CN112961715A - 一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的制备方法及其应用，结焦抑制剂质量分数15％～25％的丙三醇、质量分数5％～15％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水，制备方法包括用分析天平称取去离子水，将丙三醇加入到去离子水中，用玻璃棒缓慢搅拌10min；加入端羟基超支化聚酯(HBP)，继续缓慢搅拌10min；将混合溶液放入到超声清洗器中震荡30min，溶液密封储存即得；其应用包括在空天动力发动机燃料裂解温度大于700℃时加入质量分数为燃料质量5％的结焦抑制剂，本发明能够解决空天动力发动机碳氢燃料高温结焦的问题，保证燃料正常裂解的同时避免裂解产物受到污染，保证飞行器长时间稳定运行。

Description

一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及空天动力发动机领域，特别是一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的制备方法及其应用。
背景技术
随着飞行马赫数不断提高，飞行器燃烧室的有效冷却成为一个亟需解决的问题。吸热型碳氢燃料由于其优异的吸热性质被用作冷却介质应用于主动冷却热管理，即燃料在进入燃烧室前，流经发动机燃烧室壁面微通道，通过显热、相变潜热(物理热沉)和化学裂解反应吸热(化学热沉)冷却燃烧室壁面。然而，在燃料高温裂解过程中结焦反应同步发生，结焦会增大流阻，影响壁面传热和腐蚀金属材料，严重时堵塞冷却通道，造成灾难性后果。
目前针对燃料裂解结焦问题，大多采用涂层技术和加入添加剂的方式抑制金属催化结焦，抑制体相结焦相关的报道比较少。涂层技术虽然能有效地抑制结焦，但是在制备的过程中的高温条件会影响基体材料本身的强度和韧性等性能。目前，对于添加剂的研究，很多采用硫及其化合物来抑制结焦。硫化物破坏了促进结焦的金属催化作用，有比较明显的抑制结焦效果，但是含硫化合物会改变裂解产物分布，裂解产物会受到污染，因此，如何解决上述技术问题成为本技术领域人员需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的制备方法及其应用，以解决上述技术背景中所提出的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，包括质量分数15％～25％的丙三醇、质量分数5％～15％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
进一步的，一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，包括质量分数15％的丙三醇、质量分数15％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
进一步的，一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，包括质量分数20％的丙三醇、质量分数10％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
进一步的，一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，包括质量分数25％的丙三醇、质量分数5％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的制备方法，通过以下步骤实现：
S1、用分析天平称取去离子水，将丙三醇加入到去离子水中，用玻璃棒缓慢搅拌10min；
S2、溶液中加入端羟基超支化聚酯(HBP)，继续缓慢搅拌10min；
S3、将混合溶液放入到超声清洗器中震荡30min，保证溶液混合均匀，溶液密封储存即可。
一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的应用，具体通过以下方法实现：在空天动力发动机的高温燃料裂解装置的入口处设置一个三通接头，燃料和结焦抑制剂分别从两个通路加入，加入结焦抑制剂的支路安装有电子阀门，燃料裂解温度低于700℃自动关闭阀门，燃料裂解温度高于700℃自动打开阀门，添加剂加入到裂解装置中，其中，三通接头内部装有铁丝网，增大热流扰动可以保证燃料和添加剂混合均匀，结焦抑制剂的添加量为燃料量的5％。
本发明的有益效果是：本发明能够解决空天动力发动机碳氢燃料高温结焦的问题，保证燃料正常裂解的同时避免裂解产物受到污染，保证飞行器长时间稳定运行。
附图说明
图1为实验例1中未添加结焦抑制剂的RP-3裂解实验压差变化图；
图2为实验例1中添加结焦抑制剂的RP-3裂解实验压差变化图；
