不同质量流量下正癸烷的裂解换热特性

碳氢燃料裂解吸热反应是超燃冲压发动机实现主动冷却所利用的重要手段。为探究不同燃油流量下冷却通道中的裂解换热特性,本文通过设置不同质量流量,不同出口温度探究了正癸烷的热沉、转化率、壁面温度以及结焦情况,确定了正癸烷在不同质量流量下的裂解换热特性。结果表明正癸烷在高温时化学反应对停留时间的影响减弱,停留时间对化学反应的影响得到增强。正癸烷的气相产物分布随着质量流量变化而变化,烷烃含量随质量流量增大而减少,烯烃含量随质量流量增大而增加。发现了低流量高出口温度情况下正癸烷的裂解强化换热现象,发生裂解强化换热时壁温会显著下降。同时通过裂解残液的色谱分析,得到了结焦反应迅速增强的温度与流量。     

质量流量对超临界裂解反应过程的影响研究

燃料质量流量是发动机热管理系统的重要控制参数。为了研究质量流量对冷却通道内燃料复杂反应过程的影响,本文基于实际气体状态方程建立了耦合详细反应机理的一维流动反应数学模型。利用该模型对质量流量0.8 g·s~(-1)、1.0 g·s~(-1)、1.2 g·s~(-1)条件下碳氢燃料在总长1.0 m通道内的吸热裂解反应进行了计算分析,结果显示由于裂解反应与流体热物性及流速存在耦合关系,燃料停留时间沿流动方向呈非线性分布。不同质量流量条件下燃料的局部停留时间在距通道进口约0.3～0.4 m处出现等值现象。质量流量较小时燃料在通道内的具有较长的总停留时间,但在主要反应阶段的局部停留时间缩短,这主要是由于裂解反应引起密度降低所致。同时,本文引入了敏感性分析方法,分析了不同质量流量时各裂解反应产物产率对质量流量变化的敏感性。结果显示,C_3H_8、C_4H_8、C_4H_(10)、C_(5+)、CC_(5+)五种裂解产物的产率对质量流量的敏感性系数在燃料裂解率较低时为负值,在高转化率时为正值,并且C_2H_2的敏感性系数绝对值始终最大。     

碳氢燃料热裂解机理及化学动力学模拟

发动机设计中,燃烧室的热管理问题日益突出.其根源必然涉及到碳氢燃料的化学机理模型.讨论了大分子烃类燃料热裂解反应的反应类型,分析了各反应类型的详细动力学以及对热裂解反应的灵敏度、重要性.根据热裂解反应类型有限和基于物质的一维表示,开发了大分子烃类反应机理的自动生成程序ReaxGen.建立了相应的热、动力学数据库,探讨了如何建立碳氢燃料的详细热裂解化学动力学模型.最后我们建立了正庚烷热裂解反应的详细机理,并用该机理模型模拟预测了产物分布和转化率,理论上计算了热沉值.所得结果与文献结果进行对比讨论.     

航空燃料结焦深度的光度法评价

飞行器在高速飞行时,吸热型碳氢燃料实现吸热反应的主要途径是燃料裂解,而裂解过程伴随的结焦成为高速飞行器应用碳氢燃料的主要障碍之一。对于结焦程度的了解和评价是目前关注的一个主要问题,因此建立一种简单快速评价结焦深度的方法有着重要的意义。基于裂解残液中多环芳烃对残液颜色的影响建立了一种评价航空燃料结焦深度的光度法。根据裂解残液的吸光度对碳氢燃料的结焦情况进行比较分析和半定量评价;对比不同压力、不同流量、不同裂解管径下裂解残液的吸光度和实际的结焦情况验证了该方法的可行性和重复性。从而为碳氢燃料结焦深度的比较分析和半定量评价提供了一种有效的手段。     

