不同配比下航空燃料性質(zhì)變化理論分析

王宇辰

摘 要：伴隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，航空燃料也亟需進(jìn)步。面對(duì)“先進(jìn)航空、綠色航空”的要求，改良航空燃料性質(zhì)迫在眉睫。為了更好地了解航空燃料各項(xiàng)性質(zhì)以便于進(jìn)一步的性質(zhì)改良，該文針對(duì)密度、熱值、閃點(diǎn)這3種性質(zhì)進(jìn)行了理論研究，分別使用基團(tuán)鍵貢獻(xiàn)法、鍵能法和基團(tuán)貢獻(xiàn)法對(duì)不同配比下相同組分航空燃料的性質(zhì)變化情況進(jìn)行了分析。通過(guò)理論分析，得出不同結(jié)構(gòu)、不同碳數(shù)的組分對(duì)航空燃料總體性質(zhì)的影響情況，對(duì)未來(lái)航空燃料的性質(zhì)改良提供一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)航空燃料 密度 熱值

中圖分類號(hào)：V31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（b）-0021-03

在航空科學(xué)技術(shù)廣泛的領(lǐng)域中，進(jìn)步與發(fā)展日新月異。而在航空技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步過(guò)程中，作為能源的航空燃料的發(fā)展顯得尤為重要。在能源緊缺、環(huán)境惡化、先進(jìn)航空與綠色航空亟待發(fā)展的大環(huán)境影響下，航空燃料的發(fā)展面臨著新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

隨著近代航空工業(yè)的飛速進(jìn)步，航空燃料一直在不斷發(fā)展中。但由于目前燃油緊缺和價(jià)格上漲，航空燃料已成為制約我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。為了更好地發(fā)展先進(jìn)航空燃料，對(duì)其性質(zhì)的理論研究已成為當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)前人們對(duì)噴氣燃料的研究主要集中在合成燃料、生物燃料及改性燃料3個(gè)方面，其中合成燃料成本相對(duì)較高；生物燃料有著廣闊的前景，但仍處于試驗(yàn)階段。在這種背景下，改性航空燃料不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

該文通過(guò)改變航空燃料的配比及分析，以改良航空燃料的性能，從而提高航空燃料的利用率，降低飛行的風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)航空工業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，在分析過(guò)程中，會(huì)對(duì)分子的結(jié)構(gòu)與航空燃料的性能之間的關(guān)系加以總結(jié)，以便對(duì)完整的航空煤油組分結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析。

1 研究過(guò)程

設(shè)計(jì)好的各配比的組分含量見(jiàn)表1。

1.1 航空燃料的密度

1.1.1 密度計(jì)算方法——基團(tuán)鍵貢獻(xiàn)法

密度在航空燃料的性質(zhì)中占有很重要的位置。考慮到機(jī)身自重，所以要分析出燃料隨配比變化而有所有益的一項(xiàng)，減輕飛機(jī)的重量，從而降低能耗。

研究密度有多種方法，比如LK方程、基團(tuán)貢獻(xiàn)法、基團(tuán)鍵貢獻(xiàn)法等。綜合各方法利弊，選擇基團(tuán)鍵貢獻(xiàn)法作為該文研究密度的計(jì)算方法。

基團(tuán)鍵貢獻(xiàn)法中的基團(tuán)鍵是指兩個(gè)基團(tuán)之間形成的化學(xué)鍵?；鶊F(tuán)鍵的重點(diǎn)是考慮化學(xué)鍵所連接的基團(tuán)，而不是原子。相比較其他計(jì)算密度的方法而言，基團(tuán)鍵貢獻(xiàn)法不僅計(jì)算量較小，而且考慮了基團(tuán)的特性和鏈接性，能夠更好地區(qū)分同分異構(gòu)體，有著較強(qiáng)的區(qū)分結(jié)構(gòu)的能力，有助于研究組分結(jié)構(gòu)對(duì)密度變化的影響。

1.1.2 相關(guān)計(jì)算公式

定義GBi以確定基團(tuán)鍵的種類和數(shù)目：

GB

密度ρ與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對(duì)于基團(tuán)鍵GBi表征的分子結(jié)構(gòu)而言，其密度ρ必然為GBi的函數(shù)，使用數(shù)學(xué)方法做近似的處理。考慮到不同基團(tuán)鍵對(duì)密度的影響程度不同以及當(dāng)基團(tuán)鍵數(shù)目無(wú)限增加時(shí)密度區(qū)域有限值這一客觀事實(shí)，故選擇密度函數(shù)為：