图3为实验例2中未添加结焦抑制剂的RP-3裂解实验压差变化图；
图4为实验例2中添加结焦抑制剂的RP-3裂解实验压差变化图；
图5为实验例3中正癸烷裂解实验转化率和产气率图；
图6为实验例3中正癸烷裂解实验热沉图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，包括质量分数15％～25％的丙三醇、质量分数5％～15％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
作为优选，一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，包括质量分数15％的丙三醇、质量分数15％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
作为优选，一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，包括质量分数20％的丙三醇、质量分数10％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
作为优选，一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，包括质量分数25％的丙三醇、质量分数5％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
实施例二：
一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的制备方法，其制备方法通过以下步骤实现：
S1、用分析天平称取质量分数为70％的去离子水，将质量分数为15％～25％丙三醇加入到去离子水中，用玻璃棒缓慢搅拌10min；
S2、溶液中加入质量分数为5％～15％端羟基超支化聚酯(HBP)，继续缓慢搅拌10min；
S3、将混合溶液放入到超声清洗器中震荡30min，保证溶液混合均匀，溶液密封储存即得。
实施例三：
一种新型碳氢燃料结焦抑制剂的应用，具体通过以下方法实现：在空天动力发动机的高温燃料裂解装置的入口处设置一个三通接头，燃料和结焦抑制剂分别从两个通路加入，加入结焦抑制剂的支路安装有电子阀门，燃料裂解温度低于700℃自动关闭阀门，燃料裂解温度高于700℃自动打开阀门，结焦抑制剂加入到裂解装置中，其中，三通接头内部装有铁丝网，增大热流扰动可以保证燃料和添加剂混合均匀，结焦抑制剂的添加量为燃料量的5％。
实验例一：
以丙三醇20.0％、端羟基超支化聚酯10.0％以及去离子水70.0％的比例，并按照实施例2中的方法制备结焦抑制剂。
以市售3号喷气燃料(RP-3)作为原料，质量流量为3g/s,采用单段式加热，进行燃料的超临界裂解结焦试验，其中反应段为内径2mm，长度800mm的GH3128镍基高温合金管，控制反应段的出口燃料温度为750℃，出口压力为3.5Mpa，记录裂解反应时的压差变化，具体结果请参阅附图1所示。
同样以市售3号喷气燃料(RP-3)作为原料，质量流量为3g/s,采用单段式加热，进行燃料的超临界裂解结焦试验，其中反应段为内径2mm，长度800mm的GH3128镍基高温合金管，控制反应段的出口燃料温度为750℃，出口压力为3.5Mpa，燃料裂解过程中，将质量流量0.16g/s(质量分数5％)结焦抑制剂加入到反应体系中，记录裂解反应时的压差变化，具体结果请参阅附图2所示。
对比表明：未添加结焦抑制剂的裂解实验稳定运行了600s，压差有明显升高，管路结焦明显。添加结焦抑制剂的裂解实验稳定运行了1700s，压差没有变化，航空煤油裂解过程中几乎没有结焦。
实验例二：
以丙三醇20.0％、端羟基超支化聚酯10.0％以及去离子水70.0％的比例，并按照实施例2中的方法制备结焦抑制剂。
以市售3号喷气燃料(RP-3)作为原料，质量流量为1g/s,采用单段式加热，进行燃料的超临界裂解结焦试验，其中反应段为内径2mm，长度800mm的GH3128镍基高温合金管，控制反应段的出口燃料温度为750℃，出口压力为1Mpa，记录裂解反应时的压差变化，具体结果请参阅附图3所示。
同样以市售3号喷气燃料(RP-3)作为原料，质量流量为1g/s,采用单段式加热，进行燃料的超临界裂解结焦试验，其中反应段为内径2mm，长度800mm的GH3128镍基高温合金管，控制反应段的出口燃料温度为750℃，出口压力为1Mpa，燃料裂解过程中，将质量流量0.05g/s(质量分数5％)结焦抑制剂加入到反应体系中，记录裂解反应时的压差变化，具体结果请参阅附图4所示。
对比表明：未添加结焦抑制剂的燃料裂解实验稳定运行了1100s，压差开始增大，管路最终完全堵塞。同时由于压力波动，部分管内壁的积炭被冲刷到尾端，出口压力升高。低压裂解实验产生的结焦前驱体相对较少，相比高压实验稳定运行时间增长，但仍无法满足长时间稳定运行的需求。添加结焦抑制剂的燃料裂解实验稳定运行了2100s，压差没有变化，结焦被明显的抑制。
