易挥发液体燃烧热的快速测定

2018-11-15赵金和金长义梁佳国蒙君荣刘晓凤

天然气化工—C1化学与化工 2018年5期

赵金和，金长义，梁佳国，蒙君荣，刘晓凤

（1.百色学院化学与环境工程学院，广西百色 533000；2.广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西南宁 530004）

燃烧热通常是指25℃、100kPa下，1mol物质完全燃烧生成稳定化合物时所放出的热量，是标准燃烧热的简称。燃烧热是热化学中的重要数据之一，常用于计算生成热、反应热和评价燃料、食品的热值及锂离子电池着火的危害分析[1-5]。测试对象从固体延伸到液体和气雾剂产品、从纯物质到混合物[6-8]等。燃烧热测定实验中存在着实验成功率较低、实验时间较长和数据误差较大等不足。李恩博、王新红、易钧辉等学者从点火方式、温差代替温度、Origin处理实验数据、压片技术[9-13]等方面对该实验进行了改进。燃烧热测量装置测量精度不断提高，燃烧热实验数据处理越来越软件化，微机能自动处理或远传到手机App上。由于液体的流动性，不能用压片法测定其燃烧热，多位学者采用胶囊法、包纸法、塑料袋法、阻燃剂法来测定液体的燃烧热。对于易挥发液体来说，提高其测量精度的主要办法是在固体燃烧热测量方法的基础上，一要减少包裹物质自身发热量，二要防止液体燃料的挥发，使其充分燃烧，这是本文实验研究的重点。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

甲醇、乙醇，AR，广东光华科技股份有限公司；异丙醇，AR，国药集团化学试剂有限公司；PE保鲜膜，200型，百色市珍洋塑料制品厂；医用针头式注射器，5mL，江西洪远医疗器械集团有限公司。

SHR-15B恒温式量热计、SYC-15B恒温水浴，南京桑力实验仪器有限公司；SF-300塑料薄膜封口机，温州市兴业机械设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 液体样品的加入及称量

用剪刀裁剪5*10cm的保鲜膜，用封口机封口成型2*4cm的保鲜膜袋，称量其质量。用注射器在保鲜膜袋上端吹气，趁势用注射器加入一定量的液体样品，快速在液体注入口下端处再次用封口机密封，裁掉多余的保鲜膜，分别称取裁掉的保鲜膜的质量、保鲜袋和样品的总质量。

1.2.2 水温调节、快速添加及氧弹充氧

先用温度计测量实验场所的温度即室温，根据样品温度调节恒温水浴的温度，温度约比室温低1.0～3.0℃，调节好备用。

用直尺测量一段事先准备好的燃烧丝的长度，然后用其把装有样品的保鲜膜袋横穿吊起来，整齐的放在氧弹燃烧匙中，把燃烧匙放在事先加入10mL蒸馏水的氧弹中，在1MPa下反复充氧3次，每次充氧时间为30s。

充氧结束后，先后用大小烧杯将恒温水浴的水加入燃烧热仪器的内筒，内筒贴有防水刻度标识线，快到目标刻度线可借助放大镜，改用滴管加水。

1.2.3 燃烧热的测量

后期燃烧热值测定和数据记录同固体物质燃烧热测定一样，参见文献[14]。

1.2.4 燃烧情况检查

燃烧完全后，氧弹泄压，检查薄膜是否未燃烧完全、是否碳化等。

表1 实验原始数据Table 1 Experimental raw data

2 结果与讨论

2.1 实验原始数据

2.2 数据处理原理方法

实验中液体样品外包裹物保鲜膜发热量必须获得，才能跟水当量一起求得未知液体样品的燃烧热，进而求算标准摩尔生成焓。实验中以甲醇和乙醇为已知式样，求异丙醇的标准摩尔生成焓。甲醇和乙醇的6次燃烧实验会构成含水当量、保鲜袋膜两个未知数、6个方程的方程组：

式中：QV—等容热效应；Q丝—燃烧丝放热量；Q膜—薄膜燃烧放热量；C—水当量，以下同；ΔT—试样燃烧前后氧弹温度差。

实验燃烧过程中，密封状况良好，燃烧完全，有较稳定的温度平台，故实验过程中温差未进行雷诺校正。

理论上说，只要2次实验就可以获得水当量和保鲜膜的放热量，但为了减少偶然误差的影响，以最小二乘法获得水当量和保鲜膜的放热量。特别说明的一点是，为了数据处理不单是纯粹的数学处理，最大程度的与实际情况相吻合，单独做了不加任何试样的仅仅是包裹材料保鲜膜的燃烧热实验，实验显示，薄膜升温非常有限，不超过0.08℃。因此，数据处理过程中，先不考虑包裹材料保鲜膜的放热量，计算查看水当量的精密度。

在计算过程中，还会用到方程(7)～(10)。

式中：Qp—等压热效应；ΔrHm—1mol物质在环境温度和 101.15kPa 下的反应热，kJ/mol；ΔfHΘm（B）—25℃和101.15kPa下的B物质的标准摩尔生成焓，kJ/mol；vi—化学计量数，无量纲；M—试样摩尔质量，g/mol；m—试样质量，g； T初、T终—燃烧前氧弹稳定温度和燃烧完全后氧弹的稳定温度，℃。