其中，n（GBi）為基團(tuán)鍵GBi的數(shù)目；ci和wi為與基團(tuán)鍵特性有關(guān)的常數(shù)。這些常數(shù)均可查表獲得。

1.1.3 計(jì)算結(jié)果與討論

分析比較表2數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)配比為配比3的航空燃料密度值最大。配比2設(shè)計(jì)中直鏈烷烴組分與配比3相同，配比4設(shè)計(jì)中單支鏈烷烴組分與配比3相同，配比5設(shè)計(jì)中雙支鏈烷烴組分與配比3相同，這3種配比密度值都低于配比3，因此沒(méi)有一種結(jié)構(gòu)對(duì)密度產(chǎn)生明顯影響。而相對(duì)與配比1，配比3提高了各組結(jié)構(gòu)中碳原子數(shù)較高化合物的組分含量，配比1為全組中計(jì)算密度值最低的配比，因此可以認(rèn)為主要是各組結(jié)構(gòu)中碳原子數(shù)目對(duì)混合物密度值造成影響。

1.2 航空燃料的熱值

1.2.1 熱值的計(jì)算方法——鍵能法

考慮到當(dāng)代噴氣式飛機(jī)的高速飛行需要強(qiáng)大的動(dòng)力支持，所以要分析不同配比下的航空燃料的熱值，選擇出其中熱值較高的一項(xiàng)，從而提高飛行效率，減小不必要的能耗。

在物理化學(xué)中，求解熱值有多種方法。該文選擇鍵能法作為航空燃料熱值的計(jì)算方法。

鍵能法中，化學(xué)鍵的鍵能定義為把拆開(kāi)1 mol某化學(xué)鍵所吸收的能量，通常用E表示，單位為kJ/mol或kJ·mol-1。那么，反應(yīng)熱ΔH等于反應(yīng)物的鍵能總和與生成物的鍵能總和之差。而1 mol某物質(zhì)的燃燒所放出的熱量為該物質(zhì)的摩爾生成熱即為該物質(zhì)的熱值。

1.2.2 相關(guān)計(jì)算公式

對(duì)于化學(xué)反應(yīng)而言，其實(shí)質(zhì)就是舊鍵的斷裂和新鍵的生成，所以說(shuō)化學(xué)鍵在燃燒中是需要十分關(guān)注的一項(xiàng)。熱值的相關(guān)計(jì)算公式為：

ΔH=∑E（反應(yīng)物）-∑E（生成物）

其中，ΔH為反應(yīng)物的熱值解；∑E（反應(yīng)物）為反應(yīng)物的鍵能總和；∑E（生成物）為生成物的鍵能總和。

對(duì)于航空燃料而言，其中的組分大部分為烷烴。而對(duì)于烷烴而言，其燃燒反應(yīng)過(guò)程中，化學(xué)鍵類型主要為：C-C、C-H、O=O、C=O、O-H，查詢JANAF表，得到5種化學(xué)鍵的鍵能。

1.2.3 計(jì)算結(jié)果與討論

分析比較表3的數(shù)據(jù)可知，在6組設(shè)計(jì)配比中配比3的熱值最大。配比2與配比6中碳原子數(shù)目相同，而結(jié)構(gòu)不同，但二者的熱值計(jì)算結(jié)果確實(shí)一致。同樣地，配比4與配比5亦是如此。由此可見(jiàn)，未有一種結(jié)構(gòu)對(duì)熱值產(chǎn)生明顯影響。而由配比1到配比2、6到配比4、5再到配比3，各組的結(jié)構(gòu)中碳原子數(shù)較高化合物的組分含量增加，因此可認(rèn)為混合物熱值的主要影響因素為各組結(jié)構(gòu)中碳原子數(shù)目。

1.3 航空燃料的閃點(diǎn)

1.3.1 閃點(diǎn)計(jì)算方法——基團(tuán)貢獻(xiàn)法

當(dāng)代噴氣式飛機(jī)由于飛行速度很快，所以需要在短時(shí)間內(nèi)燃燒大量的航空燃料來(lái)提供動(dòng)力。航空燃料的閃點(diǎn)若是不高，那么其進(jìn)入燃料室中便極其容易發(fā)生劇烈的反應(yīng)。

常見(jiàn)的閃點(diǎn)計(jì)算方法有多種，例如Lydersen方程、定位分布貢獻(xiàn)法、基團(tuán)貢獻(xiàn)法等等。其中基團(tuán)貢獻(xiàn)法利用烴類混合物中每一個(gè)基團(tuán)的特性分別進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與烴類混合物的閃點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值較為接近，選取基團(tuán)貢獻(xiàn)法作為該文關(guān)于閃點(diǎn)的計(jì)算方法。

