碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究
碳酸二甲酯-安全技术说明书MSDS
第一部分化学品及企业标识化学品中文名：碳酸二甲酯化学品英文名：dimethyl carbonateCAS No.：616-38-6EC No.：210-478-4分子式：C3H6O3第二部分危险性概述紧急情况概述液体。
高度易燃,其蒸气与空气混合，能形成爆炸性混合物。
GHS危险性类别根据GB30000-2013化学品分类和标签规范系列标准（参阅第十六部分），该产品分类如下：易燃液体，类别2。
标签要素象形图警示词：危险危险信息：高度易燃液体和蒸气。
预防措施：远离热源、热表面、火花、明火以及其它点火源。
禁止吸烟。
保持容器密闭。
容器和接收设备接地和等势联接。
使用不产生火花的工具。
采取措施，防止静电放电。
戴防护手套/穿防护服/戴防护眼罩/戴防护面具。
事故响应：如皮肤(或头发)沾染：立即去除/脱掉所有沾染的衣服。
用水清洗皮肤或淋浴。
安全储存：存放在通风良好的地方。
保持低温。
废弃处置：按照地方/区域/国家/国际规章处置内装物/容器。
物理化学危险：高度易燃液体，其蒸气与空气混合，能形成爆炸性混合物。
健康危害：吸入该物质可能会引起对健康有害的影响或呼吸道不适。
意外食入本品可能对个体健康有害。
通过割伤、擦伤或病变处进入血液，可能产生全身损伤的有害作用。
眼睛直接接触本品可导致暂时不适。
环境危害：请参阅SDS第十二部分。
第三部分成分/组成信息√物质混合物第四部分急救措施一般性建议：急救措施通常是需要的，请将本SDS出示给到达现场的医生。
皮肤接触：立即脱去污染的衣物。
用大量肥皂水和清水冲洗皮肤。
如有不适，就医。
眼睛接触：用大量水彻底冲洗至少15分钟。
如有不适，就医。
吸入：立即将患者移到新鲜空气处，保持呼吸畅通。
如果呼吸困难，给于吸氧。
如患者食入或吸入本物质，不得进行口对口人工呼吸。
如果呼吸停止。
立即进行心肺复苏术。
立即就医。
食入：禁止催吐，切勿给失去知觉者从嘴里喂食任何东西。
立即呼叫医生或中毒控制中心。
对保护施救者的忠告：清除所有火源，增强通风。
碳酸二甲酯的临界量
碳酸二甲酯的临界量碳酸二甲酯（dimethyl carbonate，DMC）是一种无色、无臭的液体有机化合物，化学式为C3H6O3。
在工业上，碳酸二甲酯被广泛应用于溶剂、杀菌剂、电介质等领域。
它具有许多优点，如低毒性、低挥发性、可生物降解性等，因而成为一种重要的工业化学品。
碳酸二甲酯的临界量指的是溶解于水中的最高浓度。
因为碳酸二甲酯属于极性有机溶剂，其溶解度受到溶剂极性的影响，所以临界量与溶剂的极性有关。
在常温下，碳酸二甲酯与水可以溶解生成胞状结构的微乳液，即微小的胶束。
当溶质到达临界量时，它会形成透明的胶束溶液。
根据文献研究，碳酸二甲酯的临界量在不同的温度和压力下有所变化。
一般来说，温度的升高会导致临界量的增加，而压力的升高则会降低临界量。
这是因为提高温度会增加溶剂分子的运动能力，从而有利于溶质与溶剂的相互作用，从而增大临界量。
而增加压力则会使溶剂分子更加致密，从而有利于溶质溶解，减小临界量。
此外，溶质的结构和溶剂的性质也会对临界量产生影响。
一般来说，溶质和溶剂之间的相似性会增加临界量。
这是因为相似的溶剂分子和溶质分子之间会发生更多的相互作用，从而增大临界量。
在研究中，有一种常用的方法来确定溶解度曲线，即构建溶解度曲线实验装置。
该装置通常由恒温槽、密封系统、样品采集系统等组成。
在实验中，可以通过测量不同温度下溶液与溶质的重量比例来确定临界量。
通过对多个温度点的测量，可以得到溶解度曲线，从而确定碳酸二甲酯的临界量。
此外，也可以使用其他方法来确定碳酸二甲酯的临界量，如高效液相色谱法（HPLC）、红外光谱法等。
