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氧乙醇油品焰火度數運算和燒焊技藝實驗探討

2018-07-12

1氧乙醇汽油的溫度計算
1.1乙醇汽油燃料的介紹
在計算中,選用辛烷值為90的參考燃料(PRF90,PrimaryReferenceFuels,體積比為90%的異辛烷和10%的正庚烷混合)代替汽油,10%乙醇與90%PRF90、50%乙醇和50%PRF90混合制成乙醇汽油燃料。其意義是:(1)PRF90的辛烷值和實際汽油的辛烷值相近;(2)汽油的主要成分是C5~C11的烷烴與環烷烴,正庚烷和異辛烷所含的碳原子是汽油成分所含碳原子的平均數,同屬于烷族,化學性質相近;(3)PRF90成分比汽油簡單,便于用化學方程式進行計算?! ?.2乙醇汽油的特性
(1)由于在汽油中加入了乙醇,乙醇的分子結構中含有羥基,使得汽油分子中增加了氧原子,氧原子的存在起到助燃的作用。因此加入乙醇的汽油形成含氧燃料,乙醇中的含氧量高達34.7%,添加10%乙醇,氧含量可達到3.5%,使燃料分子完全燃燒的條件得到改善,有利于未燃完CH、CO的氧化,減少CH、CO的排放。
(2)由于乙醇的碳原子數目為2,分子結構中含有氧原子,燃料分子結構簡單使得燃燒過程大大簡化,不會出現大量的燃燒中間產物,燃燒過程穩定。
但乙醇的汽化潛熱比汽油大,使得燃料的最高燃燒溫度比純汽油的低。
(3)由于乙醇中的辛烷值(RON)指數可達111個單位,乙醇按10%的比例混合配入汽油中,可使辛烷值提高2~3單位,提高了混合燃氣的抗爆性能。
(4)乙醇的主要原料是含糖作物、含淀粉作物以及纖維類原料,來源廣泛,加工工藝成熟,價格便宜,是當前典型的可再生資源。
1.3熱力學依據
當系統的狀態發生變化并引起能量發生變化時,這種能量的變化必須依賴于系統和環境之間的能量傳遞。系統與環境之間的能量傳遞可通過兩種方式,一種是“熱”,一種是“功”。因為反應是在常溫敞開系統下進行,為定壓過程,根據熱力學第一定律:ΔU=U2-U1=Q-W,在此條件下如果反應進行得很緩慢,反應放出的熱量能及時傳出,則反應物溫度和生成物溫度相同。而乙醇汽油燃燒反應為劇烈的氧化反應,反應熱來不及散失,反應所產生的熱量全部傳遞給生成物,增加其焓值,使溫度升高。因此可以利用物質的比熱容計算燃燒所能達到的最高溫度,即理論燃燒溫度。
1.4當乙醇的體積濃度為10%時,氧乙醇汽油火焰溫度的計算
(1)中性焰溫度的計算。根據化學反應前后原子守恒的原理,乙醇汽油燃燒的化學方程式為C7.31H16.62O0.1+11.415O2→7.31CO2+8.31H2O(1)當純氧與乙醇汽油物質的量比為3.605時,燃燒后的氣體中既無過剩的氧氣,也無游離碳,此時形成的火焰為中性焰。
如果所有氣體均為理想氣體時,1mol乙醇汽油完全燃燒需要11.415mol的氧氣,根據乙醇汽油火焰中性焰的特點,其中11.415mol的氧氣有3.605mol是來自氧氣瓶提供純氧,另外7.81mol的氧氣來自空氣。按空氣中氧氣與氮氣的體積比為0.21∶0.79,那么7.81mol的氧氣會帶來29.38mol的氮氣,乙醇汽油氣體燃燒的溫度為T,通過計算得出此時:T=2507.94K,t=2234.94℃。
(2)氧化焰的溫度計算。
假設純氧與乙醇汽油物質質量比為n(11.415≥n≥3.605),根據反應式可知1mol乙醇汽油和11.415mol氧氣完全反應,其中11.415mol氧氣中nmol來自氧氣瓶,(11.415-n)mol由空氣提供,因此帶入3.76(11.415-n)molN2。假設乙醇汽油燃燒的火焰溫度為T,焓為狀態函數,通過計算整理得出當純氧與乙醇汽油物質量比為3.605~11.415,氧乙醇汽油的火焰溫度為2234.94℃~3626.38℃。
1.5乙醇的體積濃度為50%時,氧乙醇汽油火焰溫度的計算
中性焰溫度的計算。按照上述計算原理,當乙醇的體積濃度占50%時,利用試根法得T=2598.88K,t=2325.88℃。氧化焰溫度的計算:通過計算可得當純氧與乙醇汽油物質量比為2.225~7.675,氧乙醇汽油的火焰溫度為2325.88℃~3762.65℃。