在基團(tuán)貢獻(xiàn)法中，通過(guò)對(duì)于不同的基團(tuán)的分析，從而進(jìn)一步確定分子的結(jié)構(gòu)特征，更好地估算出混合物的閃點(diǎn)。因此也能夠從六組配比中選擇出閃點(diǎn)較高的一組，提高航空燃料的性能。

1.3.2 相關(guān)計(jì)算公式

混合物的閃點(diǎn)是很重要的，但是對(duì)于混合物閃點(diǎn)實(shí)驗(yàn)上的測(cè)定卻是十分困難的。所以，綜合Li的體積分?jǐn)?shù)法和Castillo的熱容分?jǐn)?shù)法，可將分子結(jié)構(gòu)特征與混合物臨界溫度的關(guān)系表示為：

δi=，TδiT閃點(diǎn)i

式中，Yi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；T閃點(diǎn)i為組分i的閃點(diǎn)；Fi為與分子結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的函數(shù)。而由氣體熱容數(shù)據(jù)確定的Fi與分子結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系為：

式中R=1.99，分子結(jié)構(gòu)特征參數(shù)ai、bi，參數(shù)Δi的數(shù)值均為查表得出。

1.3.3 計(jì)算結(jié)果與討論

分析比較表4中的數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)配比為配比6的航空燃料的閃點(diǎn)最大。同時(shí)，配比3的閃點(diǎn)也為較高，僅與配比6的閃點(diǎn)相差約為0.304 K，與配比6的閃點(diǎn)幾乎相近。配比1與配比5中碳原子數(shù)較少的組分含量較多，配比2和配比4支鏈的組分含量較少。而相比較其他配比而言，配比3和配比6中雙支鏈的烷烴含量較多。因此可以認(rèn)為主要是各組結(jié)構(gòu)中支鏈數(shù)目對(duì)混合物閃點(diǎn)造成影響。

2 數(shù)據(jù)整理與分析

綜合第2節(jié)的研究過(guò)程中的結(jié)論與分析，可以粗略地總結(jié)出與航空燃料的密度、熱值以及閃點(diǎn)的變化規(guī)律。第一，航空燃料組分中的碳原子數(shù)目對(duì)密度有著主要的影響，碳原子數(shù)的烷烴含量越多，那么航空燃料的密度就越大。第二，航空燃料的熱值大小仍取決于其中高碳含量組分的多少，高碳含量組分越多，其熱值越高。第三，對(duì)于閃點(diǎn)而言，其大小則取決于燃料中支鏈的多少，支鏈較多、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的烷烴組分的含量越大，航空燃料的閃點(diǎn)就高。

綜合表4以及表3，配比3的熱值、閃點(diǎn)在所設(shè)計(jì)的6種配比中較大，這用于航空燃料可以對(duì)于發(fā)熱量以及安全性方面作出基本的保障。雖然配比3的密度在所設(shè)計(jì)的六種配比中的密度較大，可能會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總質(zhì)量造成一定的影響。但是對(duì)比熱值和閃點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)而言，該文認(rèn)為其優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)密度所造成的損失。因此，在目前6種設(shè)計(jì)配比中，配比3為最優(yōu)配比。

由于此次研究?jī)H針對(duì)航空煤油RP-3的26.2%進(jìn)行，旨在定性層面對(duì)不同配比下航空燃料性質(zhì)隨混合物各組分結(jié)構(gòu)、碳數(shù)變化的可能變化進(jìn)行研究，日后可以參考此次研究結(jié)果，對(duì)完整的航空煤油組分結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，從而選擇出更好的、優(yōu)質(zhì)的、先進(jìn)的航空燃料配比組成。

3 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)傳統(tǒng)航空燃料性能上的不足，利用改變航空燃料的配比的方法來(lái)提高燃料的性能。通過(guò)對(duì)不同配比下航空燃料性能的分析，發(fā)現(xiàn)有些配比下的航空燃料的性能有著明顯的提高。同時(shí)，筆者也總結(jié)出分子結(jié)構(gòu)、碳原子數(shù)目等與航空燃料性能之間的規(guī)律，以便分析其他航空燃料性能的使用。綜上，該文完成了不同配比下航空燃料性質(zhì)變化的理論分析，為未來(lái)先進(jìn)航空燃料發(fā)展提供了一定理論基礎(chǔ)。

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