这些方法可以通过测量样品中溶剂和溶质的浓度来确定临界量。
总之，碳酸二甲酯的临界量受到温度、压力、溶质结构和溶剂性质的综合影响。
通过构建溶解度曲线实验装置以及使用其他方法，可以确定碳酸二甲酯的临界量。
这对于工业生产和应用碳酸二甲酯有着重要的意义，可以更好地调控和利用这种重要的有机溶剂。
碳酸二甲酯爆炸极限
碳酸二甲酯爆炸极限
碳酸二甲酯，又称为DMC（Dimethyl Carbonate）是一种无色透明液体，具有低毒、低挥发性、易燃和易挥发等多种特性，因此被广泛应用于化学、医药、电子等多个领域。
然而，DMC也存在着一定的危险性，主要体现在其易燃爆炸性质上。
因此，在工业生产和使用过程中，需要对DMC进行相应的安全管理，包括对其爆炸极限进行评估和监测。
DMC的爆炸极限指的是在一定温度和压力下，混合DMC和空气所形成的气体体积比例达到一定范围时最容易引发爆炸的范围。
DMC的爆炸极限一般分为下限和上限两个值。
下限表示混合气体中DMC成分达到最低时形成爆炸的可能性很大，上限则表示当DMC成分达到一定程度时，混合气体已经过于浓缩，也是易燃爆炸的。
根据相关研究，DMC的爆炸极限如下：
当温度为20℃时，DMC的下限为1.7%（体积分数），上限为15.9%。
由上述数据可以看出，随着温度升高，DMC混合气体的爆炸极限会逐渐扩大。
因此，在DMC的使用和储存过程中，需要对其温度进行严格控制，避免达到易燃爆炸的临界点。
同时，在DMC的使用环境中，应根据其安全性能评估结果，采取相应的防护措施。
例如，对DMC的储存、运输等过程中，应采用密闭容器，避免接触火源和氧气，以防止其发生燃烧爆炸。
在工业生产过程中，也应加强机械设备的维修和保养，确保生产设备的安全性能。
总之，虽然DMC在多种领域中应用广泛，但其易燃爆炸的特点也不容忽视。
对DMC的爆炸极限进行评估和监测，是确保其安全性的重要措施之一，还需采取相应的防护措施，有效避免因DMC爆炸引发的事故和损失。
MSDS危险化学品安全技术说明书——32157--碳酸二甲酯
化学品安全技术说明书第一部分化学品及企业标识化学品中文名：碳酸二甲酯；碳酸甲酯化学品英文名：dimethyl carbonate；Methyl carbonate;Carbonic acid, dimethyl ester企业名称：生产企业地址：邮编: 传真:企业应急电话：电子邮件地址：技术说明书编码:第二部分成分/组成信息√纯品混合物有害物成分浓度CAS No.碳酸(二)甲酯616-38-6第三部分危险性概述危险性类别：第3.2类中闪点液体侵入途径：吸入、食入、经皮吸收健康危害：未见人中毒报道。
环境危害：对环境有害。
燃爆危险：易燃，其蒸气与空气混合，能形成爆炸性混合物。
第四部分急救措施皮肤接触：脱去污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。
如有不适感，就医。
眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。
如有不适感，就医。
吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。
保持呼吸道通畅。
如呼吸困难，给输氧。
呼吸、心跳停止，立即进行心肺复苏术。
就医。
食入：饮水，禁止催吐。
如有不适感，就医。
第五部分消防措施危险特性：易燃，遇明火、高热易燃。
在火场中，受热的容器有爆炸危险。
有害燃烧产物：一氧化碳。
灭火方法：采用泡沫、干粉、二氧化碳、砂土灭火。
灭火注意事项及措施：消防人员必须佩戴空气呼吸器、穿全身防火防毒服，在上风向灭火。
尽可能将容器从火场移至空旷处。
喷水保持火场容器冷却，直至灭火结束。
