小麦淀粉的燃烧过程和热分析动力学分析_吴欣荣.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程()收稿日期:作者简介:吴欣荣(),男,硕士,研究方向为谷物面粉爆炸特性,电话:,:;乔建江,男,副教授,通信联系人,:。反应工程小麦淀粉的燃烧过程和热分析动力学分析吴欣荣,乔建江(华东理工大学 机械与动力工程学院;安全工程咨询中心,上海)摘要:为了分析小麦淀粉的燃烧特性,对小麦淀粉进行热重实验,绘制 曲线,对其燃烧过程进行划分,计算小麦淀粉燃烧特性参数,比较其燃烧性能。通过等转化率方法进行热分析动力学研究,并分析小麦淀粉粉尘燃烧反应机理。结果表明:小麦淀粉燃烧过程分为脱水阶段、过渡阶段、快速燃烧阶段和焦炭燃烧阶段,质量损失主要发生在快速燃烧阶段,并在这一
2、阶段质量损失速率达到最大值;在高温升速率下,小麦淀粉粉尘的可燃特性指数和综合燃烧特性指数都较高,可燃性能和燃烧性能都提高,易发生燃烧反应;运用、和 种方法得到的平均活化能值分别为 ,活化能较小,容易发生燃烧化学反应;在较大的加热速率下,小麦淀粉更易发生表面着火,符合表面非均相点火机理。关键词:小麦淀粉;燃烧特性;热分析动力学;燃烧机理中图分类号:文献标识码:文章编号:():,(;,):,;,:;粮食在加工、运输和储存过程中都会产生大量的可燃性粉尘,淀粉则是最为典型的一种粮食性粉尘,也是粮食性粉尘爆炸事故发生频率最多的粉尘之一。近年来粉尘爆炸事故频繁发生,造成大量的人员伤亡和财产损失,这是由于人
3、们对可燃性粉尘的危害性认识不到位,缺乏相应的防护措施。粉尘爆炸本质是粉尘颗粒发生剧烈燃烧反应并释放能量的过程,因此开展淀粉粉尘燃烧特性的研究,对于此类粮食性粉尘爆炸事故的防范和治理是十分有必要的。吴欣荣等 小麦淀粉的燃烧过程和热分析动力学分析 投稿平台:目前,国内外学者对粮食性粉尘的危害研究主要在于其爆炸和燃烧特性。袁帅利用 爆炸球和粉尘云最低着火温度测定装置研究了粉尘浓度、点火能量和惰化粉尘等 种外界因素对玉米淀粉爆炸特性参数的影响规律;陶可通利用自行搭建的实验平台结合高速摄影技术研究了粉尘粒径和浓度对其火焰传播特性的影响;赵江平等运用锥形量热仪基于正交试验的方法研究了粉尘粒径、惰性介质和热
4、辐射通量对玉米淀粉燃烧特性的影响效应;等运用 技术进行了有色玉米淀粉的氧化过程和内在机理研究。但现有的研究对淀粉粉尘状态的燃烧过程界定、内部燃烧机理的阐述仍不明确。文中以小麦淀粉为研究对象,旨在探究淀粉粉尘的内部燃烧过程,计算其燃烧动力学参数并进行热动力学分析,分析淀粉粉尘燃烧机理,为粮食性粉尘的防火防爆提供依据和参考。实验 实验样品及仪器实验样品:小麦淀粉,源叶生物有限公司。实验仪器:型综合热分析仪,北京恒久科学仪器厂;型电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;型分析天平,梅特勒托利多仪器(上海)有限公司。实验方法实验所需样品在干燥箱中干燥 ,称取所需质量(左右)进行实验。设置终止温度为,
5、升温速率为,这 种实验工况,实验气氛为空气,绘制 曲线图。燃烧特性指数的计算方法 可燃特性指数可燃特性指数可以反映小麦淀粉的燃烧性能,可燃特性指数越大,小麦淀粉的可燃性越好。可燃特性指数可以采用下面的公式进行描述和求解:()()式中:()为燃烧反应的最大速率,可通过 曲线得到;为小麦淀粉在空气中的着火温度,可通过 切线法得到。综合燃烧特性指数综合燃烧特性指数可以对小麦淀粉的燃烧特性进行全面的评价,具体公式如下:()()()式中:()表示平均燃烧速率,;为燃尽温度,。热分析动力学计算方法为了计算小麦淀粉实验样品的活化能,选用等转换动力学方法进行计算,在计算活化能选择不适当的机制函数往往会造成较大
6、的误差,而等转化动力学方法可以有效地避免误差,提高计算的准确性。方程、方程和 方程是最有效被用来计算活化能的方法。方程如下:|()方程如下:()|()方程:|()式中:为常数;为小麦淀粉样品质量的转化率,定义为 ()(),为初始时刻质量,为 时刻质量,为最终质量;为温升速率,;为一般气体常数,();为表观活化能,;为指前因子,;为不同转化率下的温度,;()为反应机理函数的积分形式。结果与讨论 燃烧过程分析温度是探究小麦淀粉燃烧过程的重要指标,依据不同的特征温度可以将小麦淀粉的燃烧过程划分为不同的区域,利用不同温升速率下的 数据,绘制,如图 所示,得到小麦淀粉燃烧过程的 个特征温度,并在图中做出
7、标记。从图 可以看出小麦淀粉粉尘 个特征温度,分别为:过渡阶段初始温度。这个温度表示 和 条曲线开始进入平稳阶段,小麦淀粉样品质量基本不变;着火温度。着火温度为小麦淀粉开始燃烧的温度,燃烧过程基本发生在达到着火温度之后。着火温度变化规律可以为研究淀粉燃烧爆炸提供参考;焦炭燃烧起始温度。对应 曲线由陡变缓的边界,反映小麦淀粉燃烧速度变慢,表明快速燃烧过程基本结束,而燃烧产生的焦炭在达到 温度之后开始燃烧,最终形成二氧化碳释放出去;燃尽温度。对应小麦淀粉化学工程 年第 卷第 期 投稿平台:燃烧结束的温度,在这个温度下,小麦淀粉燃烧过程已经结束,质量损失达到最大,样品基本完全燃烧。图 、温升速率下小
8、麦淀粉 图 ,燃烧阶段的划分为了分析小麦淀粉的燃烧过程,将其划分为不同的阶段。分别是:脱水阶段(室温)、过渡阶段()、快速燃烧阶段()和焦炭燃烧阶段(),焦炭燃烧阶段之后的部分为小麦淀粉燃烧过程的结束阶段。从图 可以看出 种温升速率下的小麦淀粉燃烧过程质量损失相似,以温升速率为 为例,详细地分析小麦淀粉燃烧的 个阶段。脱水阶段 (室温),在这个阶段,小麦淀粉质量出现下降,曲线出现第 个质量损失峰,主要为小麦淀粉中的水分蒸发,主要为物理变化;过渡阶段(),在此阶段 和 曲线几乎是一条直线,说明小麦淀粉的质量基本没有损失。此时小麦淀粉开始发生内部结构重组和糖苷键的分解,没有造成质量损失。直到接近着
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