DE4023383A1 - METHOD FOR IMPROVING THE THERMAL STABILITY OF HYDROCARBON FUELS - Google Patents
METHOD FOR IMPROVING THE THERMAL STABILITY OF HYDROCARBON FUELSInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Verbessern der Wärmebe ständigkeit oder thermischen Stabilität von Kohlenwasser stoff-Brennstoffen durch chemischen Sauerstoffentzug.The invention relates to improving heat durability or thermal stability of hydrocarbon chemical fuels by chemical deprivation.
Die Leistungsfähigkeit und der Einsatz von zukünftigen Staustrahltriebwerken einschließlich Überschallverbren nungs-Staustrahltriebwerken beim Hyperschallflug sind stark von dem Typ des zu verwendenden Brennstoffes abhängig. Was serstoff-Brennstoff hat überlegene Verbrennungs- und Kühleigenschaften, aber seine geringe Flüssigkeitsdichte und die erforderliche kryogene Lagerung verringern seine Attraktivität zur Verwendung bei vielen mittleren Machzah len, d.h. bei M = 4 bis 8. Dagegen sind Kohlenwasserstoff- Brennstoffe wegen ihrer höheren Dichte erwünscht und im allgemeinen auch einfacher lagerbar. Die Möglichkeit, ein mit Kohlenwasserstoff betanktes Fahrzeug mit Hyper schallgeschwindigkeit zu betreiben, hängt jedoch davon ab, daß das Wärmeableitungspotential des Brennstoffes zum Küh len des Triebwerks und möglicherweise zum Kühlen der Flug zeugzelle selbst maximal ausgenutzt wird. Da der Brennstoff erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, ist thermische Stabi lität wichtig, um die Bildung von Ablagerungen zu vermei den, die das Brennstoffeinspritzsystem verrußen oder die Wärmeübertragungsprozesse bei der Verwendung des Brennstof fes als Kühlmittel stören können. The performance and use of future ones Ramjet engines including supersonic combustion ramjet engines in hypersonic flight are strong depending on the type of fuel to be used. What Hydrogen fuel has superior combustion and Cooling properties, but its low liquid density and the cryogenic storage required reduce its Attractiveness for use with many medium machzah len, i.e. at M = 4 to 8. In contrast, hydrocarbon Fuels desirable because of their higher density and in generally also easier to store. The possibility of a hydrocarbon fueled vehicle with hyper operating sound speed depends, however, on that the heat dissipation potential of the fuel for cooling engine and possibly to cool the flight maximum use of the tool cell itself. Because the fuel exposed to elevated temperatures is thermal stabilization important to avoid the formation of deposits those who soot the fuel injection system or who Heat transfer processes when using the fuel fes can interfere as a coolant.
Mit thermischer Stabilität ist die Neigung des Brennstoffes gemeint, kohlenstoffhaltige Ablagerungen auf heißen Metall oberflächen zu bilden. Dieser Effekt ist nicht nur eine Funktion der Brennstoffbestandteile, insbesondere von in Spuren vorhandenen Verunreinigungen, sondern auch der Zu sammensetzung der Metalloberfläche und der Temperatur.With thermal stability is the inclination of the fuel meant carbonaceous deposits on hot metal to form surfaces. This effect is not just one Function of the fuel components, in particular in Traces of existing impurities, but also the Zu composition of the metal surface and the temperature.
Insbesondere bei Flugzeugtriebwerken kann thermische Insta bilität des Brennstoffes Probleme in drei Bereichen verur sachen. Die ersten beiden Bereiche, Brennstoffablagerungen auf Brennstoffeinspritzdüsen und -zumeßventilen, beeinflus sen die Triebwerksleistung direkt und wahrscheinlich am katastrophalsten. Der dritte Bereich, Ablagerungen auf Wän den von Wärmetauschern, verringert die Wirksamkeit der Wärmeübertragung auf den Brennstoff, der als Kühlmittel be nutzt wird. Der letztgenannte Bereich hat bei Hyperschallfahrzeugen die größte Bedeutung, da bei diesen Fahrzeugen der Brennstoff zunehmend als Kühlmittel für die Flugzeugzelle und für Triebwerksteile benutzt wird.In particular in the case of aircraft engines, thermal insta fuel stability causes problems in three areas stuff. The first two areas, fuel deposits on fuel injectors and metering valves engine performance directly and probably at most catastrophic. The third area, deposits on walls that of heat exchangers, reduces the effectiveness of the Heat transfer to the fuel, which is used as a coolant is used. The latter area has Hypersonic vehicles are of the greatest importance because of these Vehicles increasingly use the fuel as a coolant for the vehicle Airframe and for engine parts is used.
Die sich im einzelnen abspielenden chemischen Reaktionen, die zu Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Ablagerungen führen, sind sehr komplex. Es ist jedoch weitgehend anerkannt, daß bei Temperaturen bis zu etwa 260°C (500°F) diese Abla gerungen üblicherweise mit einer Oxidation des Brennstoffes in flüssiger Phase beginnen, die durch gelösten Sauerstoff gefördert wird. Wenn der Brennstoff erhitzt wird, reagiert der Sauerstoff mit den Kohlenwasserstoffen, um freie Radi kale zu bilden, die selbst Oxidationsreaktionen vermehren. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß, wenn die Konzentra tion von gelöstem molekularen Sauerstoff auf niedrige Werte verringert wird, dieser Zerfallsmechanismus unbedeutend wird. Deshalb erweist sich das Entfernen von gelöstem Sau erstoff aus flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff als vor teilhaft.The chemical reactions taking place in detail, which lead to hydrocarbon fuel deposits, are very complex. However, it is widely recognized that at temperatures up to about 260 ° C (500 ° F) this Abla wrestled usually with an oxidation of the fuel start in the liquid phase by dissolved oxygen is promoted. When the fuel is heated, it reacts the oxygen with the hydrocarbons to free radi to form kale, which themselves multiply oxidation reactions. However, it is well known that when the concentra tion of dissolved molecular oxygen to low values is reduced, this disintegration mechanism is insignificant becomes. That is why the removal of dissolved sow proves to be erstoff from liquid hydrocarbon fuel than before partial.
