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新型懸滴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制與二甲基亞砜/甲醇混合物表面張力測(cè)量(一)
來(lái)源:《化學(xué)工程》 瀏覽 601 次 發(fā)布時(shí)間:2025-12-04
利用新研制的懸滴法液體表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量了二甲基亞砜和甲醇在溫度為303.15—323.15K的表面張力,并擬合了計(jì)算方程。通過(guò)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較發(fā)現(xiàn),文中數(shù)據(jù)和方程與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)偏差不超過(guò)±1%。在此基礎(chǔ)之上,測(cè)量了二甲基亞砜與甲醇二元混合溶液在303.15—323.15K溫度區(qū)間內(nèi),DMSO摩爾分?jǐn)?shù)在0.1—0.9的表面張力,由結(jié)果可知不同配比下混合溶液表面張力實(shí)驗(yàn)值隨溫度的升高呈線性減小的趨勢(shì)。
甲醇與傳統(tǒng)的車用燃料汽油有許多相似的性質(zhì):如二者的密度相同;著火點(diǎn)及燃燒時(shí)的火焰溫度相近。同時(shí)甲醇的來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉,且不含石油燃料中必含的硫、苯、芳烴、烯烴等致癌物質(zhì),適宜作為汽油的替代燃料之一。與汽油相比,甲醇燃燒后的廢氣中CO、HC等有害物質(zhì)的含量顯著降低[1-3]。同時(shí),以固體聚合物作為電解質(zhì)的直接甲醇燃料電池(DMFC),更兼有運(yùn)行溫度低、易于封裝攜帶和安全性高等優(yōu)點(diǎn),未來(lái)將廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和汽車等領(lǐng)域。
二甲基亞砜(DMSO)是一種較強(qiáng)的極性溶劑,可以與甲醇進(jìn)行任意比例的互溶,同時(shí)具有較高的沸點(diǎn)和較強(qiáng)的可燃性,在石油、化工、醫(yī)藥、電子、合成纖維、塑料、印染等行業(yè)中常作為萬(wàn)能溶劑。二甲基亞砜廣泛應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)研究,常用作聚合物的溶劑。
表面張力作為燃料的重要性能指標(biāo),對(duì)于燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的霧化過(guò)程有著重要的影響。一般地,表面張力較高會(huì)導(dǎo)致汽油機(jī)噴霧困難,液體燃料不易破碎成較小的液滴,延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間,降低了汽油機(jī)的熱效率。因此,在設(shè)計(jì)和優(yōu)化汽油機(jī)噴射器時(shí),為了達(dá)到滿意的霧化性能指標(biāo),以提高汽油機(jī)效率和降低有害污染物和顆粒排放,首先必須精確地獲取燃料在較寬的溫度范圍內(nèi)的表面張力。但是,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)表明,甲醇與二甲基亞砜混合物表面張力數(shù)據(jù)仍屬空白,因此本文將利用課題新研制的高精度懸滴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量了其混合物表面張力,為柴油機(jī)噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。
實(shí)驗(yàn)本體材料為316不銹鋼,設(shè)計(jì)承壓范圍為0—20MPa,兩端設(shè)計(jì)有法蘭結(jié)構(gòu)的觀察窗。懸滴通過(guò)不銹鋼針頭形成,其端口平整,外徑規(guī)格為(1.61±0.005)mm,內(nèi)徑為0.3mm,通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)緊固于本體內(nèi)。采用LED白色冷光源和1400萬(wàn)像素的CMOS相機(jī)及其放大鏡頭采集懸滴圖像。實(shí)驗(yàn)本體溫度采用電加熱分段控制,在其非觀察面上均勻纏繞電加熱絲并利用Fluke2100溫度控制器控制其溫度,在觀察窗兩側(cè)安裝有加熱筒,并控制加熱筒的溫度高于本體溫度約5—10℃,防止在升溫的過(guò)程中窗口結(jié)霧。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度范圍為20—180℃,溫度波動(dòng)度好于±10mK。