甲醇柴油互溶

目录
1.前言 (1)
1.1甲醇柴油的简介 (1)
1.2实验概况 (2)
1.3甲醇柴油的研究成果 (5)
1.4未来展望 (6)
2.实验部分 (10)
2.1实验仪器和药品 (10)
2.1.1实验药品 (10)
2.1.2实验仪器 (10)
2.2 实验步骤 (10)
2.2.1甲醇柴油互溶研究 (10)
2.2.2甲醇柴油的乳化研究 (11)
3.实验结果分析 (13)
3.1不同配比的甲醇柴油的互溶结果分析 (13)
3.2单一助溶剂对甲醇柴油的影响 (13)
3.3温度对甲醇柴油的影响 (14)
3.4助溶剂复配对甲醇柴油的影响 (15)
3.5甲醇柴油乳化结果分析 (15)
4.小结 (17)
参考文献 (18)
前言
柴油与水乳化燃料的的混合燃料在上个世纪的60年代得到广泛的研究，但由于甲醇和柴油极性上的巨大差异，要实现甲醇和柴油的混溶，形成稳定均匀的混合燃料，必须在甲醇和柴油的体系内加入一定比例的表面活性剂,助溶剂，使两者能够得到充分的混溶。

随着对助溶剂的不断深入研究，甲醇和柴油混合燃料的技术日渐成熟，近几十年来，甲醇和柴油混合燃料在全世界范围内得到了非常广泛的应用。

甲醇柴油是一种新型燃料，在性能上它具有了单纯的柴油所不具有的巨大优势。

其沸点比柴油低，混合气形成较快且比较均匀，同时甲醇含氧量较高其着火极限较柴油宽，所以其燃烧速度快，有利于完全燃烧，并且降低排烟。

研究表明，甲醇柴油燃烧时的碳粒浓度非常低，基本上是无烟的；而且甲醇汽化潜热交大，在形成混合气时降低进气温度，从而提高热效率，也可以抑制NOx和的形成。

近年来, 随着我国经济的快速发展, 石油的需求量持续增长，2009年我国原油进口比例已超过52%，2010年这一比例达到61%。

根据国际能源机构的预测，2020年石油消费量的76.9%都要依靠进口，到了2030年，中国的原油净进口量将增加到4.9亿吨左右，即目前的4倍，进口占总需求的比例也将激增到82%。

与此同时，石油燃料所带来的危害也越来越受到人们的关注，尾气排放已经成为了城市的一个主要的污染源。

甲醇柴油在逐步改变汽车能源结构, 发展汽车清洁代用燃料, 在发
动机上实现高效、低污染的燃烧, 控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响方面的作用越来越受到人们的关注。

（一）实验概况
（1）概况
甲醇柴油互溶助剂的实验机理：甲醇显极性，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。

