TTJU特约综述 | 航空航天碳氢燃料组成与其理化性能关系的研究进展

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文章信息

作者：Xiaoyu Wang, Tinghao Jia, Lun Pan, Qing Liu, Yunming Fang, Ji-Jun Zou, Xiangwen Zhang.

原文标题：Review on the Relationship Between Liquid Aerospace Fuel Composition and Their Physicochemical Properties.

期刊：Trans Tianjin Univ，2020

https://doi.org/10.1007/ s12209-020-00273-5

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-020-00273-5

本文亮点

1.总结了燃料组成和碳氢化合物分子结构对燃料物理化学性能的影响规律，并综述了基于燃料组成对燃料性能进行预测的相关研究方法。

2.采用最小二乘法获得了燃料分子的H/C摩尔比和相对分子质量与燃料理化性质的构效关系，这对新型航空航天碳氢燃料的设计、合成和性能预测具有重要意义。

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背景及意义

先进航空航天飞行器的发展对高性能液态碳氢燃料提出了更高的需求，然而燃料性能的全面测定不仅耗时、成本高，并且受限于操作条件。实际上，航空航天燃料的物理化学性能受到其化学组成的直接影响，因此，深入研究燃料性能与组成之间的内在关系对未来高品质燃料的设计和合成以及燃料性能的预测具有重要意义。

    本文总结并分析了燃料组成和碳氢化合物分子结构对燃料物理化学性能的影响规律，燃料理化性质包括对密度、燃烧净热值、低温流动性(黏度和冰点)、闪点和热氧化安定性等；总结了基于燃料化学组成对燃料性能进行预测的相关研究方法。此外，我们将燃料H/C摩尔比和相对分子质量与理化性能进行了关联，采用最小二乘法的计算结果表明，该关联关系适用于密度、净燃烧热和黏度等关键性能指标的预测，这对航空航天碳氢燃料的设计、合成和性能预测具有重要意义。

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图文导读

图1 Jet-A的全二维GC×GC谱图（经参考文献[6]许可复制）

图2 烃类燃料的化学组成与理化性能之间的关系

图3 燃料密度与（a）煤油馏分的链烷烃含量（参考文献[11]许可复制）、（b）由正构、异构和环烷烃组成的烃混合物的环烷烃含量（参考文献[4]许可复制）、（c）不同加氢程度的RP-3喷气燃料的总芳烃含量（参考文献[16]许可复制）、（d）几种碳氢化合物的碳原子数之间的关系（参考文献[1]许可复制）

图4 20°C下64种碳氢燃料的密度与n_H/C /M^0.19的关系

图5质量净燃烧热值（NHOC）与烃类化合物的总碳原子数关系（经参考文献[1]许可复制）

图6 64种碳氢燃料的质量净燃烧热值（NHOC）与n_H/C /M^0.02的关系

含有五元环或六元环的多环碳氢燃料：

含有三元环或四元环的张力碳氢燃料：

图7 59种碳氢燃料的体积净燃烧热值（NHOC）与密度的关系

图8 59种碳氢燃料的体积净燃烧热值（NHOC）与n_H/C /M^0.19的关系

图9 正构烷烃、异构烷烃、环烷烃、烯烃和芳香族同系物的黏度（实验值和QSPR模型模拟预测值）与温度的关系（经参考文献[79]许可复制）

图10 -20°C下23种碳氢燃料的运动黏度与n_H/C /M^0.54的关系

图11碳氢化合物的冰点与a正构烷烃体积含量（其中冰点温度由绝对温度的倒数表示）和b混合燃料（由正构、异构和环烷烃组成）中环烷烃体积含量（经参考文献[4]许可复制）；c生物质喷气燃料的丙基苯体积含量的关系（经参考文献[94]许可复制）

图12由正构、异构和环烷烃组成的混合燃料的闪点与a正构烷烃和b环烷烃体积含量的关系（经参考文献[4]复制）；c几种烃类化合物的总碳数的关系（经参考文献[1]许可复制）

图13 23种典型烃类燃料的闪点与n_H/C /M^1.79的关系

图14 HEFA航空燃料及其不同芳烃含量的混合燃料的热安定性的两方面评估：a试管沉积等级和b JFTOT测试后过滤器压降（经参考文献[109]许可复制）

图15 氧化诱导时间IP与a正构烷烃的碳链长度（经参考文献[118]许可复制）和b辛烷异构体的支化水平，包括正辛烷（C8）、2-甲基庚烷、2,5 -二甲基己烷和2,2,4-三甲基戊烷（TMP）（经参考文献[119]许可复制）

图16 在140 °C下测得的氧化诱导时间IP与a苯环数、b在苯环上的烷基取代基数和c芳烃和环烷烃的侧链长度的关系（经参考文献[109]许可复制 ）

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通讯作者简介

潘伦

潘伦，分别于2009年和2014年在天津大学化工学院获得硕士、博士学位，并于2016年至2017年在佐治亚理工大学任访问学者。现为天津大学化工学院副教授，博士生导师，天津市青年科技优秀人才，天津市“131”创新型人才，北洋学者青年骨干教师。研究方向为新型高能量密度航空航天燃料研究。先后主持国家自然基金项目、国家重大科技专项课题、科技委、教育部、天津市自然科学基金、企业委托项目等10余项。在Nat Commun.、J Am Chem Soc、Adv. Mater、Nano Energy、ACS Nano、Adv Energy Mater、ACS Catal.、Adv Sci.、Appl Catal B 等SCI期刊发表论文50余篇。申请中国专利10余项，授权2项。

邹吉军

邹吉军，1978年生。2005年在天津大学获得博士学位，现为天津大学化工学院讲席教授、博士生导师、化学工艺系主任、先进燃料和化学推进剂重点实验室副主任，主要研究方向为能源与环境化工。入选万人计划领军人才、教育部青年长江学者、国家优秀青年科学基金、中组部青年拔尖人才、国防科技卓越青年人才、教育部新世纪优秀人才、天津市中青年科技创新领军人才，获得国家自然科学二等奖、侯德榜化工科学技术创新奖。以第一或通讯作者在J Am Chem Soc、Adv Mater、Angew Chem Int Ed、ACS Catal、AIChE J、Chem Eng Sci等发表SCI论文150余篇，获美国和中国授权发明专利30项。

方云明

方云明，2008年毕业于大连理工大学化学系，获博士学位，任中国科学院青岛生物能源与过程研究所的副研究员。2013年任北京化工大学化学工程学院教授、博士生导师。主要研究领域是生物能源和相关的催化工程。以第一或通讯作者在J Am Chem Soc、Biotechnology Advances、ACS Catalysis、Green Chemistry、Fuel、Energy & Fuels等SCI杂志上发表论文60余篇，申请15项中国及PCT专利，获得全国优秀博士论文奖、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、闵恩泽能源化工奖(木质纤维素炼制液体燃料及化学品)等省部级奖项。

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Transactions of Tianjin University

天津大学学报（英文版)

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