处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中产生声音，必须马上撤离。
第六部分泄漏应急处理应急行动：消除所有点火源。
根据液体流动和蒸气扩散的影响区域划定警戒区，无关人员从侧风、上风向撤离至安全区。
建议应急处理人员戴正压自给式呼吸器，穿防静电服。
作业时使用的所有设备应接地。
禁止接触或跨越泄漏物。
尽可能切断泄漏源。
防止泄漏物进入水体、下水道、地下室或密闭性空间。
小量泄漏：用砂土或其它不燃材料吸收。
使用洁净的无火花工具收集吸收材料。
大量泄漏：构筑围堤或挖坑收容。
碳酸二甲酯
Cu (Ι)分子筛催化制备碳酸二甲酯李安民李忠马青兰（太原理工大学）摘要：本实验主要对Cu (Ι)分子筛催化剂在甲醇氧化羰基化气相直接法制备碳酸二甲酯过程中的催化活性以及在该催化剂存在时的最佳实验温度进行了考察。
通过采用不同分子筛催化剂进行实验的结果分析表明：在350℃时，由CuCl和HY 型分子筛催化剂进行离子交换制得的催化剂对制备碳酸二甲酯具有较高的活性。
实验反应温度应控制在160℃-180℃之间。
关键词：碳酸二甲酯，氧化羰基化，甲醇，分子筛Abstract: The reactivity of Cu(I) molecular sieve catalyst and optimal reaction temperature were studied when DMC was synthesized by the oxidative carbonylation of methanol. Through study different kinds of molecular sieve catalysts, the reactivity of catalyst attained by solid-state ion-exchangble between CuCl and HY is stronger than that of others. And the optimal temperature should be controlled between 160℃-180℃.Key words: dimethyl carbonate(DMC);oxidative carbonylation ;methanol ;molecular sieve0 引言碳酸二甲酯（DMC）为无色透明液体，微毒，沸点为90.5℃。
由于其分子结构中含有羰基、甲基和甲氧基等官能团，因而具备多种反应活性[1]。
例如，它可以与醇、酚、肼、酯等化合物发生甲基化、羰基化、甲酯化和酯交换反应。
层流火焰传递速度测定
• 一根玻璃管内充满燃气空气混合气体，一端点燃，形成一个焰面， 此焰面从一端传播到另一端。
S Sn
距离L 时间t
火焰传播速度：S=L/t
垂直于焰面的法向速度：Sn=S*Ad/As Ad：玻璃管截面积 As：火焰前沿面面积
火焰高度法测火焰传播速度
• Sn=Wn=w· Cosθ=w· dA1/dS
• Wn：喷嘴出口速度； • w：流经微元火焰面ds的可燃混气流速。 • dS：锥状内火焰面上任意微元面面积。 • dA1：微元火焰面在喷口断面上的投影。
w Sn
我们认为火焰面上各处Sn都相同，流速w在断口 面上也均匀分布，则经积分运算得： Sn=V/A V——可燃混和气体体积流量。 A——锥面内焰面总表面积。 由几何运算求的锥面面积的： Sn=318V/（r*SQRT（r2+h2）) 318——常数，阻尼系数。 r，h——内焰锥面低圆半径和高度。
试验原理
• 当供给本生灯的燃气混合物处于火焰传播界限范围内（天然气在 可燃混合气体中的体积分数为5%-15%）已经层流运动工况时，在 本生灯管口可获得一稳定的锥状火焰面，在α<1时火焰有一清洗 的内锥面和外焰，α>=1时外焰消失只有内锥面焰面存在。内焰 面任意位置都满足未海尔松余弦定理。