当柴油和甲醇混合时，表现出较差的相溶性，很容易分层。

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。

助溶剂在甲醇/柴油混合燃料中具有降低甲醇/柴油界面的表面张力和在甲醇/柴油界面上形成界面膜的作用，从而有了使甲醇柴油互溶的能力。

虽然在理论上只要是两亲性分子都可以作为甲醇和柴油的助溶剂，但是普遍研究认为：脂肪醇等极罕有羟基基团，又含有烃基基团的分子具有较好的助溶性能。

研究表明：醇的助溶性能最好，油酸次之，酮再次，脂最弱。

常见的助溶剂有：正辛醇、仲辛醇、异辛醇、环己醇、正12醇、环己酮、油酸等。

（一）实验条件
①助溶剂及选择依据
甲醇柴油一般是油包水型乳状液，即甲醇为分散相，柴油为连续相，甲醇以珠状均匀分散在柴油中。

由于甲醇分子中含有羟基，在甲醇和柴油的界面上存在界面张力，且柴油和甲醇的表面张力差距较大，所以甲醇柴油是一种热力学不稳定体系，甲醇不能稳定分散，容易聚集分离。

要配置稳定的甲醇柴油微乳液，必须加入适当的表面活性剂作为助溶剂。

表面活性剂是一种包含亲水基和亲油基分子，能吸附在两相界面上。

但活性剂达到一定浓度形成胶束时，就能显著降低界面的自由能和表面张力。

亲水亲油平衡值（即HLB值）是判断表面活性剂性质和用途的主要依据，同时也是选择适当助溶剂的依据。

根据乳化液的界面膜理论，乳化液是否稳定与界面的精密程度和强度关系最为重要，所以应选择适宜的极性有机物作为助溶剂是整个体系不可或缺的部分。

不仅可降低表面张力，还能够增强界面膜的流动性，是界面弯曲更加容易，有利于形成微乳液。

②微乳化原理及过程
表面活性剂溶于柴油后，根据相似相溶原理，亲油基溶于油中，并定向排列，形成一个界面膜。

如果表面活性剂浓度低于临界胶束浓度CMC时，甲醇在柴油中的溶解度非常小，难以自动分散，此时只有对体系做功，例如高速搅拌、超声波处理等使之均匀分散，但此时所得分散体系的粒子尺度大，体系通常呈现乳白色，粘度大，并显示出热力学不稳定性，较长时间静置会导致分层，此时，形成的液体称
为乳状液。

一旦表面活性剂浓度大于CMC时，表面活性剂在油相中形成胶团，醇分子自动进入胶团内，发生增溶作用。

醇分子先与表面活性剂的亲水基结合存在于胶团中，是胶团长大，称为大胶团，并逐步形成稳定的分散相，得到油包水型微乳液，此时微乳液是自发形成并具有热力学稳定性的，均匀通明的混合物。

微乳体系的类型
(a)Winsor I型：微乳体系：当微乳体系为下相微乳液和过量油相共存时，过量油相中的表面活性剂含量相对于微乳相要小的多，这种微乳体系被称为Winsor I型微乳体系，简称I型体系。

(b)Winsor II型：微乳体系：当微乳体系为上相微乳液和过量水相共存时，这种微乳体系被称为Winsor II型微乳体系，简称II型体系．。

(c)Winsor HI型：微乳体系：当体系为中相微乳液与过量水相及过量油相成平衡时，这种微乳体系被称为WinsorHI型微乳体系，简称III 型体系。

(d)Winsor IV型：微乳体系：当表面活性剂的用量足够大时，过量的油和水被消耗光，体系进入单相微乳区，形成Winsor IV型微乳体系。

适用于在柴油机中燃烧的微乳化柴油即为此种类型
本实验我们选取油酸，正辛醇，环己醇，正戊醇作为助溶剂，通过一系列的实验手段确定不同助溶剂之间的性能差异，温度对助溶剂的影响，甲醇与柴油的量对助溶剂的影响，助溶剂的复配对甲醇和柴油互溶的影响以及利用吐温-80和司盘-80制成的乳化剂对甲醇和柴油的互溶的影响。

(二)国内外关于在柴油机上燃用甲醇柴油混合燃料的研究成果
国外对柴油机燃用甲醇柴油混合燃料的一些关键技术都进行了深入的研究并进行了许多台架和道路性能试验。

国内对甲醇柴油混合燃料的研究则集中在少数高校，主要是通过台架试验来测试甲醇柴油发动机的性能：西安交通大学张俊强等研究了直喷柴油机燃用不同掺混比的甲醇和柴油混合燃料对柴油机经济性、动力性、燃烧特性和排放特性的影响，测录了掺甲醇量分别为10%、15%、20%混合燃料和纯柴油时柴油机各种性能,并通过对结果的比较,分析了甲醇掺混量对其影响的规律和原因，结果表明：在等转速和等过量空气系数条件下,加入一定量的甲醇改善了柴油机的燃烧特性,具有较高的燃烧热效率；烟度和CO排放随甲醇掺混量的增加而下降。