焦粉对低阶煤热解焦油气反应行为的影响研究

热解焦油气在输送管路或除尘设备中会发生一定程度的反应,进而影响热解产物的分布和组成,而其中夹带的焦粉粉尘会对焦油气反应产生影响。本研究利用两段流化床热解反应器,考察了不同反应温度下(400-500℃),焦粉对淖毛湖长焰煤热解焦油气反应的影响。结果表明,添加焦粉后,焦油气不仅发生热裂解和热缩聚反应,还会被焦粉作用发生催化裂解反应,焦油产率和沥青含量减小,热解气和积炭产率增加;随着反应温度的升高,焦油气热裂解和热缩聚反应加剧,反应后焦油气较为稳定,不易被焦粉催化,因此,焦粉对焦油产率、沥青含量及热解气产率的影响随温度升高逐渐减弱;而反应温度升高,焦油气催化裂解生成的自由基更容易发生缩聚反应,焦粉对积炭产率的影响变强。此外,焦粉的催化裂解作用使不同反应温度下焦油中杂环化合物含量下降;同时焦粉促进了热解水与焦油气反应,导致不同反应温度下焦油中脂肪烃、芳香烃含量下降,酚类和含氧化合物含量上升。     

吸热型碳氢燃料模型化合物在超临界条件下的裂解及热沉测定

建立了一套热量计, 用于吸热型碳氢燃料及其模型化合物在超临界条件下的吸热能力测定及裂解机理的探索. 测定了正庚烷和JP-10在不同温度和压力下的热沉数据, 结合色谱分析结果讨论了压力、温度等对热沉、气相产物分布的影响. 测得正庚烷在873 K, 3.4 MPa条件下的热沉为3.14 MJ•kg－1, JP-10在903 K, 3.2 MPa条件下的热沉为3.08 MJ•kg－1, 对应的热裂解转化率分别为32%和4.7%, 该热沉值可以达到速度为5～6马赫数的飞行器的冷却要求.     

吸热型碳氢燃料裂解催化剂结焦研究

建立了一套可以同时进行吸热型碳氢燃料催化裂解研究和催化剂结焦评价的装置。选用SAPO－34、HZSM－5以及USY型不同孔径的分子筛催化剂对自行研制的吸热型碳氢燃料S－1进行催化裂解反应，采用注氧烧焦的方法考察了改变反应温度、反应时间等实验条件对催化剂结焦性能的影响，结果发现，当温度达到700℃时，三种催化剂都有最大的结焦量，而USY型分子筛高达55μL/mg。同时还考察了作为结焦母体的小分子烯烃在裂解产物中的分布与催化剂结焦的关系，对燃料S－1在三种分子筛上裂解结焦的规律有了初步的了解，从而为筛选适用于吸热型碳氢燃料催化裂解的催化剂提供了有力的依据。     

Pd/HZSM-5涂层催化吸热燃料超临界裂解

超临界催化裂解反应是实现吸热燃料功能的关键途径.采用气体辅助涂层和化学镀方法在ψ3管内壁制备了Pd/HZSM-5双功能涂层催化剂.利用SEM、XRD和XPS等对涂层进行了表征,结果显示催化剂涂层表面平整,涂层厚度为12μm～16μm,催化剂粒径为1μm～5μm;Pd颗粒分散均匀,主要以零价态存在.考察了模型吸热燃料正十二烷在反应管内的超临界催化裂解反应,结果表明,Pd/HZSM-5涂层能显著促进裂解反应,在温度640℃、压力4 MPa、停留时间10 s下,吸热燃料裂解率为55.5%,产氢率为3.1%,热沉为3 470 kJ/kg,较HZSM-5涂层分别提高了8.5%,58.7%和10.5%;较热裂解分别提高了17.3%,78.1%和13.5%.     

超临界条件下正庚烷的裂解与结焦

以正庚烷为碳氢燃料模型化合物, 考察其在超临界条件下的裂解和结焦情况, 着重探讨了裂解温度和雷诺数(Re)对裂解反应的影响. 在4.0 MPa和500～650 ℃范围内, 随着反应温度升高, 正庚烷的裂解转化率大幅度提高, 裂解反应及其产物的二次反应使结焦前驱物增加, 最终导致结焦严重; 在超临界条件下, 提高流体的湍动程度, 有利于抑制结焦. 采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、差示扫描量热(DSC)和X射线衍射(XRD)等技术分析固体焦的形貌特性, 结果表明正庚烷裂解结焦主要以金属催化作用产生的丝状焦为主, 丝状焦的生长是不锈钢发生渗碳现象的重要原因.     