静止气流中火焰传播速度
本生灯
德国化学家R.W.本生为装备海德堡 大学化学实验室而发明的用煤气为燃料 的加热器具。在本生灯发明前，所用煤 气灯的火焰很明亮，但温度不高，是因 煤气燃烧不完全造成的。本生将其改进 为先让煤气和空气在灯内充分混合，从 而使煤气燃烧完全，得到无光高温火焰。 火焰分三层：内层为水蒸气、一氧化碳、 氢、二氧化碳和氮、氧的混合物，温度 约300℃，称为焰心。中层内煤气开始燃 烧，但燃烧不完全，火焰呈淡蓝色，温 度约500℃，称还原焰。外层煤气燃烧完 全，火焰呈淡紫色，温度可达800～ 900℃，称为氧化焰，此处的温度最高， 故加热时应充分利用氧化焰部分。
碳酸二甲酯的生产技术及市场研究报告
碳酸二甲酯的生产技术及市场研究报告碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate，简称DMC)在常温下为液体，毒性很低，属无毒或微毒化学品，是一种符合现代“清洁工艺”要求的环保型化工原料，可与醇、醚、酮等所有的有机溶剂混溶。
分子结构见图1，甲基、甲氧基、羰基等多重活性官能团赋予了其优异的反应活性，可替代有毒试剂参与羰基化、甲基化等多种反应合成高附加值下游产品。
图1 DMC结构式1 碳酸二甲酯的应用DMC的下游应用包括以下5个方面：①作为绿色环保溶剂用于油漆、涂料和粘胶剂等的生产；②替代硫酸二甲酯等剧毒反应物，参与医药、农药等精细化工领域化工产品的制备；③替代甲基叔丁基醚，作为汽油柴油添加剂；④替代光气作为原料与双酚A反应合成聚碳酸酯(PC)；⑤DMC作为链状碳酸脂，具有相对介电常数低、黏度低、熔点低等特点，与其他碳酸酯类溶剂按比例混配成锂电电解液溶剂。
2 碳酸二甲酯生产技术进展2.1 工业级DMC生产技术进展DMC制备技术主要包括光气法、二氧化碳氧化法、环氧乙烷酯交换法、环氧丙烷酯交换法、尿素醇解直接法、尿素醇解间接法、甲醇液相氧化羰基化法和甲醇气相氧化羰基化法等[2]，具体介绍如下。
2.1.1 光气法光气甲醇法以光气和甲醇为原料，两者反应生成氯甲酸甲酯，氯甲酸甲酯再与甲醇反应生成DMC。
该工艺是DMC最传统的生产工艺，但由于原料光气毒性和副产盐酸腐蚀性的限制，目前已被淘汰。
2.1.2 二氧化碳氧化法二氧化碳氧化法制备DMC的反应过程为CO2和甲醇反应转化为DMC和水。
该工艺消耗CO2，符合当前“双碳”政策的发展理念。
但由于CO2活化困难，且反应受热力学平衡限制，原料转化率较低[3]，该工艺尚未工业化。
2.1.3 酯交换法酯交换法工艺路线见图2，根据原料不同可分为环氧乙烷(EO)路径和环氧丙烷(PO)路径。
反应分两步进行：第一步为环氧乙烷/环氧丙烷与CO2反应生成碳酸乙/丙烯酯；第二步为环状碳酸乙/丙烯酯与甲醇酯交换生成DMC，同时副产乙二醇/丙二醇。
碳酸二甲酯汽化潜热
碳酸二甲酯汽化潜热
（原创版1篇）
目录（篇1）
1.碳酸二甲酯的概述
2.碳酸二甲酯的汽化潜热
3.碳酸二甲酯的应用
4.对环境和健康的影响
正文（篇1）
【碳酸二甲酯的概述】
碳酸二甲酯（DMC）是一种常见的有机化合物，分子式为 (CH3O)2CO，是一种无色、具有酯类气味的液体。
它在工业生产中有着广泛的应用，如用作溶剂、化工原料等。
【碳酸二甲酯的汽化潜热】
碳酸二甲酯的汽化潜热是指在标准大气压下，单位质量的碳酸二甲酯从液态变为气态时所需要吸收的热量。
这个数值对于研究碳酸二甲酯的物理性质以及在工业生产中的安全措施等方面具有重要意义。
【碳酸二甲酯的应用】
碳酸二甲酯在工业生产中有着广泛的应用，如用作溶剂、化工原料等。
此外，它还可以用于生产聚碳酸酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸二甲酯等重要化工产品。