因此當乙醇汽油中乙醇的體積濃度不同時計算出來的火焰溫度如所示。
2三種狀態下乙醇汽油火焰長度分析
2.1燃燒過程氧氣消耗量的分析
氧乙醇汽油的燃燒過程與氧乙炔燃燒過程相似,都是由三個區域組成,分別進行三種不同的反應過程?! ∫掖计偷睦碚撊紵郎囟?br /> 2乙醇汽油的燃燒過程
從2可以看出,首先是焰心部分進行乙醇汽油分解反應,在內焰部分,碳原子與氧氣反應生成CO,這時的氧氣分別來自乙醇汽油自身分解和氧氣瓶提供的氧氣,分別消耗3.655份和2.475份氧氣,其中有0.05份和0.25份來自自身分解,3.605份和2.225份氧氣由氧氣瓶提供,外焰消耗7.81和5.45份氧氣。
(1)在絕對氧化焰的情況下,外焰氧氣完全由純氧供應。由于沒有空氣參與,當乙醇汽油中含10%和50%乙醇時,火焰的外焰區域總共有15.62體積和10.9體積生成氣體,火焰長度大約為乙炔中性火焰長度的1.8倍和1.2倍。
(2)在氧化焰的情況下,外焰氧氣由空氣和純氧共同供應。當乙醇汽油中含10%和50%乙醇時,空氣分別提供3.655mol和2.475mol的氧氣,分別代入13.74mol和9.31mol的N2,這時火焰的外焰區域共有29.36和20.21體積生成氣體,與乙醇中性焰時外焰區域氣體體積8.64相比大約多了3.4倍和2.3倍。
(3)在中性焰的情況下,外焰氧氣完全由空氣提供,含10%和50%乙醇的乙醇汽油外焰區域由空氣分別代入29.38體積和20.50體積的N2,使得外焰區域生氣氣體體積數為45.0和31.40,大約是乙炔中性焰外焰生成氣體體積數8.64的5.2倍和3.6倍。
因此,可以得出乙醇汽油在三種不同狀態下外焰區域生產氣體的體積數,如所示。
由可知,乙醇汽油燃燒充分、穩定,抗爆能力強,雖然乙醇汽油的火焰溫度比乙炔、汽油溫度低,但也能保持在2234.94℃以上,而且金屬切割過程中的熱量有70%由金屬燃燒產生,而預熱火焰提供的熱量僅占30%。所以可以滿足切割預熱金屬使之達到燃燒點,足以使鋼材預熱到燃點并維持整個切割打孔過程。而且氧乙醇汽油中性焰的外焰長度大約是氧乙炔中性焰的3.6~5.2倍,可以深入割縫內部進行加熱,對氧化熔渣起到了保溫作用,保證了熔渣具有足夠的溫度和流動性,使得熔渣容易去除。因此從理論上看,乙醇汽油作為切割替代燃料能夠節約能源,緩解當前石油短缺的能源危機,減少了污染物的排放,是一種節能、環保的新型切割替代燃料。
3氧乙醇汽油與氧乙炔切割試驗
3.1試驗設備和實驗工藝參數
試驗中分別用氧乙醇汽油和氧乙炔對12mm的Q235鋼材料進行切割,并利用自動切割機的行走機構,將手工射吸式割炬固定在小車式自動切割機上以實現自動切割,通過調節行走速度,實現在最佳狀態下的最大切割速度。氧乙醇汽油和氧乙炔火焰切割工藝參數。
外焰區域生成氣體的體積數
3.2切割質量比較
氧乙醇汽油火焰溫度低于氧乙炔的燃燒溫度,所以切割時預熱時間要比氧乙炔預熱時間長,切割速度慢,但火焰保護性好,切割處的金屬不易被氧化,切割后切口表面光滑平整,掛渣非常少且容易清除,棱角完好。切割過程中乙醇汽油的壓力基本穩定,火焰能穩定燃燒,不易回火。氧乙炔在切割時容易回火,切割后易切口上緣熔化、掛渣不易清除、后拖量增加等現象。這是由于乙醇火焰內外焰的溫差大,熱量集中于焰心,熱量分布不均勻造成的。是兩種切割方法切割面質量參數比較,可以看出,氧乙醇汽油可用于切割金屬。
4結論
(1)通過理論計算,表明了當乙醇體積濃度在10%~50%時,乙醇汽油的理論燃燒溫度在2234.94℃以上,氧乙醇汽油在三種狀態下火焰長度要比乙炔的長1.2~5.2倍,使得切割后的氧化熔渣更容易清除,而且燃燒充分,節約能源,環境污染小。
(2)通過試驗可知,與常規的氧乙炔切割方法相比,在切割相同金屬的過程中,氧乙醇汽油火焰燃燒更穩定,不易回火,切口表面光滑平整,熔渣易清除。

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