掺甲醇使NOx排放升高,并在掺醇量为10%~15%时达到最大值，该结论与国内其他高校实验结果有所不同,原文作者认为主要是由于甲醇含氧特性及“微爆”效应在起主导作用，致使缸内最高燃烧温度上升，因而NOx排放有所增加。

天津大学的姚春德等分别在增压和自然吸气式高速直喷柴油机上采用柴油甲醇组合燃烧方式进行研究。

试验结果表明：采用组合燃烧后发动机和纯柴油燃烧发动机相比,尾气中NOx和碳烟排放显著减少,消耗燃料的比能耗降低。

西华大学在ZS1100直喷式柴油机上,用自行配制的M15、M30甲醇-柴油混合燃料与纯柴油做了对比试验研究,进行了负荷特性、NOx和碳烟的排放对比试验，研究结果表明：燃用M15、M30甲醇柴油混合燃料后,发动机可以同时降低NOx 排放和碳烟排放；结合成本考虑,比油耗明显下降；动力性几乎不受
影响。

河南农业大学采取新的乳化工艺，将柴油和甲醇混合，按选定的配比方案研制混合燃料，在X195柴油机上进行试验。

试验表明：在结构不变的情况下，柴油机燃用乳化的甲醇柴油混合燃料，热效率有明显的提高，在中、高负荷时燃料消耗量明显下降，经济性好，平均节油率为9.42%，排温有不同程度降低，排烟得到明显改善。

尽管国内对甲醇在柴油机上的应用进行了不少的试验研究，但是,距甲醇柴油的实际应用还存在一定的距离。

甲醇能与水无限互溶，具有腐蚀性,对金属具有溶蚀作用,对橡胶有溶胀作用；燃用甲醇柴油还将出现非常规排放物问题等等。

甲醇与柴油混合燃烧的研究工作还有待深入,甲醇柴油混合燃料物性、含氧特性、“微爆”作用等对发动机燃烧特性、排放特性，特别是对NOx 排放影响的结论尚需探讨。

（三）甲醇柴油的应用
（1）在柴油机上应用全甲醇燃料(Ml00）用改造发动机的办法，国外已经掌握。

2005年9月，山西省醇汽领导组彭致圭副主任等赴美国出席第十六届国际醇燃料会议期间，美国甲醇协会、美国环保局同意提供气门口喷射发动机的生产技术，帮助中国(山西）开发替代柴油的压燃式发动机。

甲醇与柴油掺烧需要解决互溶的问题。

甲醇(CH3OH）中的羟基(OH）在分子中比例很大，与水可以无限相溶。

柴油是由多种含碳原子的烃类(碳氢化合物）组成的混合物。

烃类是非极性的，只能溶于非极性的溶液中，而不能与水相溶，也不能与亲水的甲醇相溶。

山西华顿公司引进北京天德公司的技术，运用胶体化学和表面化学基本原理，经反复试验、筛选，开发出一种复合表面活
性剂及助溶剂，既有亲油(亲柴油）的分子，又有亲极性物(亲甲醇）的分子，能吸附在两相界面上，降低其表面自由能，从而使甲醇与柴油实现充分溶合，在90天内不会分层。

同时，甲醇与柴油充分溶合产生新燃料特性，使甲醇柴油混合燃料的燃烧效率得到提高。

本项目技术在甲醇与成品柴油的互相溶合、提高甲醇柴油混合燃料的热效率、不改变发动机结构的条件下，可以和柴油互换使用，灵活应用于柴油发动机、工业锅炉等，在国内外具有独创性，处于领先水平。

华中科技大学能源与动力工程学院内燃机试验室，对Ml5~M30甲醇柴油和0号柴油进行了对比测试，结论如下:(l）在室温为35℃下，发动机使用甲醇、柴油混合燃料冷起动及热起动性能良好，能一次起动成功。