【对环境和健康的影响】
碳酸二甲酯对环境和健康的影响主要表现在以下几个方面：首先，它是一种挥发性有机化合物，如果大量排放到大气中，可能会对空气质量产生影响；其次，它具有一定的毒性，如果长期接触或者大量摄入，可能会
对人体健康产生危害。
碳酸二甲酯的碳谱峰特征及其鉴定方法
碳酸二甲酯的碳谱峰特征及其鉴定方法碳谱峰特征是化学分析中用于鉴定化合物的重要指标之一。
本文将介绍碳酸二甲酯的碳谱峰特征及其鉴定方法。
一、碳酸二甲酯的碳谱峰特征碳酸二甲酯的分子式为(CH3O)2CO，其碳原子排布如下所示：CH3 CH3| |O=C=O从碳谱峰特征的角度来看，碳酸二甲酯具有以下特点：1. 化学位移：碳酸二甲酯在碳谱中的化学位移范围为δ 150-160 ppm。
化学位移是指峰与参考化合物峰之间的分离度，对于鉴定化合物具有重要意义。
2. 峰的强度：碳酸二甲酯在碳谱中呈现出较强的峰。
峰的强度是指峰的高度或者面积，它与化合物中含有的碳原子数量相关。
3. 峰的形状：碳酸二甲酯的碳谱峰通常呈现为尖峰或者平顶峰。
峰的形状可以通过仪器进行准确测量，并根据峰的形状特征进行鉴定。
二、碳酸二甲酯的鉴定方法碳酸二甲酯可以通过核磁共振波谱（NMR）来进行鉴定。
具体步骤如下：1. 样品制备：将待测的碳酸二甲酯样品溶解在适当的溶剂中，以获得高质量的NMR图谱。
2. 选择适当的NMR技术：可以选择不同的NMR技术，如氢化物NMR（1H-NMR）和碳化物NMR（13C-NMR）来获取不同的信息。
3. 数据分析：通过NMR图谱的信号进行数据分析。
在13C-NMR 图谱中，碳酸二甲酯通常呈现单一的峰，其化学位移和峰的强度可以提供重要的鉴定信息。
4. 与标准参照进行对比：将获得的NMR数据与已知的碳酸二甲酯标准参照进行对比，以确保所得结果的准确性。
总结：通过碳谱峰特征以及核磁共振波谱技术，我们可以准确鉴定碳酸二甲酯。
通过对其化学位移、峰的强度和形状等特征进行分析，可以确定样品中是否含有碳酸二甲酯。
在实际应用中，可以结合其他分析方法进行综合鉴定，以确保结果的准确性和可靠性。
注意：本文仅针对碳酸二甲酯的碳谱峰特征及其鉴定方法进行了介绍，其他相关知识和具体实验步骤未涉及。
如需深入了解，请参考相关专业文献或咨询专业人士。
碳酸二甲酯的研究进展概要
硒催化体 系法
以硒或无定形硒为主催化剂，三甲胺、三 正丁基胺及吡啶等为助催化剂，乙腈、二 甲基甲酰胺、四氢呋喃为溶剂，以甲醇、 CO 和 O2为原料，常温下合成碳酸二甲酯
a、氯化亚铜催化（实现了工业化）
2CuCl+2CH3OH+1/2 →2Cu(OCH3)Cl+H2O 2Cu(OCH3)Cl+CO→CH3OCOOCH3+2CuCl
11/13/2018
3.2 碳酸丙烯酯与甲醇的酯交换法
①该技术首先以 CO2和环氧丙烷( PO) 为原料生产碳酸 丙烯酯，经精制后得到99% 以上的碳酸丙烯酯。 ②碳酸丙烯酯再与甲醇通过特征耦合技术( 催化反应精 馏和恒沸精馏等) 生产碳酸二甲酯，碳酸丙烯酯的转 化率达到 96% 以上。 ③采取加压精馏或萃取精馏将甲醇和碳酸二甲酯的共 沸物分开，经精制后得到碳酸二甲酯产品。 ④从反应精馏塔底部出来的物料中经进一步分离，采 用真空精馏方法得到副产品丙二醇( PDO) 。
备的腐蚀，具有催化剂易ห้องสมุดไป่ตู้生等优点，而且由于采 用固定床反应器，在大型装置上采用该技术比其它 羰基化法有一定的优势。
2.3常压非均相法
