二茂铁对柴油的助燃和消烟作用计算机模拟实验.docx

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二茂铁对柴油的助燃和消烟作用计算机模拟实验

二茂铁对柴油的助燃和消烟作用计算机模拟实验

1前言

鉴于采用计算机模拟化学实验有着如上的好处与作用，本实验通过实验模拟柴油完全燃烧与不完全燃烧添加下，二茂铁对柴油燃烧的影响，以求减少真实实验过程中的繁琐操作，也力求将对实验对环境的污染程度降低最低，达到绿色化学、环保化学的目的。

以下简述二茂铁对柴油燃烧的作用及原理。

柴油发动机产生的废气中含有大量炭黑和有害气体，炭黑含量决定了废气的烟度。

炭黑会使柴油发动机喷油器堵塞，从而使燃烧恶化，不仅增加燃料消耗，而且加剧空气污染。

柴油机燃烧过程中生成有氮氧化物NOx、未燃碳氢化合物HC、一氧化物CO和碳烟微粒PM（颗粒）等有害物,对人体非常有害。

随着环境保护的日益重视,人们越来越关注柴油机的排气污染问题。

NOx的形成机理N2在空气中约占79%,它是随空气一起进入柴油机气缸的,是一种比较稳定的气体,一般不与O2进行化学反应。

它只有在温度达到

2300K以上并且在富氧区中时,才与O2产生反应。

O2⇋2O

O+N2⇋NO+N

N+O2⇋NO+O

当温度低于900K时2NO+O2⇋2NO2

当温度低于410K时NO2+NO2⇋N2O4

PM的形成机理柴油机废气中的颗粒主要是不完全燃烧生成的碳烟,包括某些碳氧化合物、SO2、燃油及机油中的灰分以及添加剂等形成的颗粒。

碳烟是燃料在1500K以上、过量空气系数<0.6的高温缺氧区里经过脱氢反应生成的。

燃料射流中液核过浓的预混合区是生成碳烟的主要地方。

消除碳烟的关键是控制预混合燃烧阶段的空燃比,使过量空气系数在0.6-0.8范围内,使之不生成碳烟,而不能指望在燃烧中后期的碳烟再氧化,因为再氧化需要高温,在富氧条件下必将伴随NOx的增加。

目前提高柴油发动机燃烧效率，减少废气中炭黑的方法有两种，一种是物理化学方法，即加入少量助燃剂；另一种是机械方法，即改进柴油发动机燃烧室的结构，物理化学方法的实质是对柴油进行变性处理，提高雾化程度，增加热扩散，从而对柴油的燃烧起催化作用，使柴油对废气起洗涤作用，以减少排放，使发动机工作稳定，从而使柴油完全燃烧。

柴油助燃剂的研究早就引起了国内外的重视，已研制出多种柴油助燃剂，有各种功能和效果，但目的都是促使柴油完全燃烧。

二茂铁是一种新型有机金属配合物，由于其特殊的夹心结构，稳定的性能，广泛的用途及其潜在的应用前景而一直为许多化学工作者所关注。

其最主要的用途是作燃料助燃剂，如：

用于提高汽油辛烷值（效能为四乙基铅的80%左右）,可代替四乙基铅制得无铅汽油；用于促进柴油燃烧完全，加入0.1%可使烟炱降低65%；在煤炭中加入0.05%，可使一氧化碳下降75%；用在火箭燃料中（用量为l%～3%）可使燃烧速度提高1～3倍。

因此，二茂铁是优良的助燃催化剂，它不仅能使动力机械燃烧室的积炭减少，延长机械使用寿命，同时可提高燃料利用率,减少烟尘对大气的污染[3]。

柴油是一类分子量较大的烃类混合物，不易完全燃烧,直接用于汽车燃料,易使发动机燃烧室积碳、排放的尾气产生黑烟。

二茂铁在助燃消烟方面的作用[3]

研究表明，将二茂铁及其衍生物添加到固体、液体或气体燃料中，都能发挥其助燃、消烟和抗爆等作用，尤其是对燃烧时产生大量烟尘的烃类，效果更为显著。

二茂铁及其衍生物添加到煤油或柴油中，仅0.1%（重量）的用量，就可平均节油14%，且使发烟量减少40%-70%，车辆功率提高10%。

二茂铁的助燃消烟机理二茂铁的助燃主要是利用二茂铁在发动机燃烧室中燃烧时生成比表面很大的Fe2O3微粒，提高燃烧速度，改善了烃类在燃烧室内停留过秳中发生热裂解或脱氢反应的进行过程，使燃料充分燃烧。