Ein Standardverfahren zum Verbessern der thermischen Stabi lität von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen ist das physikali sche Verdrängen des gelösten Sauerstoffes, indem ein Inert gas wie Stickstoff oder Helium durchgeblasen wird.A standard method to improve thermal stability lity of hydrocarbon fuels is the physical displacing the dissolved oxygen by an inert gas such as nitrogen or helium is blown through.
Durchblasen ist ein physikalischer Prozeß, durch den die Zusammensetzung von in einem Brennstoff gelösten Gasen durch Ändern der Zusammensetzung der Gasatmosphäre, welche mit dem Brennstoff in Kontakt ist, verändert wird. Gemäß dem Henryschen Gesetz ist die Menge eines Gases, die sich in einer Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur löst, sehr angenähert proportional zu dem Partialdruck dieses Gases in der Atmosphäre, die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist. Das Durchblasen mit einem Inertgas verringert den Par tialdruck des Sauerstoffes in der mit einem Brennstoff in Kontakt befindlichen Atmosphäre und reduziert deshalb die Konzentration von gelöstem Sauerstoff, um das durch das Henrysche Gesetz verlangte Gleichgewicht aufrechtzuerhal ten.Blow through is a physical process through which the Composition of gases dissolved in a fuel by changing the composition of the gas atmosphere which is in contact with the fuel. According to Henry's law is the amount of a gas that is dissolves in a liquid at a certain temperature, very approximately proportional to the partial pressure of this Gases in the atmosphere that are in contact with the liquid is. Blowing through with an inert gas reduces the par tialdruck of the oxygen in the with a fuel in Contact atmosphere and therefore reduces the Concentration of dissolved oxygen to make it through the Henry's law required balance to be maintained ten.
Ein großvolumiges Bordsystem zum Durchblasen von Gas ist zur Verwendung auf einem Hyperschallflugzeug wegen der großen Gasmengen, die zum wirksamen Verdrängen des gelösten Sauerstoffes erforderlich sind, jedoch nicht praktisch. Darüber hinaus sind die Zeit und die Menge an Stickstoff, die für den Sauerstoffentzug während des Betankens erfor derlich sind, stark von der Brennstoffdurchflußleistung ab hängig. Daher muß die Brennstoffdurchflußleistung selbst gemäß der Spülgasdurchflußmenge so eingestellt werden, daß der gewünschte Sauerstoffgehalt in der Zeit erzielt wird, die zum Füllen des Tanks benötigt wird.A large-volume on-board system for blowing gas through is for use on a hypersonic aircraft because of the large amounts of gas, which are used to effectively displace the dissolved Oxygen are required, but not practical. In addition, the time and amount of nitrogen, needed for oxygen deprivation during refueling are strongly dependent on the fuel flow rate pending. Therefore, the fuel flow rate itself according to the purge gas flow rate so that the desired oxygen content is achieved in time which is needed to fill the tank.
Ein weiteres Verfahren zum Verbessern der thermischen Sta bilität von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen ist die Verwen dung von Molekularsieben als Sauerstoffentzugsmittel. Mole kularsiebe werden üblicherweise bei industriellen Prozessen benutzt, um Wasser und Verunreinigungsgase zu entfernen. Die Siebe basieren auf dem physikalischen Prozeß der Ad sorption, bei dem die Poren kleine Moleküle wie Sauerstoff unter Ausschluß der in dem Brennstoff vorhandenen größeren Moleküle adsorbieren können. Molekularsiebe sind zwar in ert, nichttoxisch und üblicherweise aus unbrennbaren Mate rialien hergestellt, es sind jedoch große Mengen an Sieben notwendig, um Brennstoff durch Sauerstoffentzug auf nied rige Sauerstoffkonzentrationen zu bringen und die thermi sche Stabilität zu verbessern. Daher sind Molekularsiebe zur Verwendung bei einem Hyperschallflugzeug ebenfalls nicht geeignet.Another method to improve thermal sta is the use of hydrocarbon fuels Formation of molecular sieves as oxygen removal agents. Mole Specular sieves are usually used in industrial processes used to remove water and contaminant gases. The sieves are based on the physical process of the ad sorption, in which the pores contain small molecules such as oxygen excluding the larger ones present in the fuel Can adsorb molecules. Molecular sieves are in er, non-toxic and usually made of incombustible mate materials, but there are large amounts of sieves necessary to lower fuel by deoxygenation bring oxygen concentrations and the thermi improve stability. Hence molecular sieves also for use with a hypersonic aircraft not suitable.