日本宇部兴产公司在开发羰 基化合成草酸及草酸二甲酯基 础上，利用长期培育的 CO 偶 联技术，通过改进催化剂开发 出此项碳酸二甲酯生产技术。 该技术以煤气化制得的 CO 和 甲醇为原料，采用固定床催化 剂低压一步法气相反应制得碳 酸二甲酯，所用的催化剂为活 性炭吸附 PdCl2/ CuCl 的固体 催化剂，反应温度 110 ～130 ℃，压力 0． 2 ～0． 5 MPa。 工艺流程包括合成、分离精制、 亚硝酸甲酯( MN) 制备等工序， 反应分两步进行，其反应式为:
3.1 碳酸乙烯酯与甲醇的酯交换法
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碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究于会宾;胡二江;杨柯;黄佐华【摘要】在定容燃烧弹上,利用高速纹影摄像系统对碳酸二甲酯(DMC)的预混层流燃烧特性进行了研究,获得了不同温度、压力和当量比下的层流燃烧速度、马克斯坦长度和胞状结构的临界半径,同时对火焰不稳定性进行了理论分析.研究表明:层流燃烧速度随当量比的增加先提高后下降,在当量比为1.1时达到峰值;层流燃烧速度随初始温度的升高而提高,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度、临界火焰半径随当量比和压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强;临界贝克来数Pe随当量比的增加而减小.利用Chemkin软件对预混层流燃烧速度进行了数值模拟,结果显示,Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,表明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)011【总页数】7页(P25-31)【关键词】碳酸二甲酯;层流燃烧速度;马克斯坦长度;火焰不稳定性【作者】于会宾;胡二江;杨柯;黄佐华【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK16全球能源的紧缺、环境污染的加剧和排放法规的日益严格使清洁代用燃料的研究获得了越来越多的关注。
对柴油机而言,NOx和颗粒物是主要的排放污染物,其中颗粒物排放近年来越来越受到重视。
许多学者致力于提高柴油机的性能和降低柴油机的排放,然而同时降低颗粒物和NOx排放是十分困难的。
研究表明,含氧燃料的添加可以显著降低颗粒物排放,同时在一定程度上降低NOx排放[1-3]。
碳酸二甲酯(DMC)具有含氧量较高(占总质量53.3%)、与柴油互溶性好等优点,因此可成为良好的柴油添加剂。
Zhang等人研究了DMC添加剂对柴油机性能的影响,指出合适的喷油时刻可以在显著降低颗粒物排放的同时降低NOx排放[4]。
Cheung等人对柴油和DMC的混合物在欧V柴油机上的排放特性进行了研究,指出燃用该混合燃料显著降低了颗粒物排放,同时对HC、NOx的排放影响非常小[5]。
DMC基础燃烧特性的研究对于其在发动机上的应用具有一定的指导意义,但是目前对DMC基础燃烧特性的研究却很少。
层流燃烧速度是燃料的一个重要的物性参数,也是研究湍流燃烧的基础,还可以用来验证化学反应机理和优化发动机设计[6]。
Bilde等人开展了大气压下DMC与OH 自由基反应速率常数的测量,指出该速率常数具有较弱的温度依赖性,DMC与OH 自由基反应缓慢[7]。
Tundo等人对DMC的化学特性进行了研究,指出其反应性是可变的,363 K是反应性变化的一个分界点[8]。
Sinha等人在大气压下利用对冲扩散火焰进行了组分和温度的测量,指出DMC火焰主要的中间基是甲醛[9]。
Glaude 等人发展了DMC的动力学机理,且与对冲扩散火焰组分数据进行了对比,模拟数据与实验数据吻合得很好[10]。