提高烃类燃料热沉的研究进展

吸热型烃类燃料是一种热安定性好、可以利用其化学热沉的燃料,其热沉能够满足高超音速飞行的需要。本文论述了燃料热安定性、催化脱氢、催化裂解、引发裂解、超临界裂解等对吸热型烃类燃料热沉的影响,重点论述了引发裂解在吸热型烃类燃料中的裂解优势,提出引发裂解在高超音速飞行器上具有诱人的应用前景。     

提高烃类燃料热沉的研究进展

吸热型烃类燃料是一种热安定性好、可以利用其化学热沉的燃料,其热沉能够满足高超音速飞行的需要。本文论述了燃料热安定性、催化脱氢、催化裂解、引发裂解、超临界裂解等对吸热型烃类燃料热沉的影响,重点论述了引发裂解在吸热型烃类燃料中的裂解优势,提出引发裂解在高超音速飞行器上具有诱人的应用前景。     

提高烃类燃料热沉的研究进展

吸热型烃类燃料是一种热安定性好、可以利用其化学热沉的燃料,其热沉能够满足高超音速飞行的需要.本文论述了燃料热安定性、催化脱氢、催化裂解、引发裂解、超临界裂解等对吸热型烃类燃料热沉的影响,重点论述了引发裂解在吸热型烃类燃料中的裂解优势,提出引发裂解在高超音速飞行器上具有诱人的应用前景.     

新型热量计的研制及其在吸热型碳氢燃料热沉测定中的应用

建立并完善了一套高温流动型热导式量热装置,实现了量热与色谱在线分析的有机结合。对该系统的仪器常数、热量常数、时间常数进行了精确的标定,并采用标准物质氮气、正庚烷等对仪器的准确性进行了考察,测量结果误差在2.2%～4.7%之间。同时还实测了吸热型碳氢燃料S-1,R-1等的热裂解热沉值。S-1在700℃时的热沉为2.99MJ/kg,而R-1的热沉为2.82MJ/kg。     

亚/超临界乙醇液化秸秆纤维素解聚反应研究与机理初探

利用间歇式高压反应釜,在反应温度200～330 ℃、乙醇用量0～150 mL条件下,考察了亚/超临界乙醇直接液化秸秆纤维素的解聚行为,并初步探讨了其液化机理。结果表明,反应温度、乙醇用量和反应停留时间对秸秆纤维素的液化均有显著影响,反应温度由200 ℃升高至330 ℃,重油和气体收率分别增加了12.55%、28.83%;乙醇用量增加,反应压力随之升高,乙醇进入超临界状态,残渣和气体收率相比单纯热裂解分别降低11.10%和8.44%。通过GC/MS、FT-IR分析生物油组分和残渣特性,表明秸秆纤维素在亚/超临界乙醇中断键裂解,且酮类和乙酯类化合物是生物油的主要成分。     

聚乙烯塑料在连续超临界水反应器中的油化研究

在连续超临界水（SCW）反应器中考察了反应温度、停留时间和反应压力对聚乙烯（PE）降解油化的影响。实验结果表明,在120s、25MPa下,从500℃提高到550℃,液体收率呈现先升后降的趋势,在530℃达到最大值（79%）;在520℃、25MPa下,随停留时间的延长,PE裂解程度加深,产物轻质化程度提高,导致液体收率降低,停留240s时,气体收率达到43%;反应压力对产物收率的影响较小,气、液产物中烯/烷比随反应压力的增加而增大。     

