混配吸热型碳氢燃料高温裂解反应研究

吸热型碳氢燃料是针对高超声速飞行器的热管理问题提出的一种性能优良的可燃冷却剂,能满足飞行器动力及热管理的双重需求。该燃料不仅可以利用自身热容提供物理热沉,还可以在高温条件下发生裂解反应从而提供附加化学热沉。由于燃料本身组成十分复杂,直接研究其裂解反应规律比较困难,因此,利用模型化合物混配后进行热裂解研究成为探索碳氢燃料裂解性能的方法之一,便于了解燃料关键组分间的构效关系,为燃料的研制提供必要的技术信息。基于吸热型碳氢燃料主要组成为链烷烃和环烷烃这一客观事实,本文主要围绕这两种烃类化合物混配所得燃料的高温裂解性质进行探索。 分别以JP-10为环烷烃样品,正辛烷和异辛烷为链烷烃样品,研究了不同温度下三种模型化合物的裂解反应规律,在此基础上,考察了JP-10和正辛烷、JP-10和异辛烷按不同比例混配后的高温裂解性能。结果显示,在JP-10和正辛烷体系中,JP-10和正辛烷的裂解均受到不同程度的抑制,总裂解转化率在实验范围内低于计算值(纯物质转化率的线性加和)。而对于JP-10和异辛烷体系而言,异辛烷可以促进JP-10的裂解而自身裂解却被抑制,在整个实验范围内,总转化率的实验值明显大于计算值。考虑到燃料密度、裂解产物烯烃选择性以及结焦等综合因素,JP-10和正辛烷混合物中正辛烷的最佳比例大约为30%-50%(质量分数)之间,JP-10和异辛烷混配异辛烷的比例应低于30%,以10%-30%之间为宜。 研究了十氢萘纯物质以及十氢萘按不同比例分别与正辛烷、异辛烷混配后在不同温度下的热裂解性质,发现混合物中正辛烷可以促进十氢萘的裂解而本身裂解受到抑制,实验总转化率低于计算值。异辛烷的加入明显促进了十氢萘的裂解,增加异辛烷的量,十氢萘转化率明显升高,总的转化率明显比计算值高。推测十氢萘和正辛烷混配时,正辛烷最佳比例在30%左右,十氢萘和异辛烷混配异辛烷的最佳比例大约在10%-30%之间。 采用“油溶性”纳米镍催化剂在拟均相条件下对十氢萘进行催化裂解研究,实验发现相同温度下,纳米Ni对十氢萘的裂解有明显的催化作用。在610℃时,催化裂解转化率提高幅度最大,约为240%,虽然随着温度的升高催化作用降低,但在670℃时转化率仍可提高110%；同时,催化裂解气体产物中氢气的含量也明显升高,有利于提高燃料点火性能；实验过程中还发现,催化裂解在提高转化率的同时也会伴随更多的丝状焦出现,这与热裂解产生的颗粒状焦有明显差异。 实验同样考察了醇类化合物作为吸热型碳氢燃料添加组分的可行性,测定了JP-10和正丁醇、JP-10和正戊醇混配燃料在不同组成和温度下的密度和黏度,计算了二元体系的超额体积和超额黏度,对混配燃料的基本热力学性质进行了讨论,为混配燃料研究提供理论信息。通过混配燃料裂解反应研究发现,醇类化合物的添加对JP-10的裂解有一定的影响,但规律不明显。