现有文献中并没有DMC层流燃烧速度的实验数据,本文采用定容燃烧弹和Chemkin软件对DMC在不同温度和压力下的层流燃烧速度进行了实验研究与数值模拟,以及混合气系统状态参数(当量比、温度和初始压力)对层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响,以期为进一步加深对火焰传播和火焰不稳定性的理解、DMC的清洁高效利用提供理论基础。
1.1 实验装置和方法实验装置描述见文献[11]。
本文采用定容燃烧弹系统来测量层流燃烧速度,该系统由定容燃烧弹、点火系统、加热系统、数据采集系统和高速纹影摄像系统组成。
实验中定容燃烧弹的内径为180 mm,容积为5.5L。
容弹体的两个端面装有直径为80 mm的石英玻璃视窗,为纹影系统提供光学通路,容弹内的中心电极点燃混合气。
实验中使用了美国Redlake公司生产的型号为HG-100K的高速摄像机,拍摄速度为1万幅/s;使用加热带将容弹内温度加热到实验工况并且保持稳定,容弹内的温度由热电偶测得,精度为±2 K。
O2和N2根据相应分压进气,混合气保持5min(混合均匀)后点火。
为确保实验数据的可靠性,每种工况重复3次。
实验中DMC液体燃料由微型计量器注入容弹,且在容弹内高温条件下可迅速气化。
实验所用的DMC纯度为无水级,质量分数≥99%;空气由纯度(质量分数)为99.99%的N2和纯度为99.99%的O2根据79∶21的比例配制。
定容燃烧弹实验工况:当量比φ为0.7～1.6,初始温度Tu为373～473 K,初始压力Pu为0.1～0.5MPa。
1.2 计算方法和化学反应机理利用球形膨胀火焰理论获得层流燃烧速度[12]。
火焰半径rf(t)由纹影图片获得,拉伸火焰传播速率Sn=,球形膨胀火焰拉伸率κ=2。
根据马克斯坦理论,在火焰发展早期拉伸火焰传播速率与火焰拉伸率之间成近似线性关系[13],即Sl-Sn=Lbκ,根据此公式、通过线性回归可获得无拉伸火焰的火焰传播速率Sl和马克斯坦长度Lb。
根据火焰的前锋面上的质量守恒,可推导出质量燃烧流量f0=ρuul,则层流燃烧速度ul=ρbSl/ρu,其中ρu、ρb分别为未燃气和已燃气的密度。
绝热火焰温度Tad和气体密度由Chemkin软件的Equilibrium模块计算得出。
在计算层流燃烧速度时,为了消除点火能量和压力升高的影响,火焰半径应在6～25mm范围内[14-15]。
此外,火焰半径也会受到胞状不稳定性的限制,所以测量时可综合以上两方面选取火焰半径。
利用化学反应动力学软件Chemkin中的Premix模块对DMC进行了层流燃烧特性的模拟和分析,计算层流燃烧速度所用的化学反应机理为Glaude[10]等人发展的机理(以下简称Glaude机理),该机理包括102个物种和442个反应,已用扩散燃烧的组分数据进行了验证。
2.1 系统验证图1给出了异辛烷-空气在初始压力为0.1 MPa、初始温度为373 K时的层流燃烧速度及其与Varea等人[16]、Galmiche等人[17]实验数据的对比。
从图中可以看出,本实验结果与前人实验数据在较宽范围的当量比φ下吻合很好,从而证明了本实验系统的可靠性。
2.2 层流燃烧速度及数值模拟图2给出不同初始温度和压力下DMC-空气混合气在当量比为1.0时的火焰半径随时间的变化。
从图中可以看出,火焰半径与时间呈线性关系。
火焰传播速度随初始温度的增加而增加,随初始压力的增加而减小。
图3给出了不同初始温度和压力下拉伸火焰传播速率随拉伸率的变化。
从图中可以看出,拉伸火焰传播速率与拉伸率之间呈线性关系。
拉伸率随火焰半径的增加而减小,火焰半径趋向于无穷大时,拉伸率趋向于0。
拉伸火焰传播速率外推至拉伸率为0时可获得无拉伸火焰传播速率。
图4给出了不同初始温度和压力下层流燃烧速度的测量值和模拟值随当量比的变化。
