易燃液體一般在石化企業的倉庫中集中存儲,主要包括烷烴、環烷烴、芳香烴、醇、醚、醛等多類物質,具有毒害、易燃、易爆炸等危險特性,且儲量巨大,一旦發生泄漏和火災,經濟損失巨大。燃燒熱是確定火災、爆炸危險指數的重要參數,對物質的質量燃燒速率、熱釋放速率等有重要影響。因此,易燃液體的燃燒熱受眾多研究人員的關注。
目前,燃燒熱測量的常用方法為氧彈熱量熱法,可用于固體、液體燃料、可燃垃圾、食品、飼料等物質在氧氣中燃燒熱值的測定。一般采用膠囊裝取液體樣品,但不同材質的膠囊適用于不同液體,應用范圍窄,且實驗過程中可能存在膠囊燃燒不完全等現象。研究人員提出了試樣載體的改進方法,用中速定量濾紙代替膠囊作為載體測量煤油的燃燒熱,實驗成功率較高,但該方法仍存在適用范圍窄等問題。近年來,研究者采用膠膜法測量液體的燃燒熱,液體不與膠膜直接接觸,同時防止液體揮發,應用范圍較廣。然而,對燃燒熱值范圍未知的易燃液體,因具有揮發性高、燃燒熱值大等特點,在實驗過程中難以確定試樣量,存在爆炸風險,實驗危險性較高。有人提出用耗氧法估算聚合物的燃燒熱,但限制條件較多,適用范圍窄。
筆者提出從燃燒熱的測量原理出發,利用基團貢獻法估算物質的標準摩爾生成焓和摩爾定壓熱容,在恒容條件下,計算物質燃燒反應過程的摩爾反應熱,獲得燃燒熱的計算方法。采用氧彈量熱儀的膠膜法測定了 8 種典型易燃液體的燃燒熱,將燃燒熱的實驗值與計算結果對比,驗證數值方法的有效性,分析易燃液體中有機物燃燒熱的變化規律。
可以看出,有機物的燃燒熱隨分子碳原子數的增加而增大,與物質種類無關。正丁醇和叔丁醇、甲基正丁基醚和甲基叔丁基醚、正己烷和環己烷的燃燒熱值均較為接近,且直鏈結構物質燃燒熱值較大。可以認為碳原子數相同的同類有機物,燃燒熱值較為接近,且直鏈結構的物質燃燒熱值較高。
結 論
(1)提出了燃燒熱的理論計算方法。從燃燒熱的測量原理出發,以基團貢獻法估算物質的標準摩爾生成焓和摩爾定壓熱容;根據物質燃燒的反應公式,計算物質燃燒反應的標準摩爾反應焓;經過溫度和壓力換算,求得物質燃燒的摩爾反應熱,即物質的燃燒熱。
(2)以 8 種典型易燃液體為對象,根據上述理論方法計算其燃燒熱值,并用氧彈量熱儀進行實驗驗證,燃燒熱的實驗值和計算值的相對誤差均在 10%左右,相對誤差較小,其中甲基叔丁基醚燃燒熱的實驗值與理論值偏差為0.95%,結果吻合好,驗證了數值方法的可行性。
(3)有機物的燃燒熱隨分子碳原子數的增加而增大,與物質種類無關。碳原子數相同的同類物質之間燃燒熱值較為接近,且直鏈結構的物質燃燒熱值較高。