喷气燃料氢含量的估算*

李海静，张香文，王庆法

(天津大学绿色合成与转化教育部重点实验室，天津　300072)



喷气燃料氢含量的估算*

李海静，张香文，王庆法

(天津大学绿色合成与转化教育部重点实验室，天津300072)

利用GC/MS分析了30种喷气燃料的烃族组成结果，详细确定了每种燃料的链烷烃、一环环烷烃、二环环烷烃、三环环烷烃、单环芳烃和双环芳烃等组成。根据ASTM D2887利用气相色谱法测定喷气燃料的馏程。根据其烃族组成和馏程建立了一种燃料氢含量的估算方法，并对该估算方法的准确度进行分析。结果表明，利用烃族组成及模拟蒸馏中沸点的数据估算氢含量的方法与元素分析法测定结果一致，可利用该方法对喷气燃料氢含量进行估算。

喷气燃料；氢含量；估算方法；烃族组成

进入21世纪，超高音速推进技术已经成为中国航天领域的重大研究课题。其中，研制高热安定性吸热型喷气燃料，是解决高超音速飞行器燃料输送过程中碳沉积问题的关键技术。而喷气燃料的燃烧性质，一般从闪点、燃点、烟点、萘系烃、辉光值、热值及芳烃含量等指标来控制。然而由于指标多，给评价工作带来诸多不便，研究发现可用氢含量作为评价喷气燃料燃烧性能的综合指标[1]，因此准确测定燃料的氢含量有利于更好的控制燃料的质量。

喷气燃料氢含量的实验测定方法很多，主要有Vario.EL元素分析仪[2]、低分辨核磁共振法[3]、燃灯法[4]等。然而这些方法采用的仪器价格昂贵，有些方法对实验人员的要求较高，不能被广泛采用。而燃料的氢含量与其族组成有密切关系，因此，探寻一种简单易行、能够迅速而准确的预测氢元素含量的方法，一直是快速评价燃料的研究热点。本研究，我们借鉴燃料基本物性与组成和沸程的关系[5]，提出了一种利用油品的族组成结果估算氢含量的方法并进行了验证。

1　实　验

1.1燃料与试剂

30种不同来源的喷气燃料；二氯甲烷、正戊烷、正己烷均为分析纯，江天化工技术有限公司；n-C30内标为色谱纯，TCI。

1.2烃族组成测定

采用质谱法[6]测定了30种喷气燃料的烃族组成结果，包括链烷烃，环烷烃(一环烷烃、二环烷烃、三环烷烃)，单环芳烃(烷基苯、茚满或四氢萘、茚类等)，双环芳烃(萘、萘类、苊类、苊烯类等)以及三环芳烃和胶质，分析发现所研究的燃料均不含三环芳烃和胶质。

1.2.2色谱条件

采用Agilent 6890N/5973 气相色谱/质谱联用仪。色谱条件：HP-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，载气为高纯氦气，流量为1 mL/min，分流进样30:1。进样口温度300 ℃，测器350 ℃，接口温度290 ℃，柱温60 ℃保持1 min，再以40 ℃/min升到300 ℃，保持5 min。FID检测器氢气40 mL/min、空气450 mL/min。质谱条件：离子源为EI，50～300质量数全扫描。

1.3馏程测定

1.3.1方法

气相色谱法[7]测定30种喷气燃料馏出50%时的温度。

1.3.2色谱条件

遂一起下楼，保安又核查了一下他家的车位，发现就在离冯一余车位不远的地方，但意外的是那个车位上竟然也停了一辆车。那女的立刻说，不能怪我们了，是人家先占了我们的。保安又核对那辆车的车牌号，可在登记簿上怎么找也找不到这个车牌号，才知道不是本小区的车辆。

采用Agilent 7890N气相色谱。色谱条件：载气为高纯氮气，HP-1色谱柱(30 m×0.53 mm×0.88 μm)，流量为15 mL/min，分流进样5:1。进样口温度为350 ℃，检测器350 ℃，柱温35 ℃ 保持1 min，再以10 ℃/min升到300 ℃，保持 5 min。FID检测器氢气30 mL/min、空气400 mL/min。

1.4元素分析法测定氢含量

利用Vario.EL元素分析法[1]测定30种喷气燃料的氢元素含量。

2　结果与讨论

2.1烃族组成测定结果

利用上述方法对30种喷气燃料的烃族组成进行了测定，其结果见表1。

表1　喷气燃料烃族组成结果

2.2烃族组成与氢含量关系方程

ASTM D3343-05[8]提出了氢含量与密度(API°)、芳烃含量和10%，50%与90%馏出温度的平均值的函数关系方程：

H%=(9201.2+14.49T-70.22A)/D+0.02652A+0.0001298AT-0.01347T+2.003

(1)

