴定管，滴管及量筒。
降酸式滴定管固定在铁架台上，下方放置烧杯及磁力搅拌器。
2.4.2注意事项
1.滴定管使用前必须试漏。
方法是：
滴定管活栓不涂油脂，注水至全容量，垂直静置15min，所渗漏的水不超过最小分度值，即可使用。
2.向滴定管注入标准液时，应先用少量标准液把滴定管润洗2～3次。
注入标准液至“0”刻度以上几厘米，转动活栓使溶液急速充满尖嘴，并不得存有气泡；
3.读数时，滴定管必须保持垂直。
装好或放出溶液后，应静置片刻，待附着在内壁上的溶液流下之后再读数。
读数者的视线必须与管内液面的最凹点处于同一水平线上。
4.滴定管用毕暂时不再使用时，应洗净并擦净活栓，在活栓处应垫一纸条，以防粘连。
5.搅拌时发现磁力搅拌器的搅拌子跳动或不搅拌时，请切断电源检查一下，烧杯底是否平，位置是否正，同时测一下，当前的电压是否在220±10V之间
6.加热时间一般不宜过长，间歇使用延长寿命。
7.中速运转可连续工作8小时，高速运转可连续工作4小时。
2.4.3实验流程
1、单一助溶剂存在的情况下乙醇与柴油的互溶性
（1）在室温的条件下，称取乙醇体积为5ml、柴油体积为15ml于烧杯内（25%乙醇），将烧杯放置于磁力搅拌器上。
（2）用正丁醇进行滴定，直到乙醇柴油混合溶液出现澄清透明为止，并记录正丁醇消耗的体积。
（3）多次重复
（1）的操作，再用油酸单独滴定，并记录消耗的体积。
研究它们单独存在时对乙醇柴油互溶性的影响。
（4）改变乙醇所占混合液的体积分数20%（5+20ml），17%（5+25），14%（5+30），12.5%（5+32）重复（3），通过多种助溶剂进行滴定.
绘出乙醇所占混合液的体积分数与滴定消耗助溶剂体积的曲线
2、溶剂复配作用下乙醇和柴油的互溶性
（1）在室温的条件下，称取乙醇体积为5ml、柴油体积为15ml于烧杯内，并置于磁力搅拌器上。
（2）各称取30ml的正丁醇和油酸进行1：
1复配滴定，直到乙醇柴油混合溶液出现澄清透明为止，并记录二者消耗的体积。
（3）重复
（2）的步骤，改变正丁醇与油酸的比例，1：
2，1：
3进行滴定。
（4）改变乙醇所占混合液的体积分数20%（5+20ml），17%（5+25），14%（5+30），12.5%（5+32）重复（23），通过复配助溶剂进行滴定.
绘出乙醇所占混合液的体积分数与滴定消耗复配助溶剂体积的曲线
3.结果与讨论
3.1实验结果
3.1.1单一助溶剂滴定结果
表4室温下单一助溶剂滴定乙醇柴油混合液的结果
乙醇体积分数%
消耗正丁醇体积ml
消耗油酸体积ml
25
4.1
3.6
20
4.3
4.2
17
4.1
5.1
14
4.4
5.4
12.5
3.9
6.0
3.1.2复配助溶剂滴定结果
表5室温下复配助溶剂滴定乙醇柴油混合液的结果
乙醇体积分数%
正丁醇：
油酸
1：
1
正丁醇：
油酸
1：
2
正丁醇：
油酸
1：
3
25
3.9
20
4.3
17
4.8
14
5.2
12.5
6.4
3.2结果讨论
3.2.1单一助溶剂下的乙醇体积分数与助溶剂消耗体积曲线
图表1单一助溶剂下乙醇体积分数与正丁醇滴定消耗体积的曲线
根据实验数据得到的趋势图，图中分析，该趋势并不明显，五组实验平均消耗正丁醇4.16ml，25%和17%两组实验消耗的正丁醇体积相同。
该实验五个乙醇所占体积分数保持了乙醇5ml不变，添加柴油来降低乙醇所占体积分数。
由此可见，助溶剂正丁醇的消耗量与乙醇添加量有关，由于滴定管及实验误差，可以认为当乙醇添加量不变时，助溶剂正丁醇添加量也不变。
图表2单一助溶剂下乙醇体积分数与油酸滴定消耗体积的曲线
根据实验数据得到的趋势图，乙醇所占体积分数和油酸消耗量成线性关系，随着乙醇所占混合液体积分数的增加，助溶剂油酸的消耗量减少，可以认为，乙醇添加量越多，消耗的油酸就越少，也就是说乙醇越易与柴油相溶。
根据以上两种助溶剂溶解乙醇和柴油的实验结果，由于油酸烃基碳原子数较多，含有双键和羧基，一端为亲水基，一端为疏水基，较有利于乙醇和柴油的互溶。
正丁醇碳链短，互溶的效果较差。
3.2.2复配助溶剂下的乙醇体积分数与复配助溶剂消耗体积曲线
图表3复配助溶剂下乙醇体积分数与1：
1复配助溶剂滴定消耗体积的曲线
根据实验数据得到的趋势图，正丁醇与油酸1：
1复配进行滴定，随着乙醇体积分数的增大，消耗复配助溶剂的量减少，较油酸单一助溶剂来说，复配助溶剂滴定消耗的量稍多，但混合液由浑浊变为澄清透明所需要的时间更短，说明复配助溶剂更容易使得乙醇和柴油互溶。
4.结论
本实验通过正丁醇以及油酸两种助溶剂来将不同体积分数的乙醇和柴油进行互溶，来验证不同助溶剂对二者互溶的影响。
实验证明，含有碳原子数多的烃基的助溶剂对乙醇和柴油互溶效果明显且容易，将两种助溶剂复配更容易促进乙醇和柴油的互溶。
5.参考文献
[1].刘蔚.乳化柴油及其实验研究.[D].大连理工大学,2003,1-2.
[2].杜宝国.乙醇一柴油一汽油混合燃料在柴油机上的应用研究.[D].大连理工大学,2003,1-9.
[3].吴楚.柴油-醇-水混合燃料的研究.[D].浙江大学,2003,8-13.
6.致谢
本论文是在党老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。
她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
党老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向党老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
我还要感谢在一起愉快的度过论文小组的同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢!
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