(2）在柴油机额定转速2800 r/min时，使用0号柴油的最大功率为90.2 kW，使用甲醇柴油的最大功率为86.9 kW，平均下降3.84%。

(3）柴油机使用0号柴油及甲醇柴油时的l 800r/min 最大扭矩分别为352.4 N.m和322.4 N.m。

(4）从总功率特性上看，采用0号柴油和甲醇柴油时的最低油耗分别为260.07g/kWh和294.20g/kWh,如将甲醇柴油的油耗量按等热值计算成当量柴油,那么柴油机使用甲醇柴油的当量比油耗(或比能耗) 将接近使用0号柴油时的水平。

(5）柴油机使用甲醇柴油时的有害排放物明显比使用0号柴油时低，CO 排放下降幅度为7l~86%，平均下降79.4%; CO2排放下降幅度为6.l%~9.8%，平均为8.l%， NO 排放下降幅度l3.2%~58.0%，平均3l.3%；
稳定转速排气烟度下降幅度为78.8%~9l%，平均为85.9%，自由加速烟度下降5l.8%，噪声比使用0号柴油略有增加。

(6）柴油机使用甲醇柴油后，各工况的排气温度均下降，下降幅度为0.8%~10%，平均下降5.7%。

这有利于降低零件的热负荷。

(7）使用甲醇柴油时如需增加功率，可以加大喷油泵的循环供油量并同时调整喷油嘴的提前角，使燃烧情况改善，降低比油耗。

北京节能技术服务中心检验了该产品的密度、热值、凝点、粘度、闪点、碳含量、氢含量、氮含量、硫含量、pH等性能指标，均符合相应国家
标准和ASTM-5373，符合山西华顿商贸公司企业标准<华顿高清洁甲醇柴油(MHl5）> (柴油发动机）Q/l40000HD003-2002 企业技术标准。

Ml5~M30甲醇柴油在山西晋城、临汾、吕梁地区选用不同车型进行了行车试验。

在油罐车及大型载重车上试运行，行车试验8万km。

试用表明，使用甲醇柴油，动力无明显变化，油耗略有下降，起动性好，行驶时速快，尾气排放减少，是理想的柴油机替代燃料。

（四）未来展望
未来甲醇-柴油混合燃料的发展趋势可能会集中于以下几个方向。

（1）结合表面活性剂的作用机理，考虑其亲水基和亲油基的结构，合成出新型的高效乳化剂，能够使甲醇与柴油任意比例混溶，制备不同配比的、稳定的、色泽接近柴油近乎透明的微乳化柴油。

(2) 在理论方面，微乳状液的形成机理中，负界面张力的说法虽然能解释微乳化柴油的稳定性，但却缺乏理论与实践的基础，需要进一步通过实验加以证明。

(1)从应用的角度来看，甲醇-柴油推广困难，主要是因为价格偏高，不仅有表面活性剂、助溶剂、还有燃烧改进剂、冷气动剂、抗爆震剂、腐蚀抑制剂、防氧化剂等理化性能改进剂。

而大多数问题都是由于甲醇的化学活泼性引起的，因此，通过将甲醇改性后，再制成燃料，将会成为今后甲醇-柴油的发展方向之一。

(2)从市场的角度看，甲醇-柴油需要寻找到正确的市场定位，不仅可以用于工业锅炉、内燃机燃油，对于热量、设备要求不高的产业，如餐饮业等，也适用于采用甲醇比例大、发热量较低的甲醇-柴油，研制能够满足生产、生活各方面需要的一系列的甲醇-柴油，也将是该市场成熟的标志之一。

(5)近年来，由于生物柴油的可再生性、优良的环保特性、点火性能好、燃烧更充分和可任意比例与柴油混合使用，以及效益优势等原因, 生物柴油产业发展迅速，可将生物柴油、或者柴油和生物柴油混合后与甲醇乳化，进一步开发出新的清洁替代能源。

实验部分
1.实验室的主要仪器和药品
1.1.实验药品
①柴油，甲醇；
②助溶剂：甲酸，正辛醇，环己醇，正戊醇；
③非离子表面活性剂：Tween-80,60:span-80.60；
1.2实验仪器
乌氏粘度计，烧杯，滴定管，天平，恒温水浴锅，磁力搅拌器，量筒；
2.实验步骤
2.1甲醇柴油的互溶研究
1.不同配比的甲醇柴油消耗的助剂的量的情况。