其中，H%为氢元素的质量百分含量；A芳烃的体积百分数；T为10%，50%与90%馏出温度的平均值(℃)；D为15 ℃时样品的密度(kg/m3)。

此方法具有良好的重复性和再现性，然而为了得到氢含量与烃族组成(质量百分含量)的关系，同时也为了强调不同烃族种类对氢含量的重要作用，我们提出了如下用于预测燃料氢含量的新方程：

H%=A1Cn+A2Cscyl+A3Cdcyl+A4Ctcyl+A5Csa+A6Cda

(2)

其中，A1, A2,…,A6分别表示不同种类烷烃对应的氢含量，Cn，Cscyl，Cdcyl，Ctcyl，Csa，Cda分别表示烃族组成中链烷烃，一环烷烃，二环烷烃，三环烷烃，单环芳烃和二环芳烃的含量(质量百分数)。

2.3模型参数的确立

而喷气燃料的沸点主要取决于碳原子数目的多少[1]，所以根据上述拟合函数及燃料的中沸点(模拟蒸馏时，馏出50%对应的温度)计算出的碳数作为燃料中链烷烃的平均碳数。

根据该拟合函数及燃料中链烷烃的平均碳数计算得到链烷烃的平均氢含量作为方程(2)中的A1值。

表2　不同碳数的正构烃沸点和氢含量

一环环烷烃的分子式为CnH2n，无论其碳数n取何值，其氢含量均为14.29%，故A2=14.29。根据燃料的组成情况及经验，可知喷气燃料中的二环烷烃，三环烷烃，单环芳烃和二环芳烃分别平均为C10，C15，C10和C13，因此A3、A4、A5、A6的取值分别设定为13.04，12.7，10.45，8.2。因此得到了氢含量与烃族组成的关系方程：

H%=A1Cn+14.29Cscyl+13.04Cdcyl+12.7Ctcyl+10.45Csa+8.2Cda

(3)

2.4估算准确度分析

30中喷气燃料根据模拟蒸馏结果测定的中沸点、计算的链烷烃平均碳数、根据公式(3)估算的氢含量结果及其与测定值的相对误差结果见表3。由表3可知，估算值与测定值的相对误差均在1%以内，估算结果与测定结果一致，准确度良好。

表3　30种喷气燃料的中沸点及氢含量结果

续表3

20#215.911.9914.5214.430.621#216.011.9914.3814.280.722#281.515.7113.5513.411.023#219.712.1814.4614.400.424#221.112.2613.9713.960.125#266.414.7913.0813.130.426#267.214.8413.1513.160.127#272.715.1712.9913.030.328#209.711.6714.5214.600.529#215.811.9813.7913.810.130#179.010.1915.1015.160.4

3　结　论

利用烃族组成及模拟蒸馏中沸点的数据估算氢含量与元素分析法测定结果相比，相对误差均在1%以内，误差小，与测定值一致，可作为喷气燃料氢含量的估算方法。

[1]冯湘生.喷气燃料燃烧性能新的综合指标——氢含量[J].航空材料，1982(02):47-48.

[2]ASTM D5291-02，Standard Test Methods for Instrumental Determination of Carbon，Hydrogen，and Nitrogen in Petroleum Products and Lubricants[S].

[3]ASTM D3701 -01，Standard Test Method for Hydrogen Content of Aviation Turbine Fuels by Low Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectrometry[S].2006.

[4]中华人民共和国石油化工行业标准.SH/T 0022-90石油馏分氢含量测定法(燃灯法) [S].2006.

[5]刘国柱,沈慧明,曲海杰,等. 喷气燃料的化学组成与理化性质的定量关系研究[J].燃料化学学报，2007,35(6):737-742.

[6]ASTM D2425 -04，Standard Test Method for Hydrocarbon Types in Middle Distillates by Mass Spectrometry[S].2009.

[7]ASTM D2887-4a，Standard Test Method for Boiling Range Distribution of Petroleum Fractions by Gas Chromatography[S].

[8]ASTM D3343-05，Standard Test Method for Estimation of Hydrogen Content of Aviation Fuels[S].

Estimation of Hydrogen Content of Jet Fuels*

LIHai-jing，ZHANGXiang-wen，WANGQing-fa

(Key Laboratory of Green Chemical Technology of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Fuel composition was expressed in terms of the abundances of hydrocarbon compound classes (alkanes, mono-cycloalkanes，di-cycloalkanes, tri-cycloalkanes, monoaromatics and diaromatics aromatics) and was determined by GC/MS. Distillation data of the jet fuel was measured by the standard ASTM D2887. Hydrogen Content evaluation of jet fuels was established according to its hydrocarbon compound classes and distillation data, and the accuracy of the method was analyzed. The method of use of hydrocarbon composition and simulated distillation boiling point of the data to estimate the hydrogen content was consistent with the determination of elemental analysis results.

jet fuels; hydrogen content evaluation; hydrocarbon compound classes

国家自然科学基金(基金号21476169, 21476168)。

李海静(1982-)，女，工程师，主要从事油品性质的分析、测试等相关工作。

王庆法。

O656.32

A

1001-9677(2016)07-00119-03