Chemische Zusätze sind auf anderen technischen Gebieten be nutzt worden, um Reaktionen in flüssiger Phase mit gelöstem Sauerstoff einzugehen. Beispielsweise ist Hydrazin in der Kesselindustrie erfolgreich eingesetzt worden, um Sauer stoff zu entfernen und langfristige Korrosionsprobleme in Speisewasseranlagen zu verringern. Hydrazin ist auch be reits benutzt worden, um Sauerstoff aus Erdöllagervorräten zu entfernen und dadurch die Farbstabilität von solchen La gervorräten zu verbessern.Chemical additives are in other technical fields has been used to carry out liquid phase reactions with dissolved Enter oxygen. For example, hydrazine is in the Boiler industry has been successfully used to sour remove fabric and long term corrosion problems in Reduce feed water systems. Hydrazine is also be has already been used to extract oxygen from oil stocks to remove and thereby the color stability of such La to improve stocks.
Im letztgenannten Fall wurde der Prozeß üblicherweise aus geführt, indem eine Erdölfraktion mit einem Überschuß an Hydrazinbehandlungsmittel in flüssiger Phase in Kontakt ge bracht wurde. Nach dem Absetzen der Produkte lag ein zwei phasiges System vor, eine behandelte Erdölphase und eine Hydrazinbehandlungsmittelphase. Die Trennung der beiden Phasen konnte durch herkömmliche Techniken erfolgen.In the latter case, the process has usually ended led by a petroleum fraction with an excess of Hydrazine treatment agent in liquid phase in contact was brought. After the products were discontinued there was a two phase system, a treated petroleum phase and a Hydrazine treatment agent phase. The separation of the two Phases could be done using conventional techniques.
Die Menge an Hydrazinbehandlungsmittel, die bei einem sol chen Prozeß benutzt wird, kann die Menge an behandeltem Erdöl weit übersteigen, wobei die genaue Menge von der Menge an Erdölbestandteilen abhängig ist, die extrahiert werden sollen. Infolgedessen ist die Verwendung von Hydra zinen wegen der hohen Kosten der verschiedenen Hydrazine als ökonomisch unpraktikabel angesehen worden.The amount of hydrazine treatment agent that a sol Chen process is used, the amount of treated Petroleum far exceed, the exact amount of which Amount of petroleum constituents that is extracted depends should be. As a result, the use of Hydra zinen because of the high cost of the various hydrazines been regarded as economically impractical.
Darüber hinaus kann das Inkontaktbringen von Erdölprodukten mit einem Hydrazinbehandlungsmittel zwar bei irgendeiner geeigneten Temperatur innerhalb des Bereiches von Atmosphä rentemperatur bis 340°C (650°F) erfolgen, bei den niedri geren Temperaturen werden jedoch längere Reaktionszeiten benötigt, zum Beispiel 10 Stunden oder noch länger. Deshalb ist ein bevorzugter erhöhter Temperaturbereich (von 65°C (150°F) bis 232°C (450°F)) notwendig, damit die Reaktion innerhalb von einigen Minuten stattfindet.It can also bring petroleum products into contact with a hydrazine treatment agent at any suitable temperature within the range of atmosphere temperature up to 340 ° C (650 ° F) at low temperatures However, lower temperatures will result in longer reaction times needed, for example 10 hours or more. That's why is a preferred elevated temperature range (from 65 ° C (150 ° F) to 232 ° C (450 ° F)) necessary for the reaction takes place within a few minutes.
Erhöhte Temperaturen sind problematisch, weil der thermi sche Zerfall des Brennstoffes schneller erfolgt. Zwar wer den Selbstoxidationsreaktionen unbedeutend, wenn der ge löste molekulare Sauerstoff auf niedrige Werte verringert wird, die Zersetzung durch Pyrolyse ist jedoch noch immer ein dominanter Mechanismus, insbesondere wenn der Brenn stoff höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Daher sind nied rige Reaktionstemperaturen erwünscht, um thermischen Zer fall und somit Instabilität des Brennstoffes zu vermeiden.Elevated temperatures are problematic because of the thermi The fuel decays faster. Although who the self-oxidation reactions insignificant if the ge dissolved molecular oxygen reduced to low levels decomposition by pyrolysis is still a dominant mechanism, especially when burning exposed to higher temperatures. Therefore are cute Rige reaction temperatures desired to thermal Zer Fall and thus avoid instability of the fuel.
Außerdem könnte das Zweiphasensystem, das aus einem Prozeß resultiert, Probleme hervorrufen, wenn es in einem Hyper schallflugzeug benutzt wird. Der Charakter des Brennstoffes wird sich ausreichend geändert haben, um die Verbrennungs eigenschaften zu beeinflussen, und herkömmliche Techniken, die normalerweise angewandt werden, um die behandelten und behandelnden Phasen zu trennen, sind möglicherweise an Bord eines Flugzeuges nicht anwendbar.In addition, the two-phase system could be made up of one process results in problems when it is in a hyper acoustic aircraft is used. The character of the fuel will have changed enough to the combustion properties, and traditional techniques, which are normally applied to the treated and separate treatment phases may be on board of an aircraft not applicable.
Daher besteht seit langem ein Bedarf an der Verbesserung der thermischen Stabilität von Kohlenwasserstoff-Brennstof fen, und zwar nicht nur durch Schaffen eines wirksamen Ver fahrens zum Entfernen des gelösten Sauerstoffes aus diesen Brennstoffen, sondern auch durch Schaffen eines sicheren und praktischen Verfahrens für dieses Entfernen, das auf Fahrzeugen anwendbar ist, die sich mit Hyperschallgeschwin digkeiten bewegen.Therefore, there has long been a need for improvement the thermal stability of hydrocarbon fuels fen, and not only by creating an effective Ver driving to remove the dissolved oxygen from them Fuels, but also by creating a safe one and practical procedure for this removal that is based on Vehicles applicable with hypersonic velocity move things.