迚入气缸内的二茂铁衍生物受热分解，所生成的氧化铁微粒能参不燃料烃类的焰前反应，即不烃类在气相氧化过秳中产生自由基链式反应；产生活性中心作用，使之变为活性很小的氧化中间产物，导致过氧化物浓度降低，链的长度和分支减少；释放出能量的速度降低，着火的诱导期延长，燃料的抗爆性提高。

此过程可使发动机压缩比提高，达到节油不减少有害气体的产生的目的。

2实验目的

①了解一些易对环境造成污染的化合物的绿色合成方法，力求把环境的影响降到最低程度，培养学生从事科研与生产活动中绿色、环保理念。

②了解二茂铁以及衍生物的应用，特别是作为一种优良的燃料助燃催化剂，其重要的经济价值不环保价值。

③了解利用计算模拟实验的方法与意义，学会利用计算机模拟化学实验。

3实验原理

燃烧热的测量原理

有机物的燃烧热是指1mol有机物在一个大气压下完全燃烧所放出的热量。

在恒容条件下测得的燃烧热称为恒容燃烧热，它等于这个燃烧反应过程中内能变化。

在恒压条件下测得的燃烧热成为恒压燃烧热，它等于这个燃烧反应过程的焓变。

化学反应热效应通常是通过恒压热效应表示，若参加燃烧反应的是一个大气压下1mol有机物，则恒压热效应即为该有机物的标准燃烧热。

在实际测量中，燃烧反应在恒容条件下迚行（如氧弹式卡热计中迚行），这样直接测得的是反应的恒容热效应。

若把参加反应的气体不生成的气体作为理想气体处理，则存在下列关系式：

QP=Qv+ΔnRT

（1）

测量的基本原理是能量守恒定理，样品完全燃烧放出的热量促使卡热计本身及其周围介质（本实验用水）温度升高，测量介质燃烧前后温度的变化，就可求算出该样品的恒容热效应，在量热计与环境没有热交换情况下，其关系式为：

m样Qv=W（卡计+水）×ΔT-m点火丝×Q点火丝

（2）

m样为样品的重量（克）；Qv为样品的恒容燃烧热（焦/克）；W（卡计+水）是指氧弹卡计和周围介质的热当量（焦/度），它表示卡计和水每升高一度所需要吸收的热量，W（卡计+水）=14543.35（J/K）（水3000ml），W（卡计+水）一般用经恒重的标准物如苯甲酸来标定，苯甲酸的恒容燃烧热为26459.6J/g。

△T为燃烧前后温度的升高值；m点火丝为点火丝的质量；Q点火丝为点火丝的燃烧热，其值为6694.4J/g。

在实验过程中热漏是无法完全避免的，因此，燃烧前后温度的变化值必须经过雷诺作图法或者计算法校正。

通过氧弹量热装置以及公式

（2）式的计算，分别测量燃油和在油中加入添加剂后的燃油的燃烧热，即可研究添加剂对燃油燃烧速率的影响。

通过氧弹量热装置以及公式

（2）的计算，分别测量在燃油中加入不同量添加剂后的燃油的燃烧值，即可研究添加剂的量对燃油燃烧效率燃烧速率的影响。

4仪器

计算模拟实验FLASH课件

5实验步骤与结果

5.1完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧的影响

①点击不加二茂铁按钮，得出曲线图，温度上身H1

②点击加二茂铁按钮，得出曲线图，温度上身H2

③点击二者对比，则得到两次实验对比图，如下所示：

图1完全燃烧条件下，添加与未添加二茂铁柴油燃烧曲线

结果分析：

从两者的完全燃烧曲线可以看出，不加二茂铁的燃烧曲线较为平缓，在柴油中加入二茂铁后，燃烧曲线变得更加陡峭。

从H1和H2的高度比较可以看出，完全燃烧的情况下，两者放出的热量相同；但在柴油中加入二茂铁后，燃烧的速率增大，即在较短时间内放出同样的热量，这将有利于柴油机的启动，可见在燃烧过程中，二茂铁作为催化剂，提高了柴油的燃烧速率。