本體溫度采用ASL F200高精度溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量,校準(zhǔn)證書顯示的全量程測(cè)溫不確定度為±10mK,Pt100溫度計(jì)由北京計(jì)量院標(biāo)定,標(biāo)定證書顯示的不確定度為±5mK。因此,本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度擴(kuò)展不確定度為±30mK(k=2)。實(shí)驗(yàn)本體通過(guò)螺紋桿懸至于環(huán)氧樹(shù)脂保溫箱體內(nèi)部,并利用調(diào)平螺母調(diào)節(jié)本體的高度和水平,從而使其內(nèi)部的針管處于鉛垂位置并在相機(jī)視野的中心。待本體溫度穩(wěn)定30min后,開(kāi)始采集懸滴圖像,每滴采集10次,間隔為3s,至少采集3個(gè)懸滴共計(jì)30張圖片,擬合計(jì)算并取平均值作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3 結(jié)果與討論
3.1 系統(tǒng)測(cè)量不確定度分析
本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度由以下誤差傳遞公式估計(jì)為:
式中:(?σ/?T)·(ΔT/σ)表示溫度波動(dòng)引入的不確定度;Δρl/(ρl-ρg)和Δρg/(ρl-ρg)分別表示氣液相密度值引入的不確定度;Δβ/β和ΔR0/R0表示擬合計(jì)算結(jié)果引入的不確定度;(?σ/?L)·(ΔL/σ)表示像素尺寸誤差引入的不確定度。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度擴(kuò)展不確定度為±30mK(k=2)。液體溫度變化1K所引起的表面張力變化小于0.2mN/m,當(dāng)所測(cè)液體的表面張力大于10mN·m時(shí),溫度的不確定度為(?σ/?T)·(ΔT/σ)≈0.06%。氣液相密度的不確定度貢獻(xiàn)分別為0.005%和0.2%。重力加速度值一般比較精確,其不確定度貢獻(xiàn)可忽略。擬合β和R0的不確定度貢獻(xiàn)分別為Δβ/β=0.05%和ΔR0/R0=0.005%??紤]到0.001μm的像素尺寸誤差引入的偏差約為0.05%,像素尺寸的誤差不超過(guò)0.001μm,因此由像素尺寸引入的不確定度貢獻(xiàn)(?σ/?L)·(ΔL/σ)小于0.05%。綜上所述,本文系統(tǒng)測(cè)量表面張力的擴(kuò)展不確定度為0.44%(k=2)。
表1為利用懸滴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量的二甲基亞砜及甲醇在303.15–323.15 K溫度區(qū)間內(nèi)的表面張力值。其中,二甲基亞砜的密度數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[9]采用AntonPaarU型振動(dòng)管密度計(jì)測(cè)得的結(jié)果。甲醇的密度數(shù)據(jù)取自NIST REFPROP9.0[10]。本文測(cè)量時(shí)的溫度不高,各物質(zhì)的氣相密度很小,因此在實(shí)際計(jì)算中可將其忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的二甲基亞砜及甲醇均采購(gòu)自阿拉丁化學(xué)試劑有限公司,純度為99.5%,使用前未做進(jìn)一步提純。
表1 二甲基亞砜和甲醇表面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)| T / K | ρ / (kg·m-3) | σexp / (mN·m-1) | T / K | ρ / (kg·m-3) | σexp / (mN·m-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 303.16 | 1.0908 | 41.88 | 303.16 | 0.78154 | 21.70 |
| 308.14 | 1.0858 | 41.28 | 308.14 | 0.77683 | 21.30 |
| 313.16 | 1.0808 | 40.73 | 313.16 | 0.77208 | 20.88 |
| 318.13 | 1.0758 | 40.16 | 318.13 | 0.76733 | 20.39 |
| 323.12 | 1.0708 | 39.67 | 323.12 | 0.76182 | 19.96 |
分別將二甲基亞砜和甲醇表面張力數(shù)據(jù)擬合為Van der Waals形式:
σ = σ0 (1 - T/Tc)μ (4)
式中:Tc的單位為K;二甲基亞砜的臨界溫度為Tc=707K,擬合值σ0=76.255911 mN/m,μ=1.07134,實(shí)驗(yàn)值與方程擬合值的最大偏差為0.085%,平均偏差為0.06%;甲醇的臨界溫度為Tc=512.6K,擬合值σ0=46.05784 mN/m,μ=0.839733,實(shí)驗(yàn)值與方程擬合值的最大偏差為0.16%,平均偏差為0.089%。