从图中可以看出,模拟值与测量值之间存在较大的偏差,说明Glaude机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度,因此该机理有待于进一步修正。
从图中还可看出,在不同初始压力和温度下,层流燃烧速度均在当量比为1.1时到达峰值。
此外,随着初始压力的增加,层流燃烧速度的下降幅度减小。
研究表明,绝热火焰温度是影响层流燃烧速度的主导因素[18]。
图5给出了不同初始温度和压力下绝热火焰温度随当量比的变化。
从图中可以看出,绝热火焰温度随初始温度和压力的增加而增加。
此外,相对于初始压力的变化,绝热火焰温度对初始温度的变化较敏感。
图6给出了当量比为1.0时3种初始压力和温度下的敏感性分析。
从图中可以看出,主要的链分支反应和链终止反应对于初始温度和压力的变化比较敏感。
Glaude 机理于2005年提出,其中一些基元反应的动力学参数是类比其他燃料机理获得的,其对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验值存在较大偏差的原因,可能是基元反应的动力学参数不够准确。
2.3 火焰不稳定性分析影响火焰不稳定性的因素在3个方面,即热扩散不稳定性、流体动力学不稳定性、浮力不稳定性。
在实验工况下,DMC的浮力不稳定性影响很小,因此以下仅讨论热扩散不稳定性和流体动力学不稳定性。
火焰前锋面的密度变化会造成流体动力学不稳定,在高压时更为显著,可以通过火焰厚度δ和密度比σ来分析流体动力学不稳定性[19],δ=(λ/cP)/(ρuul),σ=ρu/ρb。
火焰厚度的减小和密度比的增大都会增强流体动力学不稳定性。
热扩散不稳定性是由热量与质量的不等扩散引起的,可通过Lewis数Le(热扩散系数与质量扩散系数的比值)来表征[20]。
一般而言,当Le>1时火焰前锋面胞状结构受到抑制,Le<1时火焰前锋面趋向于不稳定。
马克斯坦长度Lb可表征火焰拉伸对火焰传播的影响,也是反映火焰不稳定性的重要参数之一。
马克斯坦长度为负值时对应不稳定的火焰前锋面结构,为正值时对应稳定的火焰前锋面结构。
在火焰发展过程中,马克斯坦长度越大,火焰稳定性越好。
图7给出了3种初始压力下马克斯坦长度随当量比的变化。
从图中可以看出,马克斯坦长度随当量比和初始压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随当量比和初始压力的增加而增强。
表1给出了部分工况下的Le。
由表1可以看出,随着初始压力的增加,Le基本不变,表明热扩散不稳定性对初始压力的变化不敏感。
图8和图9分别给出了3种压力下密度比和火焰厚度随当量比的变化。
从图中可以看出:密度比随初始压力的增加而增加,但是增加量非常小;火焰厚度随初始压力的增加而减小,且变化趋势非常明显。
这表明随着初始压力的增加,火焰流体动力学不稳定性增强。
综合对Le的分析可以得出,初始压力的增加导致火焰流体动力学不稳定性增强的主要原因是火焰厚度减小。
从图中还可以看出:密度比与火焰厚度随当量比的变化呈相反的趋势,密度比随当量比的增加先增大后减小,在φ=1.1时达到最大;火焰厚度随当量比的增加先减小后增大,在φ=1.1时最小。
图10给出了初始压力为0.3、0.5MPa时胞状不稳定性的临界火焰半径Rcr和临界Peclet数Pe随当量比的变化。
在本文中采用Bradley等人的第二种定义方法[21]获得Rcr,即小于分支裂纹的胞状结构自发、均匀地遍布火焰表面。
临界Pe或Rcr与δ的比值也可以反映火焰不稳定性。
从图中可以看出,Rcr随当量比和初始压力的增加而减小,表明火焰胞状结构提前出现,即火焰胞状不稳定性增强。
对于稀混合气,热扩散不稳定性受到抑制(Le>1),火焰很难发展成胞状结构。
与临界半径一样,临界Pe随当量比的增加而减小,表明火焰不稳定性增强。