一种提高碳氢燃料吸热性能的方法

本发明涉及一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，尤其是醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用，属于飞行器热防护领域。

背景技术：

1、随着航空技术的发展，速度超过5马赫的高速飞行器技术已经成为国际研究的热点。在高速飞行中，飞行器的鼻翼、机翼前缘和发动机等部位将承受非常高的热负荷，采用吸热碳氢燃料对高热流部位进行主动冷却是解决该问题的有效手段。

2、碳氢燃料的吸热能力主要来自温升、相变和化学反应吸热。化学反应吸热主要由裂解和重整两种吸热反应提供。燃料的裂解反应常常会伴随结焦积炭的生成，抑制吸热性能，甚至导致通道、喷嘴等部位的堵塞。为了使飞行器达到更高的飞行速度并保证飞行安全，需要提高吸热裂解过程中燃料的吸热能力(热沉)并减少积炭的产生，在燃料中加入添加剂或在燃料通路上使用催化剂成为必要的手段。这就要求添加剂或催化剂具有较高的反应活性、吸热反应选择性和积炭抑制性能，这对添加剂或催化剂提出了很高的要求。

3、为了获得更好的吸热效果，研究人员做了大量的探索工作。学者提出了碳氢燃料催化重整反应提高吸热性能的技术方案，通过对燃料进行预重整、再对甲烷为主的小分子烃类产物进行高温蒸汽重整，在850℃时获得了3.97mj/kg的热沉。尽管燃料催化重整反应能够提供较高的化学热沉，然而水的加入导致燃料热值降低，并且水与碳氢燃料不能混溶，给飞行器设计带来诸多挑战。张香文等研究了甲醇作为吸热燃料应用于主动冷却技术的可行性，在5％pd/al2o3催化剂作用下，600℃时甲醇分解率达到68.87％，获得了4.24mj/kg的热沉。虽然以甲醇为吸热燃料获得了较好的吸热能力，但甲醇热值较低，只有22.68mj/kg，不适合实际应用。许国梁等提出了乙醇辅助碳氢燃料催化吸热反应的技术方案，结合涂层催化剂与均相添加剂的运用，510℃时热沉达到了1.85mj/kg，高温热沉达到3.71mj/kg(791℃)。

4、醚类化合物作为油品添加剂，尤其是作为汽油抗爆剂已有广泛的应用。但作为碳氢燃料吸热裂解反应促进剂的应用还未见报道。与水、甲醇、乙醇相比，醚类化合物具有更高的热值，同时由于醚类化合物特殊的结构，使其能够发生裂解、脱水、脱氢、重整等多种吸热反应。以乙基叔丁基醚为例，在较温和的温度和催化剂作用下能够发生以下吸热反应：

5、(1)ch3ch2oc(ch3)3→ch3ch2oh+ch＝c(ch3)2 △hθ(298k)＝67.1kj/mol

6、(2)ch3ch2oh→ch2＝ch2+h2o △hθ(298k)＝45.4kj/mol

7、(3)ch3ch2oh→ch3cho+h2 △hθ(298k)＝68.4kj/mol

8、(4)ch3ch2oh→h2+ch4+co △hθ(298k)＝49.7kj/mol

9、(5)ch4+h2o→3h2+co △hθ(298k)＝205.9kj/mol

10、因此，醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂，不但有利于提高过程吸热能力和产物选择性，分解产物还有助于抑制积炭，降低换热通道拥塞的风险。

11、基于以上研究现状，本发明提供了一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，尤其是醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用，该应用在高、中、低温度段内都具有较好的吸热性能，同时具有燃料使用温度范围广、产物选择性好、结焦积炭少、系统运行稳定性好等优点。

技术实现思路

1、针对纯碳氢燃料吸热裂解体系吸热效率低、反应选择性差、积炭严重的问题，本发明提供了一种提高碳氢燃料吸热性能的方法。该方法可有效提高碳氢燃料的吸热能力，具有吸热反应活性高、吸热性能强、可控性好、结焦积炭少等优点。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明所述的一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，尤其是醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用。所述醚类化合物的通式为r-o-r’。醚类化合物的结构中r和r’可以相同，如二正丙基醚、二异丙基醚、二正丁基醚，r和r’的结构也可以不同，如甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、甲基叔戊基醚、乙基叔戊基醚、乙基苯基醚。

