一种航空燃料中溶解氧在线清除方法

本发明属于航空燃料结焦抑制，具体涉及一种航空燃料中溶解氧在线清除方法。

背景技术：

1、近年来，世界各国不断进行高马赫数飞行器的研制，而高马赫数必将带来更高的热负荷，且对航空发动机的性能要求也越来越高，如何对其冷却是急需解决的问题。由于使用飞机所携带的燃料做冷源进行冷却不会增加飞行器的负重，因而越来越多的设计人员青睐于使用飞机所携带的燃料进行冷却。而这一方法会导致燃料温度升高，不可避免地出现结焦现象。当换热管路表面结焦时会增加换热管路壁面热阻，影响传热效果并使燃油的冷却性能降低。当结焦产物脱落堵塞喷嘴时，会产生局部受热过高的现象，严重时可导致发动机停止工作。

2、燃料在贮存过程中会与空气接触，溶解氧浓度约为70ppm。热氧化结焦的主要机理是随着燃料温度的升高，燃料产生自由基，自由基再与燃料中溶解氧反应生成氢过氧化物，氢过氧化物进一步发生歧化、异构等反应最终形成氧化结焦。大量实验研究表明，燃料中溶解氧对热氧化结焦过程起着至关重要的作用，将航空燃料中溶解氧含量降至5ppm以下，可显著抑制热氧化结焦。

3、现有去除燃料中溶解氧方式有：惰性气体脱氧、膜过滤、添加氧清除剂等。其中惰性气体脱氧为经典的物理方法，该方法通过扩散效应，将溶解氧从燃料中迁移到惰性气体中。专利“一种航空航天燃油在线连续脱水脱氧的方法”(公开号：cn103816697a)，专利“防爆型燃油脱水脱氧装置”(公开号：cn206304397u)，专利“一种连续清除燃油中溶解氧的装置及清除方法”(公开号：cn108531214 a)都属于惰性气体脱氧。该方法需要大量惰性气体，从而导致系统复杂并且重量较大，成本高、效率低。

4、联合技术公司的研究人员spadaccini等在2003年报道了一种基于膜过滤器的燃油除氧系统(journal of engineering for gas turbines and power，2003,125,686-892)。在该系统中，燃料流过涂有超薄膜层的微孔管外部，由于膜化学势差的驱动，溶解氧会渗透到管内，可以通过真空泵或使用低流量的不含氧气的气体的吹扫来实现对膜背面的氧分压的控制，从而实现溶解氧含量的清除。然而，这种膜分离技术也存在着很大的局限性，如膜污染、膜泄露/破裂、维持真空所需的能量消耗大等问题，同时为了保证溶解氧清除的效果，需要较高的燃油入口温度，需要对燃料进行预热。

5、氧清除剂通过优先与燃料中溶解氧反应生成惰性物质，实现抑制氧化反应的效果。陈冉等报道了一种“氧清除剂用于增强吸热型航空燃料热氧化安定性”的方法(燃料化学学报，48,2,249-256)。结果表明，三苯基膦、二环己基苯基膦、三甲基吡咯都能起到一定的氧清除效果。但传统氧清除剂的使用，除了要考虑到添加剂的相容性和热氧化安定性，还要考察其价格、与其他添加剂的协同作用以及对航空燃料性质的影响。

技术实现思路

1、基于以上研究现状，本发明提出一种航空燃料中溶解氧在线清除方法。本发明通过氧清除剂与溶解氧的催化氧化反应，实现航空燃料中溶解氧的高效清除，能够有效降低航空燃料在冷却通道内的热氧化结焦。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种航空燃料中溶解氧在线清除方法。其特征在于，航空燃料在进入飞行器换热通道前，与氧清除剂同时通过装有催化剂的反应器，氧清除剂与航空燃料中的溶解氧在催化反应器内发生催化氧化反应。

4、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中所用氧清除剂为氢气、一氧化碳、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯中的一种或两种以上；优选为氢气、一氧化碳、乙烯、丙烯中的一种或两种以上；更优选为氢气、一氧化碳中的一种或两种组合。

5、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中所用氧清除剂经分离后可循环使用。

6、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中所用催化剂的活性组分为铂、钯、钌、铑、铱、金、钴、锰、银、铜中的一种或两种以上；优选为铂、钯、钴、铑、铜、金中的一种或两种以上；更优选为铂、钯、铑、金中的一种或两种以上。

7、可选的，所述催化剂的活性组分于催化剂中的质量含量为0.1％～20％，优选0.5％～15％，更优选1％～10％。

8、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中所用催化剂的载体为氧化铝、氧化铈、氧化锆、氧化硅、氧化镁、氧化锌、氧化钛、氧化镧、分子筛中的任意一种或两种以上；优选为氧化铝、氧化铈、氧化锆、氧化锌、氧化钛、分子筛中的任意一种或两种以上；更优选为优选为氧化铝、氧化铈、氧化锆、氧化钛中的任意一种或两种以上

9、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中所用的催化剂形状可以是球形、圆柱形、环形、齿轮型、三叶草形、蜂窝形的任意一种。

10、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中催化氧化反应温度为-20～150℃；优选为0～120℃；更优选为20～100℃。

11、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中催化氧化反应压力为0.1～10mpa；优选为0.5～8mpa；更优选为1～6mpa。

12、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中航空燃料通过催化剂床层的液时空速为1～1000h-1；优选为5～800h-1；更优选为10～600h-1。

13、可选的，所述航空燃料中溶解氧在线清除方法中还原性气体与航空燃料液的气液体积比为(0.1-6)：1；优选为(0.5-5)：1；更优选为(1-3)：1。

14、用以验证本发明技术方案的流程如图1所示：航空燃料①和氧清除剂②经计量后进入催化反应器③，航空燃料和氧清除剂在催化反应器内进行催化氧化脱氧反应后进入分离器④，在分离器④内航空燃料和氧清除剂以及反应产物进行分离，分离后的氧清除剂。

15、本发明通过氧清除剂与溶解氧的催化氧化反应，实现航空燃料中溶解氧的高效清除，溶解氧清除率达到95％以上，能够有效降低航空燃料在冷却通道内的热氧化结焦，具有良好的应用前景。

16、本发明的有益效果：

17、(1)本发明通过氧清除剂与航空燃料中的溶解氧发生催化氧化反应，将燃料中的溶解氧消耗，从而实现溶解氧的清除。本发明提供的方法可快速、高效的将航空燃料中的溶解氧清除至5ppm以下。

18、(2)传统的惰性气体脱氧方法需要大量惰性气体，从而导致系统复杂并且重量较大，成本高、效率低。与传统的惰性气体脱氧方法相比，本发明提供的溶解氧清除方法中使用的氧清除剂可循环使用，装置体积小，重量轻，方便与航空器集成，可实现在线高效脱氧。

19、(3)传统的膜分离脱氧技术存在可靠性差、分离膜寿命短及成本高的问题。与传统的膜分离脱氧技术本相比，发明提供的基于氧清除剂催化氧化脱氧方法具有可靠性好、效率高、成本低的优点。

20、(4)与传统的有机膦、吡咯和苯酚类氧清除剂除氧方法相比，本发明提供的航空燃料溶解氧在线清除方法具有除氧效果好，氧清除剂与航空燃料相容性好的优点。