①在室温条件下，在烧杯里称取1ml甲醇，20ml柴油于烧杯中。

②根据前人的经验，取正戊醇作为助溶剂，滴定正戊醇，直到甲醇柴油混合均匀变为澄清为止，并记下消耗的助溶剂的体积。

③取1.5ml的甲醇，20ml柴油于烧杯中，重复②的步骤，记录助溶剂的消耗量。

④在依次取甲醇2ml，2.5ml，3ml，保持柴油的量不变，重复步骤
②，记录数据。

2.单一助溶剂存在的情况下，甲醇柴油互溶的影响
①在室温条件下，称取2ml甲醇，20ml柴油与少杯中。

②用甲酸进行滴定，边滴边搅拌，直到甲醇柴油混合溶液变得澄
清为止，并记录下油酸的消耗量。

③重复步骤①，并分别用正辛醇，环己醇，正戊醇单独滴定，并分别记录消耗量。

3.温度对甲醇柴油互溶的影响
①首先在室温下，取甲醇2ml,柴油20ml与烧杯中，用正戊醇滴定直到，溶液变的澄清透明为止，记录助溶剂的消耗量。

②还将恒温水浴锅调至30℃，取2ml甲醇，20ml柴油于烧杯中，并防止恒温水浴锅中加热至20℃，然后用正戊醇滴定，直到溶液变为澄清透明为止，记录正戊醇的消耗量。

③分别调至水浴锅35℃，40℃，重复上述步骤，记录下助溶剂的消耗量。

4.助溶剂的复配对甲醇柴油的互溶的影响
①常温下，称取甲醇2ml，柴油20ml于烧杯中，先往烧杯中加入1ml正戊醇，然后再用正辛醇滴定，直到溶液变得澄清透明为止，记录下正辛醇的用量。

②重复步骤①，在添加助溶剂时，先往烧杯中注入1ml环己醇，然后用正辛醇滴定，直到混合物变得澄清透明为止，记录正辛醇的用量。

③重复步骤①，改先加入1ml的环己醇，再滴加正戊醇，记录澄清时正戊醇的用量。

2.2.甲醇柴油乳化研究
以Span-80和Tween-80混合物为乳化剂。

1.在室温条件下，称取2ml甲醇，20ml柴油溶于烧杯中。

2. 配制乳化剂
①用电子天平称取Span-80乳化剂1.47g，Tween-80乳化剂0.03g 于烧杯中，使用磁力搅拌器搅拌约30分钟停止搅拌，静置，观察乳液并记录乳化分层时间。

②用电子天平称取Span-80乳化剂1.40g，Tween-80乳化剂0.1g 于烧杯中重复步骤①。

③用电子天平称取Span-80乳化剂1.33g，Tween-80乳化剂0.17g 于烧杯中，重复步骤①。

④用电子天平称取Span-80乳化剂1.26g，Tween-80乳化剂0.24g 于烧杯中，重复步骤①。

结果分析
1.不同配比的甲醇柴油互溶结果分析
条件：常温下，选用正戊醇为助溶剂，取柴油量为20ml。

实验结果如下：
甲醇用量（ml） 1 1.5 2 2.5 3
助溶剂用量（ml） 1.2 1.4 1.8 2.4 3.2
由表中的数据绘图：
由以上表和图可知：对于一定量的柴油，其所溶解的甲醇量越多，则需要助溶剂，但为了试验效果和称取方便，在接下来的实验中对甲醇的取量为2ml。

2.单一助剂对甲醇柴油影响结果的分析
实验条件：甲醇2ml，柴油20ml，常温
实验结果如下：
助剂种类油酸正辛醇环己醇正戊醇
助剂消耗量（ml） 3 2.2 2.2 1.8
由表中数据绘图得：
由以上表和图可知，对于一定比例的甲醇柴油混合液，添加不同的助剂需要不同的助剂量，其中正戊醇的用量最少，说明正戊醇的助溶性能最好。