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, die thermische Sta bilität von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen durch Schaffen eines Verfahrens zum Entfernen von Sauerstoff aus solchen Brennstoffen zu verbessern.It is accordingly an object of the invention, the thermal Sta of hydrocarbon fuels through creation a method of removing oxygen from such To improve fuels.
Weiter soll durch die Erfindung ein wirtschaftlich und lo gistisch attraktives Verfahren zum Entfernen von Sauerstoff aus Kohlenwasserstoff-Brennstoffen durch Verwendung von ge wissen chemischen Sauerstoffentzugstechniken geschaffen werden.Furthermore, the invention is intended to be economical and lo Gistically attractive process for removing oxygen from hydrocarbon fuels by using ge know chemical oxygen deprivation techniques are created will.
Die vorgenannten Ziele werden durch ein Verfahren zum Ver bessern der thermischen Stabilität von Kohlenwasserstoff- Brennstoffen erreicht, welches das Einleiten eines starken Reduktionsmittels in einer Menge, die ausreicht, um mit dem gelösten Sauerstoff in dem Brennstoff chemisch zu reagie ren, beinhaltet. Vorzugsweise wird das Reduktionsmittel an Bord des Flugzeuges in einem geschlossenen System eingelei tet. Außerdem erfolgt das Einleiten vorzugsweise durch ein kontinuierliches Pumpsystem. Gleichmäßiges Verteilen des Reduktionsmittels und des Brennstoffes durch kräftiges Ver mischen der beiden gewährleistet innigen Kontakt zwischen dem Reduktionsmittel und dem Brennstoff.The aforementioned goals are achieved through a procedure for ver improve the thermal stability of hydrocarbon Fuels achieved, which is the initiation of a strong Reducing agent in an amount sufficient to with the dissolved oxygen in the fuel to react chemically ren, includes. The reducing agent is preferably on Entered the aircraft in a closed system tet. In addition, the introduction is preferably carried out by a continuous pump system. Evenly distribute the Reducing agent and the fuel by strong Ver mixing the two ensures intimate contact between the reducing agent and the fuel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention are un below ter described in more detail with reference to the drawings. It shows
Fig. 1 ein Diagramm, welches die Menge an gelöstem Sauerstoff zeigt, die durch ein starkes Reduktionsmittel aus luftgesättigtem JP-7-Brennstoff über einer Zeitspanne im Vergleich mit Stickstoff-Druchblasen effektiv ent fernt wird, Fig. 1 is a diagram showing the amount of dissolved oxygen that is effectively ent removed by a strong reducing agent is selected from air-saturated JP-7-fuel over a period of time in comparison with nitrogen-Druchblasen,
Fig. 2 ein Diagramm, welches die Menge an gelöstem Sauerstoff zeigt, die durch ein starkes Reduktionsmittel aus luftgesättigtem Heptan-Brennstoff über einer Zeitspanne im Vergleich mit Stickstoff-Durchblasen effektiv entfernt wird, und Fig. 2 is a diagram showing the amount of dissolved oxygen is effectively removed by a strong reducing agent selected from air-saturated heptane-fuel over a period of time in comparison with nitrogen-sparging, and
Fig. 3 ein Diagramm, welches die Menge an gelöstem Sauerstoff zeigt, die durch ein starkes Reduktionsmittel aus luftgesättigtem Methylcyclohexan- Brennstoff über einer Zeitspanne im Vergleich mit Stickstoff-Durchblasen effektiv entfernt wird. Fig. 3 is a diagram showing the amount of dissolved oxygen is effectively removed by a strong reducing agent selected from air-saturated methylcyclohexane fuel over a period of time in comparison with nitrogen-blowing.
Die Erfindung kann in einer Ausführungsform ausgeführt wer den, indem ein starkes Reduktionsmittel in einer Menge ein geleitet wird, die ausreicht, um chemisch zu reagieren und die weitere Bildung von freien Radikalen zu verhindern.The invention can be carried out in one embodiment by adding a strong reducing agent in an amount which is sufficient to react chemically and to prevent the further formation of free radicals.
Ein starkes Reduktionsmittel, das heißt eine Substanz, bei der Elektronen leicht abgegeben werden, ist notwendig, da mit der gelöste Sauerstoff effektiv reagiert und die wei tere Bildung von freien Radikalen verhindert wird. Mit starkem Reduktionsmittel ist ein Mittel gemeint, das ein hohes Reaktionsvermögen hat. Mit anderen Worten, ein star kes Reduktionsmittel wird bei Kontakt mit dem gelösten Sau erstoff unter Umgebungsbedingungen, das heißt bei der loka len Temperatur und dem lokalen Druck des bewußten Systems spontan reagieren. Hydrazin und Hydrazinderivate, die von der chemischen Industrie geliefert werden und im Handel sind, sind geeignet, und zwar wegen ihres starken Reakti onsvermögens und wegen der unschädlichen Reaktionsprodukte, das heißt, die Verbrennung stromabwärts wird vorzugsweise nicht nachteilig beeinflußt. Beispielsweise zerfallen Hy drazinverbindungen in Gegenwart von Sauerstoff spontan, um Wasserdampf und Stickstoff zu bilden. Monomethylhydrazin wird als Reduktionsmittel bevorzugt, weil es eine höhere Löslichkeit in Kohlenwasserstoff-Brennstoffen hat, was einen innigeren Kontakt mit dem Sauerstoff ergibt. Amine oder pyrophore Flüssigkeiten (das heißt Flüssigkeiten, die sich bei Kontakt mit Luft von selbst entzünden) sind Bei spiele von möglichen alternativen Reduktionsmitteln.A strong reducing agent, that is, a substance of the electrons being easily released is necessary because with which dissolved oxygen reacts effectively and the white prevents the formation of free radicals. With strong reducing agent is meant an agent that a has high responsiveness. In other words, a star kes reducing agent is in contact with the loosened sow material under ambient conditions, that is, at the loka len temperature and the local pressure of the conscious system react spontaneously. Hydrazine and hydrazine derivatives by be supplied to the chemical industry and in trade are suitable because of their strong reactivity ability and because of the harmless reaction products, that is, downstream combustion is preferred not adversely affected. For example Hy drazin compounds in the presence of oxygen spontaneously in order To form water vapor and nitrogen. Monomethylhydrazine is preferred as a reducing agent because it is a higher one Solubility in hydrocarbon fuels has what results in closer contact with the oxygen. Amines or pyrophoric liquids (i.e. liquids that ignite by contact with air) are games of possible alternative reducing agents.