4、本发明所述的一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，尤其是醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用，所述醚类化合物可以是一种或两种以上的组合。

5、本发明所述的一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，尤其是醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用，所述醚类化合物的添加量为碳氢燃料的1-60wt％，优选为2-50wt％，更优选为5-40wt％。

6、本发明所述的一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，尤其是醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用，可以在进行吸热反应前，将适当含量的醚类化合物加入到碳氢燃料中，也可以采用醚类化合物与碳氢燃料分别进料的方式、于反应管路中实现两种物料的混合。所述碳氢燃料为以下三类物质中的一种或两种以上的组合：(a)工业煤油馏分；(b)商业煤油产品，如rp-3等；(c)碳数为6-20的碳氢化合物，包括直链烷烃、支链烷烃、环烷烃、直链烯烃、支链烯烃、环烯烃、芳香烃及其混合物。

7、本发明所述的一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，尤其是醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用，所述醚类化合物与碳氢燃料混合物料的0.1-5g/s，优选为0.3-4g/s，更优选为0.5-3g/s；吸热反应体系压力为0.1-10mpa，优选为0.1-8mpa，更优选为0.1-6mpa；反应器出口物料的温度为400-900℃，优选为450-880℃，更优选为500-850℃。

8、本发明采用醚类化合物作为碳氢燃料吸热裂解促进剂的技术方案，有效提高了碳氢燃料吸热裂解反应的产物选择性，并且能够有效抑制积炭，从而提高碳氢燃料裂解过程的吸热能力和过程可控性。本发明提供的应用方式在碳氢燃料吸热裂解反应中具有良好的应用前景。

9、本发明的优点在于：(1)醚类化合物与碳氢燃料互溶性好、在燃料中不分层，有利于换热系统的设计；(2)醚类化合物具有较高的热值，少量添加不会明显降低燃料热值，减少燃料热值损失；(3)醚类化合物在较低温度下就容易发生裂解反应，有助于提高燃料低温吸热能力；(4)醚类化合物分解产生的醇类化合物高温下容易发生脱氢、脱羰和重整反应，生成的氢气和含氧化合物有利于抑制积炭的生成，从而降低吸热反应过程的积炭，提高系统稳定性，拓宽燃料使用温度；(5)醚类化合物作为油品添加剂已有广泛的应用，来源广泛，价格低廉。

技术特征：

1.一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，其特征在于：将醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应的促进剂加入碳氢燃料中。

2.根据权利要求1所述醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用，其特征在于：所述醚类化合物的通式为r-o-r’化合物中的一种或两种以上，其中r和r’为烃基。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：醚类化合物的通式中r和r’的结构可以相同，如二正丙基醚、二异丙基醚、二正丁基醚中的一种或两种以上，r和r’的结构也可以不同，如甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、甲基叔戊基醚、乙基叔戊基醚、乙基苯基醚中的一种或两种以上。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述醚类化合物可以是r和r’的结构可以相同和不同的通式为r-o-r’化合物中的一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于：醚类化合物的添加量为碳氢燃料的1-60wt％，优选为2-50wt％，更优选为5-40wt％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述碳氢燃料为以下三类物质中的一种或两种以上的组合：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述碳氢燃料作为飞行器的燃料。

技术总结本发明涉及一种提高碳氢燃料吸热性能的方法，尤其是醚类化合物作为碳氢燃料吸热反应促进剂的应用。针对碳氢燃料热裂解、催化裂解选择性差、积炭严重的问题，本发明采用醚类化合物作为碳氢燃料吸热裂解促进剂的技术方案，有效提高了碳氢燃料吸热裂解反应的产物选择性，并且能够有效抑制积炭，从而提高碳氢燃料裂解过程的吸热能力和过程可控性。本发明提供的应用方式在碳氢燃料吸热裂解反应中具有良好的应用前景。技术研发人员：丛昱,陈帅,许国梁,唐南方,吴春田,马玉霞,冯璐受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/13