由图可知：正辛醇和环己醇的助剂性能次之，且相差不大，油酸的助溶效果最差。

3.温度对甲醇柴油互溶影响的结果分析
实验条件：甲醇2ml，柴油20ml，取正戊醇为助溶剂
实验结果如下：
温度℃25 30 35 40 45
助剂的用量（ml） 1.8 1.5 1.4 1.3 1
根据表作图的：
由以上表和图可知，对一定比例的甲醇柴油混合溶液，随着温度的增加，助溶剂的耗用量
不断的减少，但考虑到实际问题的情况，在后续实验中取温度为常温，即25℃。

4.助溶剂复配对甲醇柴油互溶影响
实验条件：常温，柴油20ml
实验数据如下表：
助溶剂复配正辛醇+环己醇正辛醇+正戊醇环己醇+正戊醇助剂的用量（ml） 1 1 0.6 1 1 0.9
由上表数据绘制图表的：
由以上表和图可知：在一定的甲醇柴油混合溶液中（本实验为1：10），正辛醇和正戊醇的复配效果最好，其用量为1.6mol，正辛醇和环己醇复配的效果最差。

5.甲醇柴油乳化实验
实验条件：甲醇 2ml，柴油 20ml，常温
实验数据如下：
HLB值 4.5 5.2 5.75 6.3
Span-80(g) 1.47 1.4 1.33 1.26
Tween-80(g) 0.03 0.1 0.17 0.24
分层时间（s） 2.2 3.1 4.26 5.4
由上表数据绘图：
由以上表和图可知：随着Tween80/Span80的值增长，乳化效果越好，静置分层的时间就越长。

小结
甲醇柴油是一种新型燃料，在性能上它具有了单纯的柴油所不具有的巨大优势。

其沸点比柴油低，混合气形成较快且比较均匀，同时甲醇含氧量较高其着火极限较柴油宽，所以其燃烧速度快，有利于完全燃烧，并且降低排烟。

甲醇柴油以其节能和可以有效的降低环境的污染的能力越来越受到全世界范围的广泛关注，甲醇柴油的应用也越来越广泛。

尤其是在我国经济的快速发展，石油的需求量持续增长的情况下，石油燃料所带来的危害也越来越受到人们的关注，尾气排放已经成为了城市的一个主要的污染源，因此甲醇柴油会在未来拥有更为广阔的前景。

本次课设的目的是初步了解甲醇柴油的一些性质，包括最佳甲醇柴油的配比，最佳助溶剂的选择，温度对甲醇柴油的互溶影响以及甲醇柴油的乳化性能。

本次课设的首先要感谢党明岩老师和宋颖韬老师的全程指导，还要感谢我们小组队员之间的精诚合作。

但是由于水平有限，本次课设存在的一些不足和错误，希望老师给予指正。

参考文献
1.曹建喜，董松祥，商红岩甲醇柴油的研究发展【J】中国石油大学化学化工学院青岛 2010.6；
2.崔从存内燃机的代用燃料【M】北京机械工业出版社1990.1.6；
3.卢红兵甲醇柴油混合燃料燃烧与排放特性的实验研究【D】西安西安交通大学 2003；
4.赖长特有机化学中的溶剂效应【M】唐培等泽北京化学工业出版社 1987.7；
5.焦向科，伍林等《柴油与工业醇的互溶性研究》武汉武汉科技大学化学工程与工艺学院 2009.5；
6.王辉，徐国强柴油机燃油用甲醇-柴油混合燃料的研究【J】河南农业大学 2002.34（4）；395-398；
7.向学良，詹永康内燃机燃料【M】北京中国石化出版社 2005；
8.杨蔚权，许世海，钱亚宁精纯与柴油互溶性研究【J】解放军后勤工程学院重庆 2006.9；
9.吴可克，高学名，汽油微乳液的制备与性能【J】节能技术 2003.21（121）：14-16；。