5.2不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧热和燃烧速率的影响

第一组：

在实验一输入55，在实验二输入60，得出曲线对比图；

第二组：

在实验一输入65，在实验二输入70，得出曲线对比图；

第三组：

在实验一输入75，在实验二输入80，得出曲线对比图；

第四组：

在实验一输入85，在实验二输入90，得出曲线对比图；

第五组：

在实验一输入95，在实验二输入100，得出曲线对比图；

第六组：

在实验一输入105，在实验二输入110，得出曲线对比图；

第七组：

在实验一输入115，在实验二输入120，得出曲线对比图；

将以上七组实验所得数据汇总得：

表1不同配比二茂铁时，氧弹卡计升高的温度数

二茂铁配比/%

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

升高的温度数

2.68

2.72

2.79

2.85

2.92

2.97

3.02

3.01

2.98

2.96

2.95

2.94

2.91

2.90

图2不同二茂铁配比时，氧弹卡计升高的温度数

结果分析：

经过加入不同的配比的二茂铁来进行对比实验，结果表明随着配比的增加，升高的温度有所增加，即所放出来的燃烧热增加，当增加到一定的数值时，升高的温度也会有所下降，但下降得较为平缓。

在本次模拟实验里，结果表明二茂铁的最佳配比为0.85%。

6实验讨论

1、通过进行计算机模拟实验以及查阅文献[4-5]得到一下相关图表

由表2中的实验数据可以看出:

在柴油中加入二茂铁能提高了柴油的燃烧效率在同样的柴油质量下,二茂铁含量的不同,每克柴油燃烧所引起的温度变化值（△T/m）和加二茂铁时同样质量的柴油的恒容燃烧值Q（J/g）的变化也不同,以0.85%的二茂铁/柴油混合体系的△T/m和恒容燃烧值Q（J/g）为最高.可见在不完全燃烧的条件下,0.85%的二茂铁/柴油混合体系为较佳配比组成,使每克柴油燃烧的效率最大.

2、文献报道[4-5]在较佳配比0.85%下，进行了多次的实验验证，实验结果如下：

表3显示的数据表明，0.85%二茂铁/柴油混合体系可以确定为最佳的配比体系，燃烧效率平均提高了1.72%。

由此可得出结论：

0.85%是二茂铁/柴油混合体系在不完全燃烧条件下最佳配比。

此时，每克的柴油燃烧效率最大，同时相应的炭渣残余量最小。

随着计算机多媒体技术的飞速发展和教学改革的不断深入,计算机多媒体辅助教学已成为一种趋势。

化学作为一门实践性很强、理论内容又较为抽象的学科,将计算机多媒体技术引人化学教学,既可以帮助学生更好地理解和掌握化学基础知识,培养学生观察、思维能力,也可以促进教师的教学创新。

[1]化学是一门以实验为基础,研究物质组成、结构、性质、变化及合成的科学。

因此在化学教学的过程中必须重视实验教学,但传统化学实验教学存在诸多不足。

比如,受仪器、经费、污染、危险、时间和空间等因素的影响限制,使诸多化学实验难以顺利开展,导致学生的实验技能和视野很难得到全面提升和训练。

在重视化学实验教学的同时,注意计算机模拟化学实验的合理应用,使上述问题得到较好解决。

通过计算机演示化学实验,使学生既明确了解实验目的,又熟悉了实验的基本操作步骤。

同时由于计算机模拟化学实验“直观形象、快慢可调、重复再现”,极大地提高了化学教学的趣味性、生动性,从而加深了学生对化学实验的印象,对其准确掌握有关化学知识,达到事半功倍的效果。

另外,模拟化学实验的广泛开展,大大减少了环境污染。

[2]

参考文献

[1]江兰,彭雪蓉,何晓利,代先祥.计算机模拟实验应用于化学教学的研究.2009,（6）:

152-153.

[2]高敬群,张向东,邓敏,王建平.计算机模拟实验教学的探索.化学教育,2001,

（1）:

23-24.

[3]吕广,二茂铁一前景广阔的燃料油添加剂[J].广石科技,1997（4）:

35

[4]郭建勋.二茂铁—优良的燃料燃速催化剂[J].陕西化工，1995,

（1）:

35-38.

[5]庞承新.添加二茂铁提高柴油燃烧热值的研究[J].广西师范学院学报，2006（23）：

52-53