Es sind zwar nur Zusätze mit geringen Konzentrationen not wendig, die exakte Menge an Reduktionsmittel kann jedoch, wenn der Reaktionsmechanismus bekannt ist, aus der bekann ten Konzentration des in dem Brennstoff vorhandenen Sauer stoffes stöchiometrisch bestimmt werden (wobei luftgesät tigter Brennstoff den schlimmsten Fall darstellt). Übli cherweise liegt eine geeignete Menge an Reduktionsmittel zwischen etwa 0,005 Vol.% und etwa 0,5 Vol.%. Ein bevorzug ter volumetrischer Zusatz sind 100% Überschuß oder über der theoretisch bestimmten Menge an Reduktionsmittel, die zum Reagieren mit 100% des gelösten Sauerstoffes notwendig ist, weil diese Menge gewährleistet, daß dem Brennstoff der Sau erstoff vollständig entzogen wird.Only additives with low concentrations are necessary agile, the exact amount of reducing agent can, however, if the reaction mechanism from which it is known is known th concentration of the acid present in the fuel be determined stoichiometrically (with air sown fuel is the worst case). Usual A suitable amount of reducing agent is usually present between about 0.005% by volume and about 0.5% by volume. A preferred The volumetric addition is 100% excess or above that theoretically determined amount of reducing agent, which for Reacting with 100% of the dissolved oxygen is necessary because this amount ensures that the sow's fuel material is completely removed.
Oben ist bereits erwähnt worden, daß Kohlenwasserstoff- Brennstoffe wegen ihrer höheren Dichten und ihrer besseren Lagermöglichkeit attraktive Alternativen zu Wasserstoff und anderen Typen von kryogenen Brennstoffen sind. Zum Beispiel sind JP-7, Methylcyclohexan und n-Heptan für Hyperschall zwecke geeignet. Andere Brennstoffe, die ähnliche Eigen schaften besitzen, sind ebenfalls geeignet.It has already been mentioned above that hydrocarbon Fuels because of their higher densities and better ones Storage options attractive alternatives to hydrogen and other types of cryogenic fuels. For example are JP-7, methylcyclohexane and n-heptane for hypersonic suitable for purposes. Other fuels that have similar properties possesses are also suitable.
Ein Flüssigkeitsstrom des Reduktionsmittels wird ständig in den Brennstoff an Bord des Flugzeuges in einem geschlosse nen System eingeleitet. Das verhindert zusätzliche Oxida tion aufgrund irgendeines weiteren Kontakts mit Luft, das heißt mit Luft, die in den Brennstoffleitungen oder -tanks vorhanden ist. Vorzugsweise erfolgt das Einleiten durch ein kontinuierliches Pumpsystem.A liquid flow of the reducing agent is constantly in the fuel on board the aircraft in a closed system started. This prevents additional oxides tion due to any further contact with air that means with air in the fuel lines or tanks is available. The introduction is preferably carried out by a continuous pump system.
Inniger Kontakt des Reduktionsmittels mit gelöstem Sauer stoff und anderen sauerstoffhaltigen Stoffen in dem Brenn stoff wird hergestellt, indem das Reduktionsmittel mit dem Brennstoff kräftig vermischt wird, um eine gleichmäßige Verteilung der beiden zu erzielen. Inniger Kontakt bedeu tet, daß die Reduktionsmittelmoleküle in der Reduktions- Oxidationsreaktion einander nahe genug sind, um chemisch zu reagieren. Der Grad des Vermischens, der erforderlich ist, um innigen Kontakt des Brennstoffes und des Reaktionsmit tels zu gewährleisten, wird außerdem durch die Löslichkeit des Reduktionsmittels in dem Brennstoff beeinflußt.Intimate contact of the reducing agent with dissolved acid and other oxygen-containing substances in the furnace Fabric is made by the reducing agent with the Fuel is mixed vigorously to achieve an even To achieve distribution of the two. Intimate contact means tet that the reducing agent molecules in the reducing Oxidation reaction are close enough to one another chemically react. The degree of mixing that is required for intimate contact of the fuel and the reaction with To ensure this is also due to the solubility of the reducing agent in the fuel.
