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，并為將其作為燃料和燃料添加劑提供理論和試驗數據支持，利用表面光散射法、振動管法和全反射法在較寬溫區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。密度和折射率數據分別關聯成了溫度的多項式和線性函數，棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯的密度試驗值與方程計算值平均絕對偏差分別為0.033%和0.013%，折射率試驗值與方程計算平均偏差均為0.004%；黏度數據關聯成了溫度倒數的多項式，棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯的試驗值與方程計算值平均絕對偏差分別為1.76%和2.30%；表面張力數據利用了van der Waals方程進行關聯，棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯的試驗值與方程計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點。生物柴油可以直接使用或與化石柴油調和使用，可以有效改善柴油的潤滑特性，降低發動機尾氣的污染物排放。生物柴油的主要成分是含有12~18個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動力學的機理較為復雜，往往選擇純質脂肪酸甲酯作為模型燃料來開展研究。

燃料的熱物理性質是內燃機燃燒系統的設計和優化所需要的基礎數據。當燃油經內燃機噴射系統進入燃燒室時，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燃機內混合氣體的密度；Wel和Rel分別為韋伯數和雷諾數，均為無量綱數，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動黏度。一般來說，較高的表面張力會導致燃料在內燃機內霧化困難，不易破碎成較小的液體，延長燃燒時間，同時也降低了內燃機的熱效率；燃料黏度過高會導致油箱沉積物增多和過濾器堵塞等故障，影響內燃機的供油安全，而燃料黏度過低又會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入內燃機綜合霧化效果的重要熱物理性質。同時，折射率也是燃料品質控制的重要指標，其試驗數據可以用來預估實際中難以測量的混合燃料性質，如密度和黏度。所以在較寬的溫度范圍內獲取燃料的這些熱物理性質數據是內燃機噴射系統設計的基礎。

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。已有學者研究了低溫下兩種物質的相關性質，列于表1中，但高溫下熱物理性質的試驗數據仍屬空白。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下進行全面研究，為其工程應用提供支持。

表1 文獻試驗數據匯總

熱物性 物質 數據點個數 溫度范圍/K 文獻

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，詳細的基本性質列于表2中。其中，臨界參數和標準沸點由Constantinou-Gani(CG)基團貢獻法計算獲得，此方法也被化工流程計算軟件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別的顆粒。

表2 棕櫚酸甲乙酯的基本性質

項目 棕櫚酸甲酯 棕櫚酸乙酯

化學文摘號(CAS No.) 112-39-0 628-97-7

化學式 C17H34O2 C18H36O2

臨界溫度 Tc/K 750.9 729.3

沸點 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

摩爾質量 M/(g·mol?1) 270.45 284.48

樣品來源 Aladdin Aladdin

純度(質量分數)/% 97.20 98.29