实验例三：
以丙三醇15.0％、端羟基超支化聚酯15.0％以及去离子水70.0％的比例制备结焦抑制剂A。
以丙三醇20.0％、端羟基超支化聚酯10.0％以及去离子水70.0％的比例制备结焦抑制剂B。
以丙三醇25.0％、端羟基超支化聚酯5.0％以及去离子水70.0％的比例制备结焦抑制剂C。
以正癸烷作为原料，质量流量为3g/s,采用单段式加热，进行燃料的超临界裂解结焦试验，其中反应段为内径2mm，长度800mm的GH3128镍基高温合金管，控制反应段的出口燃料温度为700℃-750℃，出口压力为3.5Mpa，记录正癸烷裂解反应时的转化率、产气率以及热沉。
以正癸烷作为原料，质量流量为3g/s,采用单段式加热，进行燃料的超临界裂解结焦试验，其中反应段为内径2mm，长度800mm的GH3128镍基高温合金管，控制反应段的出口燃料温度为700℃-750℃，出口压力为3.5Mpa，燃料裂解过程中，将质量流量0.16g/s(质量分数5％)结焦抑制剂A加入到反应体系中，记录正癸烷裂解反应时的转化率、产气率以及热沉。
以正癸烷作为原料，质量流量为3g/s,采用单段式加热，进行燃料的超临界裂解结焦试验，其中反应段为内径2mm，长度800mm的GH3128镍基高温合金管，控制反应段的出口燃料温度为700℃-750℃，出口压力为3.5Mpa，燃料裂解过程中，将质量流量0.16g/s(质量分数5％)结焦抑制剂B加入到反应体系中，记录正癸烷裂解反应时的转化率、产气率以及热沉。
以正癸烷作为原料，质量流量为3g/s,采用单段式加热，进行燃料的超临界裂解结焦试验，其中反应段为内径2mm，长度800mm的GH3128镍基高温合金管，控制反应段的出口燃料温度为700℃-750℃，出口压力为3.5Mpa，燃料裂解过程中，将质量流量0.16g/s(质量分数5％)结焦抑制剂C加入到反应体系中，记录正癸烷裂解反应时的转化率、产气率以及热沉。
上述四次实验的转化率、产气率以及热沉图如附图5和附图6所示，从图中可得出，添加质量分数5％不同调配比例的结焦抑制剂(W1＝15.0％、20.0％、25.0％)，不会影响燃料本身的裂解，燃料的转化率、产气率和吸热能力均没有发生改变，结焦抑制剂的加入可以保证燃料的正常裂解，不会对裂解产物造成污染。
从实验例1--实验例3可以得出，结焦抑制剂可以氧化燃料高温裂解的结焦前驱体，在低压和高压下均可以有效地抑制结焦，不会影响燃料的正常裂解，能够解决空天动力发动机碳氢燃料高温结焦的问题，保证燃料正常裂解的同时避免裂解产物受到污染，保证飞行器长时间稳定运行。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，其特征在于，包括质量分数15％～25％的丙三醇、质量分数5％～15％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
2.根据权利要求1所述的一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，其特征在于，包括质量分数15％的丙三醇、质量分数15％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，其特征在于，包括质量分数20％的丙三醇、质量分数10％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
4.根据权利要求1所述的一种新型碳氢燃料结焦抑制剂，其特征在于，包括质量分数25％的丙三醇、质量分数5％的端羟基超支化聚酯(HBP)以及质量分数70％的去离子水。
5.一种基于权利要求1所述的新型碳氢燃料结焦抑制剂的制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
S1、用分析天平称取去离子水，将丙三醇加入到去离子水中，用玻璃棒缓慢搅拌10min；
S2、溶液中加入端羟基超支化聚酯(HBP)，继续缓慢搅拌10min；
S3、将混合溶液放入到超声清洗器中震荡30min，保证溶液混合均匀，溶液密封储存即可。
6.一种基于权利要求1所述的新型碳氢燃料结焦抑制剂的应用，其特征在于，在空天动力发动机的高温燃料裂解装置的入口处设置一个三通接头，燃料和结焦抑制剂分别从两个通路加入，加入结焦抑制剂的支路安装有电子阀门，燃料裂解温度低于700℃自动关闭阀门，燃料裂解温度高于700℃自动打开阀门，添加剂加入到裂解装置中，其中，三通接头内部装有铁丝网，增大热流扰动可以保证燃料和添加剂混合均匀，结焦抑制剂的添加量为燃料量的5％。
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