Vorzugsweise erfolgt dieses Vermischen nahe dem Punkt des Einleitens des Reduktionsmittels in den Brennstoff. Eine bevorzugte Vermischungsgeschwindigkeit ist die, bei der die Reaktion innerhalb mehrerer Minuten des Einleitens oder Einspritzens des Reduktionsmittels in den Brennstoff im we sentlichen abgeschlossen wird. Mit im wesentlichen abge schlossen ist gemeint, daß die Reaktion zu wenigstens 90% abgeschlossen ist. Das entspricht einer neuen Konzentration von ungefähr 5 ppm an gelöstem Sauerstoff in ursprünglich luftgesättigtem Brennstoff (der üblicherweise etwa 55 ppm gelösten Sauerstoff enthält). Vorzugsweise ist der Gehalt an gelöstem Sauerstoff geringer als etwa 5 ppm, weil diese Gehalte eine größere thermische Stabilität ergeben. Beson ders bevorzugt wird eine Vermischungsgeschwindigkeit, auf grund welcher die Reaktionszeit zum Erzielen des oberen Wertes kürzer als etwa zwei Minuten ist. Wenn das Einleiten des Reduktionsmittels in den Brennstoff stromaufwärts der Brennstoffpumpe erfolgt, kann das Vermischen üblicherweise durch die Brennstoffpumpe erreicht werden, die als Mischer mit starker Scherwirkung dient, wobei die Pumpe stromauf wärts der Brennkammer angeordnet ist. Ein herkömmlicher Mi scher kann benutzt werden, wenn das Einleiten des Redukti onsmittels in den Brennstoff stromabwärts der Brennstoff pumpe erfolgt. Deshalb sind herkömmliche Mischvorrichtungen vor oder hinter der Pumpe selbst nicht ausgeschlossen. Zum Beispiel kann das Vermischen weiter verbessert werden, in dem innerhalb der Pumpe oder in einem gesonderten Ventil stromabwärts Kavitation hervorgerufen wird.This mixing preferably takes place near the point of the Introducing the reducing agent into the fuel. A preferred mixing speed is that at which the Response within several minutes of initiating or Injecting the reducing agent into the fuel in the we substantial completion. With essentially abge concluded that the reaction is at least 90% is completed. That corresponds to a new concentration of about 5 ppm dissolved oxygen in originally air-saturated fuel (which is usually around 55 ppm contains dissolved oxygen). Preferably the content is of dissolved oxygen less than about 5 ppm because of this Contents result in greater thermal stability. Especially a mixing speed is preferred reason of the response time to achieve the upper Value is less than about two minutes. When initiating of the reducing agent in the fuel upstream of the Fuel pump takes place, the mixing can usually can be achieved by the fuel pump, which acts as a mixer serves with strong shear, with the pump upstream is arranged in the combustion chamber. A conventional Mi shear can be used when initiating the reduct onsmittel in the fuel downstream of the fuel pump takes place. That is why conventional mixing devices Not excluded in front of or behind the pump itself. To the Example, mixing can be further improved in inside the pump or in a separate valve downstream cavitation is caused.
Das Einleiten des Reduktionsmittels in den zugeführten Brennstoff kann bei jeder geeigneten Temperatur innerhalb des ungefähren Bereiches von Atmosphärentemperatur bis etwa 260°C (500°F) erfolgen. Bei Temperaturen oberhalb von 260°C (500°F) ist Selbstoxidation nicht zu befürchten, weil die Pyrolyse der dominante Reaktionsmechanismus wird. Deshalb scheinen 260°C (500°F) eine obere Grenze für Bedingungen zu sein, bei denen Selbstoxidation bedeutend ist. Ein geeigne ter Druck liegt innerhalb des Bereiches von Athmosphären druck bis zu Drücken oberhalb des kritischen Druckes des Brennstoffes, zum Beispiel 21-41 bar (300-600 psi) bei den meisten Kohlenwasserstoffen. Unterhalb des kritischen Druk kes werden Phasenänderungen bedeutsam, da der Brennstoff zu sieden beginnen kann, wenn er ausreichend erhitzt wird. Eine geeignete Reaktionstemperatur liegt unter 65°C (149°F). Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Behandlung bei der Umgebungstemperatur und dem Druck des Brennstoffsy stems ausgeführt. Deshalb schließt nichts die Verwendung einer erhöhten Temperatur von bis zu 260°C (500°F) zum noch weiteren Verkürzen der Reaktionszeit aus, wobei aber eine solche Erhöhung nicht notwendig ist, da die Reaktionszeit zum Reduzieren der Sauerstoffkonzentration auf die ge wünschten Werte ausreichend kurz ist.Introducing the reducing agent into the feed Fuel can be inside at any suitable temperature the approximate range from atmospheric temperature to about 260 ° C (500 ° F). At temperatures above 260 ° C (500 ° F) self-oxidation is not to be feared because the Pyrolysis becomes the dominant reaction mechanism. That's why 260 ° C (500 ° F) appears to be an upper limit for conditions where self-oxidation is important. A suitable The pressure is within the range of atmospheres pressure up to pressures above the critical pressure of the Fuel, for example 21-41 bar (300-600 psi) at the most hydrocarbons. Below the critical pressure kes, phase changes become significant as the fuel increases can start boiling if it is heated sufficiently. A suitable reaction temperature is below 65 ° C (149 ° F). The treatment according to the invention is preferred at the ambient temperature and pressure of the fuel system stems executed. Therefore, nothing precludes use an elevated temperature of up to 260 ° C (500 ° F) to still further shorten the response time, but one such an increase is not necessary because of the response time to reduce the oxygen concentration to the ge desired values is sufficiently short.