乙苯与二甲苯在超临界压力下的热裂解研究

采用连续流动装置, 在压力为4 MPa, 温度分别在700, 750和780 ℃条件下, 开展了乙苯和二甲苯在超临界压力条件下热裂解反应的实验研究. 对乙苯和二甲苯裂解的气相产物, 采用在线气相色谱进行分析; 而裂解的液相产物则通过色质联用仪进行定量分析. 研究发现乙苯和二甲苯裂解的气相产物组成基本相同, 而液相产物组成相差较大, 但都是芳香烃类化合物. 乙苯和二甲苯的转化率都随温度升高而增加; 在相同温度下, 乙苯比二甲苯转化率高. 此外, 裂解过程并未发现明显的结焦现象, 说明纯芳香烃物质的热裂解并不会导致严重积炭. 同时, 本文还采用密度泛函方法在BHandHLYP/6-31+G(d, p)水平上, 对乙苯和甲苯分别进行结构优化并计算相关的键能. 计算结果表明: 乙苯侧链乙基中的C—C键的键能最小, 从而说明乙苯侧链烷基更容易发生断键反应, 理论结果很好地解释了乙苯比二甲苯裂解转化率高的实验现象. 本文的工作对燃料裂解结焦机理的重新认识有重要的意义.     

吸热型碳氢燃料正癸烷热裂解机理、热沉及产物分布的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法在6-311G(d,p)基组水平上对正癸烷裂解过程中涉及的反应物、产物及过渡态进行了几何构型优化和振动频率计算,运用B3LYP/aug-cc-pVTZ方法计算单点能并构建势能剖面图。利用TheRate程序包及Eckart校正模型计算了各反应速率常数k。采用统计热力学原理求得不同温度下的热容C_p,m^θ及熵S_{298 K}^θ,并通过设计等键反应获得了各物种的标准生成焓△_fH_{298 K}^θ。用Chemkin II程序模拟预测了产物分布,理论计算了热沉值,并讨论了温度、压力对产物分布和热沉的影响。结果表明,C-C键断裂过程是反应的初始步骤,且抽氢反应较β键断裂反应更易进行。裂解起始温度为500 ℃,反应主要发生在600~700 ℃,其主要产物为氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和1,3-丁二烯,且产物分布随温度不同而变化。模拟计算获得正癸烷在温度600 ℃、压力2.5 MPa条件下的总热沉值为2.334 MJ/kg,对应的热裂解转化率为25.9%,该热沉值可以满足速率为5~6马赫数的飞行器的冷却要求。     

吸热型碳氢燃料裂解引发剂筛选及引发机理分析

筛选可溶性添加剂替代多相催化剂, 达到促进吸热型碳氢燃料裂解、提高燃料热沉以及燃烧性能的目的. 采用考察裂解气相产物气体流量的方法进行实验. 测试了10种添加剂在500～650 ℃范围内对正庚烷裂解效果的影响. 研究发现, 三乙胺、2,6-二叔丁基对甲酚(BHT)可促进正庚烷裂解, 其它添加剂均无显著效果. 在550 ℃时, 当三乙胺质量分数达到6%时, 实验总气体收率比计算总气体收率增加80%以上. 机理研究表明, 三乙胺的引发剂基团来源于C—N键的断裂. BHT的结构、性状与前者显著不同, 在550 ℃时, 当BHT质量分数为3.4%时体系的气体收率较之纯正庚烷裂解气体收率增加80%以上, BHT的引发基团主要是连接于叔丁基上的甲基发生脱离的结果     

ZSM-5分子筛催化JP-10裂解的研究

考察了ZSM-5分子筛催化高密度碳氢燃料JP-10的裂解情况. 在500～650 ℃温度范围内, 与热裂解相比, 分子筛催化可显著提高裂解转化率, 主要产物有甲烷、乙烷、乙烯、丙烷和丙烯, 以及苯和苯的同系物等. 在较高温度时, 由于氢转移反应, 产物中出现了茚、萘等低氢碳比化合物, 会影响燃料的燃烧性能, 应用时需要根据性能要求在高裂解转化率与低芳烃收率之间进行权衡. 通过裂解产物分析, 结合量子化学计算, 探讨了JP-10催化裂解的可能历程, 并对实验结果进行了解释.     

环己烷超临界裂解性能分析

详细研究了超临界条件下环己烷的热裂解性能,其中气相产物采用气相色谱分析,液相产物通过气相色谱-质谱联用仪进行分析,主要裂解产物为甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烯、己烯、环己烯和苯等。研究发现,温度、压力和流体的湍动程度显著影响裂解反应,裂解转化率和裂解深度随温度升高均增加,压力和流体的湍动程度对裂解的影响是通过改变停留时间产生的。根据液相产物的主要成分,推测了可能的裂解过程。