In einer zweiten Ausführungsform wird das starke Redukti onsmittel in einen Brennstoffvorratstank eingeleitet. Wenn diese Ausführungsform bevorzugt wird, sollte die Erfindung in Abwesenheit von Sauerstoff/Luft ausgeführt werden, das heißt unter einer Stickstoffdecke oder innerhalb eines Va kuums. Wiederum ist nur eine Menge notwendig, die zum che mischen Reagieren mit dem Brennstoff und zum Verhindern von weiterer Bildung freier Radikale ausreicht, weil kein wei terer Kontakt mit Luft stattfinden sollte. Herkömmliche Vermischungstechniken können ebenso benutzt werden.In a second embodiment, the strong reducti onsmittel introduced into a fuel storage tank. If this embodiment is preferred, the invention should run in the absence of oxygen / air, the means under a nitrogen blanket or within a Va kuums. Again, only a lot is necessary to the che mix react with the fuel and to prevent further formation of free radicals is sufficient because no white contact with air should take place. Conventional Mixing techniques can also be used.
Das folgende Beispiel wird angegeben, um das Verfahren nach der Erfindung zu veranschaulichen. Es ist jedoch nicht be absichtigt, dadurch den insgesamt breiten Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.The following example is given to follow the procedure to illustrate the invention. However, it is not intentions, thereby the overall broad scope of protection of the To limit invention.
In diesem Beispiel wurden Hydrazinverbindungen luftgesät tigten (das heißt etwa 55 ppm Sauerstoff enthaltenden) Pro ben von JP-7, n-Heptan und Methylcyclohexan in kontrollier ten Experimenten zugesetzt, um deren Fähigkeit, gelösten Sauerstoff zu entfernen, zu ermitteln.In this example, hydrazine compounds were air-seeded taken (i.e. containing about 55 ppm oxygen) Pro control of JP-7, n-heptane and methylcyclohexane Experiments added to their ability to be solved Remove oxygen, determine.
Ein Glasbecher, der mit einem dichten Deckel versehen war welcher mehrere Öffnungen aufwies, wurde benutzt, um die Brennstoffproben aufzunehmen. Glasröhren, die mit gefritte ten Zylindern ausgerüstet waren, wurden in zwei der Öffnun gen eingeführt und entweder mit einer Luft- oder mit einer Stickstoffgasquelle verbunden. Eine Öffnung diente zur Ent lüftung während des Durchblasens oder Sättigens und eine weitere bildete die Additivöffnung. Ein Sauerstoffsensor, der mit einem Sauerstoffanalysator, Beckman-Modell 7002, verbunden war, wurde durch eine mittig angeordnete Öffnung eingeführt. Der Brennstoff wurde durch einen magnetischen Rührer in ständiger Bewegung gehalten.A glass beaker with a tight lid which had multiple openings was used to To record fuel samples. Glass tubes with frit cylinders were fitted in two of the openings introduced and either with an air or with a Nitrogen gas source connected. An opening served for Ent ventilation during blowing or saturation and a another was the additive opening. An oxygen sensor, that with an oxygen analyzer, Beckman model 7002, was connected through a centrally located opening introduced. The fuel was through a magnetic Stirrer kept in constant motion.
Eine frische 500-ml-Brennstoffprobe wurde mit Luft gesät tigt, indem Luft durch den Brennstoff geblasen wurde, wäh rend dieser ständig gerührt wurde. Die Probe wurde als ge sättigt betrachtet, als das Sauerstoffmeßgerät einen kon stanten Maximalwert anzeigte, was üblicherweise nach etwa 5 bis 6 Minuten der Fall war. Bei Einspieltests der Vorrich tung wurde beobachtet, daß die Sauerstoffaufnahme aus der Umgebungsluft sehr schnell erfolgte. Aus diesem Grund wurde sorgfältig darauf geachtet, daß der Becherdeckel fest auf gesetzt war und alle Öffnungen ausreichend verschlossen wa ren. Darüber hinaus wurde der Luftraum über dem Brennstoff unmittelbar vor dem Zusatz der Hydrazinverbindung mit Stickstoff gespült.A fresh 500 ml fuel sample was air seeded by blowing air through the fuel while he was constantly stirred. The sample was identified as ge considered saturated when the oxygen meter a con constant maximum value, which is usually after about 5 up to 6 minutes was the case. In the import test of the Vorrich tion was observed that the oxygen uptake from the Ambient air took place very quickly. For this reason carefully made sure that the cup lid is firmly on was set and all openings were sufficiently closed Ren. In addition, the airspace over the fuel immediately before adding the hydrazine compound Nitrogen purged.
Zeitdiagramme von gelöstem Sauerstoff wurden für jede Kom bination von Brennstoff und Hydrazinadditiv hergestellt. Das Diagramm für den Brennstoff JP-7 ist in Fig. 1 gezeigt. Time diagrams of dissolved oxygen were made for each combination of fuel and hydrazine additive. The diagram for the fuel JP-7 is shown in Fig. 1.
Die Ergebnisse für Stickstoff-Durchblasen (gezeigt durch die Kreis-Datenpunkte) zeigen, daß der Sauerstoff durch den Stickstoff sehr schnell verdrängt wird und daß Gehalte an gelöstem Sauerstoff von weniger als 5% des Sättigungswertes in ungefähr 10 bis 20 Minuten bei den bei diesen Experimen ten benutzten Durchblaseleistungen erzielt werden. Das Dia gramm zeigt außerdem, daß sehr geringe Zusätze (ungefähr 0,1 Volumenprozent) der Hydrazinverbindungen, nämlich Hy drazin (gezeigt durch die Quadrat-Datenpunkte), Monomethyl hydrazin (gezeigt durch die Dreieck-Datenpunkte) und unsym metrisches Dimethylhydrazin (gezeigt durch die Rauten-Da tenpunkte), die Sauerstoffkonzentration auf niedrige Werte reduzieren können. Bei allen Sauerstoffentzugsmitteln gibt es einen typischen anfänglichen schnellen Abfall, an den sich ein exponentielles Abklingen anschließt.The results for nitrogen blowing (shown by the circle data points) show that the oxygen through the Nitrogen is displaced very quickly and that levels dissolved oxygen less than 5% of the saturation value in about 10 to 20 minutes with those in these experiments blowing performance used can be achieved. The slide gramm also shows that very small additions (approx 0.1 volume percent) of the hydrazine compounds, namely Hy drazin (shown by the square data points), monomethyl hydrazine (shown by the triangle data points) and unsym metric dimethylhydrazine (shown by the diamond da ten points), the oxygen concentration to low values can reduce. With all oxygen deprivation agents there is a typical initial rapid decline to which an exponential decay follows.
Die schwarz ausgefüllten Symbole in dem Diagramm zeigen, daß eine zusätzliche Menge an Reaktionsmittel zu diesem Zeitpunkt hinzugefügt wurde. Diese zusätzlichen Inkremente (0,1 Volumenprozent) wurden zugesetzt, als sichtbar wurde, daß das Spülen des Sauerstoffes durch die Hydrazinverbin dung praktisch aufgehört hatte. Es ist zu erkennen, daß diese frischen Zusätze an Reaktionsmittel zur Beschleuni gung der Sauerstoffentfernung führten. Die Zeitdiagramme sind kein fairer Vergleich für die Effizienz der Sauerstoffentfernung, weil viel größere Mengen an frischem Stickstoff während des Spülens benutzt wurden. Wenn größere Mengen an Hydrazin-Reaktionsmittel am Anfang benutzt worden wären und die Mischleistung gesteigert worden wäre, hätte der Sauerstoffentzug schneller stattgefunden.The black symbols in the diagram show that an additional amount of reactant to this Time was added. These additional increments (0.1 volume percent) was added when it became visible that the purge of oxygen through the hydrazine compound practically stopped. It can be seen that these fresh additions of reactants to accelerate oxygen removal. The time charts are not a fair comparison for the efficiency of the Oxygen removal because of much larger amounts of fresh Nitrogen was used during the purge. If bigger Amounts of hydrazine reactant have been used initially and the mixing performance would have been increased oxygen deprivation took place faster.
Die Tests wurden mit n-Heptan- und Methylzyclohexan (MCH)- Brennstoffen wiederholt, und die Ergebnisse sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Insgesamt wurden dieselben Trends be obachtet. Die Ergebnisse zeigen, daß die volumetrischen Zu sätze von 0,1 bis 0,3 Prozent Hydrazin, Monomethylhydrazin und unsymmetrischem Dimethylhydrazin den Gehalt an gelöstem Sauerstoff effektiv auf die niedrigen Werte reduzierten, die zum beträchtlichen Verbessern der thermischen Stabili tät des Brennstoffes notwendig sind. Von den drei Hydrazin verbindungen erwies sich Monomethylhydrazin als am reakti onsfähigsten, denn es senkte die Sauerstoffkonzentration auf ungefähr 2,5 ppm.The tests were repeated with n-heptane and methylcyclohexane (MCH) fuels and the results are shown in FIGS. 2 and 3. The same trends were observed overall. The results show that the volumetric additions of 0.1 to 0.3 percent hydrazine, monomethylhydrazine and unsymmetrical dimethylhydrazine effectively reduced the dissolved oxygen content to the low levels necessary to significantly improve the thermal stability of the fuel. Of the three hydrazine compounds, monomethylhydrazine proved to be the most reactive because it lowered the oxygen concentration to approximately 2.5 ppm.
Die Erfindung verbessert die Möglichkeit des Betreibens von mit Kohlenwasserstoff betankten Fahrzeugen, die sich mit Hyperschallgeschwindigkeiten bewegen. Die Erfindung ist au ßerdem eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu ande ren Sauerstoffentzugsverfahren, zum Beispiel dem Gas-Durch blasen, die zur Verwendung bei einem Überschallflugzeug un praktisch sind.The invention improves the possibility of operating vehicles fueled by hydrocarbons that deal with Moving hypersonic speeds. The invention is au also an economically attractive alternative to others ren oxygen withdrawal process, for example the gas flow blow the un for use on a supersonic aircraft are practical.
Claims (14)
kontinuierliches Einleiten eines Flüssigkeitsstroms eines starken Reduktionsmittels in einer Menge, die ausreicht, um mit gelöstem Sauerstoff in dem Brennstoff chemisch zu rea gieren; und
gleichmäßiges Dispergieren durch kräftiges Vermischen des Reduktionsmittels und des Brennstoffes, so daß inniger Kon takt zwischen dem Reduktionsmittel und dem Brennstoff auf rechterhalten wird;
wobei der Gehalt an gelöstem Sauerstoff, welcher in solchen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen vorhanden ist, auf einen Wert von weniger als etwa 5 ppm verringert wird.1. A method for improving the thermal stability of hydrocarbon fuels, which are used as coolants in vehicles, which are operated at hypersonic speeds, characterized by the following steps:
continuously introducing a liquid reducing agent stream in an amount sufficient to chemically react with dissolved oxygen in the fuel; and
uniform dispersion by vigorous mixing of the reducing agent and the fuel so that intimate contact between the reducing agent and the fuel is maintained;
the dissolved oxygen content present in such hydrocarbon fuels being reduced to less than about 5 ppm.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |