НЕФТЕХИМИЯ, 2021, том 61, № 6, с. 899-908

УДК 662.742 + 665.743.3 + 66.092.892

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА

НА СВЕРХКРИТИЧЕСКОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ

КОКСОВАНИЕ АВИАЦИОННОГО КЕРОСИНА RP-3

¹School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu, Sichuan, 610065 China

²Engineering Research Center of Combustion and Cooling for Aerospace Power, Ministry of Education,

Sichuan University, Chengdu, Sichuan, 610065 China

^*E-mail: zewei.bao@scu.edu.cn

Поступила в редакцию 27 октября 2020 г.

После доработки 4 апреля 2021 г.

Принята к печати 1 октября 2021 г.

Изучено влияние концентрации растворенного кислорода на термическое закоксовывание авиационно-

го керосина RP-3 (Китай) на специально спроектированной и построенной установке деоксигенации.

Определено количество кокса, образующегося при различных исходных концентрациях растворенного

кислорода, изучена морфология и проведен анализ элементного состава коксовых отложений, а также

измерено распределение концентрации растворенного кислорода вдоль электронагреваемой трубки. По-

казано, что низкая исходная концентрация растворенного кислорода приводит к значительно меньшему

количеству кокса термического окисления; однако в условиях кислородного голодания кокс полностью

не удаляется, хотя морфология его поверхности меняется. Установлено также, что закоксовывание зави-

сит от температуры и концентрации растворенного кислорода и снижается вдоль трубки, а при осевом

положении 40-50 см резко падает.¹

Ключевые слова: термоокислительное коксование, растворенный кислород, авиационный керосин

RP-3, сверхкритическое давление

DOI: 10.31857/S0028242121060150

Поскольку увеличение числа Маха в полете

На термическое окислительное коксование ави-

требует значительного повышения качества систе-

ационного топлива могут влиять различные фак-

мы охлаждения, для авиационных двигателей все

торы. He и др. [6] исследовали загрязнение топли-

большее применение находит технология охлаж-

ва JP-10 и обнаружили, что температура стенки и

денного охлаждающего воздуха (the cooled cooling

топлива оказывают важное влияние на осаждение

air (CCA) technology). В этой технологии авиаци-

кокса. Fu и др. [7-8] изучали вопрос о том, как вин-

онное топливо используется для охлаждения воз-

товая центробежная сила может ингибировать тер-

духа для турбины [1]. Однако, когда температура

мическое окислительное коксование. В их исследо-

топлива достигает 150°C, может образовываться

вании винтовые трубки с авиационным керосином

кокс термического окисления, который способен

напрямую нагревались электричеством через два

не только блокировать сопла и трубки сгорания, но

медных зажима снаружи трубок. При этом сум-

и влиять на характеристики теплопередачи и безо-

марная температура топлива изменялась от 400 до

пасную работу двигателей [2-5].

723 K, а масса потока авиационного керосина - от

393 до 1178 кг/м²·с. Соответственно, согласно кри-

¹ Дополнительные материалы для этой статьи доступны

тическим данным Рейнольдса, течения находились

по DOI: 10.31857/S0028242121060150 для авторизо-

в ламинарном и турбулентном состояниях. Авторы

ванных пользователей.

обнаружили, что распределение коксования в спи-

899

900

QIN HUANG и др.

ральных трубах было более равномерным, а мак-

ных радикалов. Ervin и др. [16] обнаружили, что

симальное общее количество кокса уменьшилось

деоксигенация топлива может иногда увеличивать

по сравнению с прямой трубкой. Zhao и др. [9] об-

поверхностное загрязнение, а отложения, образо-

наружили, что повышение температуры и содержа-

ванные деоксигенированным топливом и частич-

ния кислорода усиливают ингибирование цепной

ным потреблением кислорода, отличаются от отло-

реакции углеводородного топлива бутилгидрок-

жений топлива, насыщенного воздухом, и полным

ситолуолом (бутилированным гидрокситолуолом,

потреблением кислорода. Поэтому авторы пред-

БГТ), но их ингибирующие эффекты были слабее,

положили, что существует наименее подходящая

чем стимулирующее действие кислорода.

концентрация растворенного кислорода, которая

Alborzi и др. [10] разработали двухступенчатую

приводит к максимальному количеству отложений

химическую кинетическую модель переходного

для данной системы. Roan и др. [17] также обна-

топлива для моделирования роста отложений в за-

ружили, что удаление растворенного кислорода

висимости от времени, температуры и химическо-

посредством барботирования азота не всегда сни-

го состава топлива при репрезентативном состоя-

жает количество автоокислительных отложений в

нии двигателя. Они наблюдали кольцевой профиль

проточном реакторе. Они думали, что гидроарома-

углеродистых отложений и оценивали его толщину

тические соединения в гидроочищенном топливе

путем интегрирования их средней толщины в пяти

и нафтеновые соединения в насыщенном топливе

поперечных сечениях вдоль трубы с помощью ска-

обеспечивают большую стабильность топлива.

нирующего электронного микроскопа. Alborzi и др.

Zabarnick и др. [18] использовали метод изме-

[11-12] изучали влияние почти полной деоксиге-

рения

«микробаланс/давление» для кварцевого

нации и удаления полярных частиц на склонность

кристалла (the quartz crystal microbalance/pressure

к осаждению топлива Jet A-1 с предельной тер-

measurement technique) при изучении термиче-

моокислительной стабильностью в специальном

ской стабильности и характеристик окисления ре-

устройстве для испытания на термостойкость с вы-

активного топлива. Они обнаружили, что общее

соким коэффициентом Рейнольдса. Они обнаружи-

количество осажденного вещества и скорость его

ли, что когда исходная концентрация всех гидропе-

осаждения сложным образом зависят от скорости

роксидов в реактивном топливе была относительно

потребления растворенного кислорода. Было обна-

высокой, деоксигенация топлива не могла снизить

ружено, что удаление кислорода из топлива оказа-

склонность кокса к осаждению. Впоследствии

лось очень эффективным в подавлении автоокис-

было обнаружено, что удаление химически актив-

лительного образования кокса [19-20]. Разница в

ных компонентов серы и Fe снижает предрасполо-

термической стабильности топлив, как они счита-

женность к поверхностному осаждению кокса, и

ют, может быть объяснена различиями в их соста-

предложили механизмы воздействия реактивной

ве, например, полярных частиц, исходных гидро-

серы и Fe с гидропероксидами.

пероксидов, реакционноспособных компонентов

Liu и др. [13] также обнаружили, что агрегация

серы и железа, гидроароматических и нафтеновых

полярных частиц в авиационном топливе может

соединений. Pei и др. [21] исследовали зависимость

способствовать термоокислительному осаждению

термоокислительного коксования топлива RP-3 от

в отсутствии растворенного кислорода. Кроме

концентрации растворенного кислорода и обнару-

того, предварительное окисление и электролитиче-

жили, что изменение доли потребления кислорода

ская пассивация труб из нержавеющей стали, а так-

является псевдопервым порядком по отношению к

же добавление диспергатора в топливо RP-3 могут

температуре топлива на выходе. Тем не менее, по-

уменьшить отложения при термическом окислении

требление растворенного кислорода в реакции тер-

топлива [14-15].

мического окисления до конца не изучено.

Кислород, растворенный в топливе, играет ре-

В данном исследовании была предложена ме-

шающую роль в образовании термически окис-

тодика деоксигенации и разработано поточное

ленного кокса. Он вступает в реакцию с топливом

устройство для количественного определения кон-

с образованием свободных радикалов, которые

центрации растворенного кислорода. Исследован

затем запускают серию цепных реакций свобод-

процесс термического окисления кокса при раз-

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТР

АЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА

901

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - топливный резервуар; 2 - магнитная мешалка;

3 - датчик растворенного кислорода; 4 - насос высокого давления; 5 - игольчатый клапан; 6 - массовый расходомер; 7 -

датчик давления; 8 - термопара в оболочке типа К; 9 - провода термопары типа К; 10 -трубка; 11 - система электрообогрева;

12 - система сбора данных; 13 - компьютер для регистрации данных; 14 - система быстрого охлаждения; 15 - обратный

клапан; 16 - топливный коллектор (точка измерения растворенного кислорода); 17 - резервуар отработанного топлива.

личных исходных концентрациях растворенного

Аппараты и процедуры. На рис. 1 представ-

кислорода. Кроме того, были также измерены рас-

лена принципиальная схема экспериментальной

пределение концентрации растворенного кисло-

установки. Суммарные температуры топлива на

входе и выходе из трубки измеряли термопарами в

рода, температура топлива и стенки вдоль трубки.

Для описания морфологии и анализа элементного

оболочке типа К. Температуру стенок также изме-

ряли термопарами типа К, приваренными к внеш-

состава отложений были использованы сканирую-

ней стенке трубки с интервалом 100 мм. Массовый

щий электронный микроскоп (SEM/СЭМ) и энер-

расход топлива контролировали в режиме оn line

годисперсная спектроскопия (EDS/ЭДС).

с помощью массового расходомера (CMF010M,

Emerson). Содержание растворенного кислорода в

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы. Все материалы, использованные

в работе, были промышленных марок. Авиацион-

Таблица 1. Технические характеристики авиационного

керосина RP-3

ный керосин RP-3 был предоставлен компанией

Zhejiang Petrochemical Co. Ltd. (Чжоушань, Китай).

Свойство

Значение

N₂ чистотой 99.999% был поставлен компанией

Критическое давление

2.39 МПа

Jinnengda Gas Co. Ltd. (Чэнду, Китай). Трубку из

Критическая температура

372.5°C

нержавеющей стали SS304 (внутренний диаметр

Плотность

0.7928 г/см³

2.0 мм, внешний диаметр 3.0 мм) длиной 1000 мм

Температура вспышки

50°C

использовали в качестве электрически нагревае-

Диапазон перегонки

163-212°C

Относительная молекулярная масса

148.33 г/моль

мой пробирки. Технические характеристики авиа-

Средняя молекулярная формула

C_10.5H₂₂

ционного керосина RP-3 приведены в табл. 1.

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

902

QIN HUANG и др.

Таблица 2. Диапазон измерения растворенного кислорода и точность приборов

Прибор

Диапазон измерения

Точность

Датчик давления

0-10 МПа

±0.25%

Термопара типа К

0-1200°C

±0.4%

Массовый расходомер

0-30 г/с

±0.1%

Датчик растворенного кислорода

6 ppb-насыщение^a

±1%

^appb - одна миллиардная часть величины (parts per billion) или 10^-9 значения величины.

топливе измеряли полярографическим методом с

Для изучения потребления растворенного кис-

использованием датчика растворенного кислорода

лорода вдоль трубки была принята эксперимен-

(InPro 6850i, Mettler-Toledo). Эталонный электрод

тальная стратегия изменения длины нагреваемой

кислородного датчика соответствует обычному

части трубки при постоянном токе нагрева [22-23].

аноду серебро/хлорид серебра. Анод представляет

Верхний предел диапазона измерения температу-

собой платиновый электрод и отделен от эталона.

ры датчика растворенного кислорода составляет

Катод сделан в виде платинового кольца, а элек-

80°C. Следовательно, перед измерением необхо-

тролит представляет собой раствор хлорида калия.

димо снизить температуру топлива. Поскольку в

Кислород диффундирует через пленку растворен-

охлаждаемой трубке может образоваться большое

ного кислорода и восстанавливается на катоде.

количество отложений [24], была использована си-

Измеренный ток восстановления пропорционален

стема быстрого охлаждения с теплообменником

парциальному давлению кислорода в топливе. Кон-

типа «труба в трубе», как показано на рис. 2. В этой

центрация растворенного кислорода - средний ре-

системе топливо из испытательной трубки быстро

зультат после смешивания топлива в трубке 10 за

охлаждается путем прямого смешивания с охлаж-

определенный период времени сбора пробы. Диа-

дающим топливом без растворенного кислорода из

пазон измерения и точность устройств указаны в

герметичного топливного резервуара. Это смешан-

табл. 2.

ное топливо (смесь высокотемпературного и ох-

лаждающего топлив) дополнительно охлаждается

Перед экспериментом N₂ барботируют через

всю систему в герметичный топливный бак для

водой, протекающей через кольцевое пространство

теплообменника. Охлажденное смешанное топли-

удаления воздуха. После этого при включенной

во собирают в так называемом сборном топливном

магнитной мешалке определяют количество рас-

резервуаре и датчиком измеряют в нем количество

творенного кислорода в топливе, которое будет

растворенного кислорода.

постепенно уменьшаться с 70 ppm до необходимой

концентрации. После опыта отработанное топливо

Для проводимого эксперимента в системе было

проходит через систему быстрого охлаждения во-

установлено давление 3.5 МПа, температура на

дой и собирается в специальном резервуаре. Трубка

выходе топлива поддерживалась постоянной на

обернута теплоизоляционным материалом (кварце-

уровне 450°C, а массовый расход топлива состав-

вым волокном) для уменьшения потерь тепла.

лял 1.08 г/с. Эксперименты по закоксовыванию

Охлаждающая вода

Нагретое топливо

Охлажденное топливо

Подогретая вода

Охлаждающее топливо

(без растворенного кислорода)

Рис. 2. Система быстрого охлаждения.

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТР

АЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА

903

топлив, соответственно. Основываясь на точности

приборов (табл. 2), погрешность косвенного изме-

рения при определении [O₂]_H была оценена в 6.1%.

Определение количества и морфологии

кокса. Для количественной оценки поверхност-

ных отложений был использован метод выгорания

углерода. Сначала трубку разрезали на небольшие

сегменты, длину каждого сегмента точно измеря-

ли штангенциркулем. Затем сегменты сушили в

вакууме при 100°C в течение 1 ч. Наконец, после

того, как кокс прореагировал с кислородом и пре-

вратился в CO₂ при высокой температуре (800°C),

количество углерода можно определить косвенно

с помощью инфракрасного анализатора диоксида

углерода с точностью до 0.01 мг. Общее количество

Рис. 3. Распределение количества локального кокса по

кокса (M) представляет собой сумму количеств

нагретой трубке для двух групп экспериментов.

кокса всех небольших сегментов трубки. Погреш-

ность общего количества кокса (ΔM) была оценена

в ±0.045 мг по уравнению (2):

при термическом окислении проводили в течение

2 ч с изменением начальной концентрации раство-

(2)

ренного кислорода примерно от 0 до 70 ppm. Тем-

пература топлива на выходе и время реакции при

постоянном тепловом потоке 165.4 кВт/м² приве-

где i представляет номер сегмента; Δm_i - погреш-

дены в «Дополнительном материале № 1». Когда

ность количества кокса каждого сегмента.

скорости потока охлаждающей воды и охлаждаю-

щего топлива составляли соответственно 79.50 и

Морфология поверхности и элементный анализ

5.40 г/с, топливо охлаждали примерно до 25°C (с

отложений кокса были охарактеризованы с помо-

помощью системы быстрого охлаждения). Таким

щью сканирующей электронной микроскопии с

образом, время пребывания топлива в теплооб-

энергодисперсионной рентгеновской спектроско-

меннике «труба в трубе» составляло около 5% от

пией (СЭМ с ЭДС, Hitachi S-4800). После того, как

времени пребывания в нагревательной трубке и,

сегменты трубки были высушены в вакууме при

следовательно, потребление растворенного кисло-

100°C в течение 1 ч, одна сторона сегмента была

рода во время процесса охлаждения могло быть

отшлифована до тех пор, пока внутренняя стенка

незначительным. Изменение температуры топлива

другой стороны полностью не обнажилась. Следу-

и времени пребывания вдоль трубки приведены в

ет отметить, что в процессе шлифования внешняя

«Дополнительном материале № 2».

стенка сегмента охлаждалась водой. Затем может

быть проведен анализ СЭМ/ЭДС.

Концентрация растворенного кислорода в то-

пливе с высокой температурой вдоль трубки может

быть вычислена с помощью уравнения (1):

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Воспроизводимость результатов. Экспери-

(1)

ментальная надежность термического окисления

кокса может быть продемонстрирована с помощью

двух серий экспериментов с различными длинами

где [O₂]_H и [O₂]_B - концентрации растворенного

нагреваемых трубок. На рис. 3 показано распреде-

кислорода в высокотемпературном и смешанном

ление локального кокса по нагретой трубке. Резуль-

топливе, соответственно; ṁ_H и ṁC - массовый

таты каждой группы экспериментов при одинако-

расход высокотемпературного и охлаждающего

вых рабочих условиях хорошо согласуются. Так,

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

904

QIN HUANG и др.

на [25]. В процессе автоокисления жидкого угле-

водородного топлива растворенный кислород (O₂)

реагирует с углеводородным топливом (RH) или

свободным радикалом (R˙) с образованием свобод-

ных радикалов гидропероксида (RO2˙). Затем части-

цы гидропероксида (RO₂H) в жидком углеводороде

инициируют цикл термического автоокисления, ко-

торый в конечном итоге, после серии реакций, при-

водит к термически окисленному закоксовыванию.

Следовательно, исходная концентрация раство-

ренного кислорода определяет количество гидро-

пероксидов, что дополнительно влияет на количе-

Рис. 4. Общее количество кокса при различных исход-

ных концентрациях растворенного кислорода.

ство отложений кокса при термическом окислении.

Однако термически окисленный кокс не удаляется

например, для группы 2 максимальная разница в

полностью, когда он находится в почти нулевом со-

количестве локального кокса по длине трубки со-

стоянии, и это явление можно объяснить самопро-

ставляет 0.075 мг/см², а относительное отклонение

извольной реакцией гидропероксидов по другому

общего количества коксования составляет 4.42.

механизму [12].

Влияние исходной концентрации растворен-

Распределение количества кокса вдоль трубки

ного кислорода. Зависимость количества отложе-

при различных начальных концентрациях раство-

ний кокса от концентрации растворенного кисло-

ренного кислорода показано на рис. 5. Видно, что

рода при термическом окислении представлено

меньшая начальная концентрация растворенного

на рис. 4-7. Как показано на рис. 4, при снижении

кислорода приводит к меньшему количеству кокса

начальной концентрации растворенного кислорода

при термическом окислении. При отсутствии рас-

с 70.0 до 22.4 ppm (и почти до 0 ppm) общее коли-

творенного кислорода поверхностное осаждение

чество кокса снизилось на 47.6 и 75.4%: с 6.26 до

3.28 мг и 1.54 мг. Результаты показывают, что сни-

было незначительным по всей длине трубки по

жение начальной концентрации растворенного

сравнению с двумя другими условиями, без пика

кислорода может замедлить процесс осаждения.

возле входа или выхода трубки.

В табл. 3 представлен механизм термического

На рис.

6 представлены СЭМ-изображения

окислительного коксования авиационного кероси-

термически окисленного кокса при осевом поло-

Таблица 3. Механизм термического окислительного коксования авиационного керосина [25]

№

Реакция

№

Реакция

RH → R^· + H^·

RO^· + RO^·→ ROH + R = O_aldehyde

RH + O₂ → R^· + HOO^·

RO^· + RO_·→ RO₂H + R = O_ketone

RO₂H → RO^· + OH^·

RO_· + RO_· → ROOOOR

R^· + O₂ → RO_·

ROOOOR → RO^· + RO^· + O₂

RO_· + RH → RO₂H + R^·

RO^· + R^·→ RH + R = O_ketone

RO₂H + RO₂H → RO^· + RO_· + H₂O

RO^· + R^·→ RH + R = O_aldehyde

OH^· + RH → H₂O + R^·

RO^· + RO^·→ ROOR

RO^· + RH → ROH + R^·

RO^· + R^·→ ROR

RO^·→ Rprime^· + R = O_ketone

R^· + R^·→ R₂

Rprime^· + RH → alkane + R^·

RO_· → R^· + O₂

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТР

АЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА

905

жении x = 40-45 см на внутренней поверхности

трубки. Как показано на рис. 6, отложения кокса

имеют в основном аморфную хлопьевидную фор-

му, соответствующую начальным концентрациям

растворенного кислорода 22.4 и 70 ppm. По мере

увеличения начальной концентрации растворенно-

го кислорода диаметр частиц кокса увеличивается.

Кроме того, распределение коксовых отложений

более компактное и равномерное. Однако в усло-

виях кислородного голодания морфология кокса

отличается от игольчатой структуры, что находится

в согласии с работой [17].

Ингибирующий эффект деоксигенации топлива

на закоксовывание при термическом окислении мо-

Рис. 5. Распределение количества кокса по длине трубки

жет быть дополнительно прояснен с точки зрения

при различных исходных концентрациях растворенного

элементного анализа осажденных поверхностей

кислорода.

при различных начальных концентрациях раство-

ренного кислорода, выполненного по результатам

энергодисперсионной системы (ЭДС), как указано

в табл. 4.

Распределение температуры топлива и кон-

Во всех трех случаях углерод составляет наи-

центрации растворенного кислорода по длине

большую долю. При насыщенном исходном раство-

трубки. Для дальнейшего изучения взаимосвязи

ренном кислороде количество углерода составляет

количества кокса при термическом окислении и

88.08%, тогда как эта величина составляет только

растворенного кислорода были измерены осевые

65.25% при начальной концентрации 22.4 ppm и

изменения температуры топлива и концентрации

49.57% при почти нулевом исходном растворенном

растворенного кислорода вдоль трубки, что также

кислороде. Напротив, количество металлических

являлось показателем потребления растворенного

элементов, таких как Fe, Cr и Ni, постепенно уве-

кислорода во время процесса реакции. Профили

личивается с уменьшением объема растворенно-

температуры топлива, температуры стенки и кон-

го кислорода; это означает более низкую степень

центрации растворенного кислорода показаны на

покрытия отложений кокса на внутренней поверх-

рис. 7 и 8.

ности трубки, что дополнительно подтверждает

ингибирующий эффект снижения исходной кон-

Ранее на рис. 5 показано, что с введением на-

центрации растворенного кислорода на осаждение

сыщенного исходного растворенного кислорода

углерода.

происходит выброс количества кокса на входе в

около 0 ppm

22.4 ppm

70.0 ppm

5.00 μm

1.00 μm

Рис. 6. СЭМ-изображения отложения кокса при различных исходных концентрациях растворенного кислорода.

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

906

QIN HUANG и др.

Таблица 4. Элементный состав коксовых отложений при различных исходных концентрациях растворенного

кислорода по результатам ЭДС

Атомный процент элементов, %

Начальная концентрация растворенного кислорода, ppm

49.57

11.23

35.47

3.73

22.4

65.25

15.44

19.31

около 0

88.08

4.96

6.18

0.78

трубку, а затем появляется первый пик. Это явле-

концентрация растворенного кислорода начинает

ние также наблюдалось в других исследованиях

резко падать через 20 см, и особенно при x = 40-

[6,

21], что можно объяснить взаимодействи-

50 см она снижается с 39.3 ppm до 4.5 ppm. После

ем большого градиента температуры и измене-

этого концентрация растворенного кислорода оста-

ния пограничного слоя на входе. Как показано на

ется на низком уровне до тех пор, пока он полно-

рис. 7, по длине трубки повышаются как темпера-

стью не израсходуется на выходе. Как показано на

тура стенки, так и температура жидкости. Темпера-

рис. 7, T_стенки достигает 400°C примерно при x =

тура стенок у входа намного ниже, чем у средней и

20 см, и поэтому относительно высокая T_стенки мо-

задней части трубки, но она быстро увеличивается

жет привести к быстрому потреблению растворен-

от 50°C до примерно 400°C при x ≈ 20 см с гораздо

ного кислорода. Хотя растворенный кислород поч-

бόльшим температурным градиентом. Кроме того,

ти исчерпан, прекурсоры кокса из поступающего

достаточное количество растворенного кислорода

потока не полностью расходуются и продолжают

также способствует образованию термически окис-

участвовать в реакции коксования, когда топливо

леннного кокса.

течет по трубке. Кроме того, более высокая тем-

Из рис. 8 видно, что концентрация растворенно-

пература стенок и температура топлива на выходе

го кислорода имеет тенденцию к снижению вдоль

также могут способствовать отложению кокса. Сле-

трубки. От входа до осевого положения около

довательно, небольшой пик появляется примерно

20 см концентрация растворенного кислорода

в 80 см от выхода трубки, как показано на рис. 5.

снижается с 70 ppm (насыщенный) до примерно

Можно обнаружить, что быстрое увеличение коли-

60 ppm при относительно низком расходе. Однако

чества коксования на входе может быть связано с

Рис. 7. Профили температуры основного топлива и

Рис. 8. Профиль концентрации растворенного кислорода

температуры стенки вдоль трубы.

вдоль трубки.

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТР

АЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА

907

большим градиентом температуры и достаточным

Yu Chen, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-

количеством растворенного кислорода, в то время

7145-3873

как на выходе это в основном связано с прекурсо-

Zewei Bao, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-

рами кокса, образующимися на входе, а также с вы-

1684-7260

сокой температурой стенки и температурой топли-

Quan Zhu, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-

ва. Чувствительность коксования к концентрации

5280-0320

растворенного кислорода и температуре различна

на разных стадиях.

БЛАГОДАРНОСТИ

Таким образом, в работе была использована

экспериментальная установка для термического

Работа поддержана Национальным фондом

окисления кокса китайского авиационного керо-

естественных наук Китая (грант № 91641121).

сина RP-3 с системой деоксигенации и поточной

системой измерения. Были изучены термически

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

окисленный кокс при различных начальных кон-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

центрациях растворенного кислорода, а также

интересов, требующего раскрытия в данной статье.

распределения температуры стенки, температуры

топлива и концентрации растворенного кислорода

вдоль электрически нагреваемой трубки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Результаты показывают, что снижение началь-

Bruening G.B., Chang W.S. Cooled cooling air systems

ной концентрации растворенного кислорода в то-

for turbine thermal management. In: ASME 1999 Int.

пливе может эффективно ингибировать образо-

Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition,

вание отложений термически окисленного кокса.

Indianapolis, 1999. https://doi.org/10.1115/99-GT-014

Морфология поверхности кокса состоит в основ-

Maurice L.Q., Lander H., Edwards T., Harrison W.E.

ном из аморфных хлопьевидных частиц, но в ус-

Advanced aviation fuels: a look ahead via a historical

ловиях кислородного голодания большое количе-

perspective // Fuel. 2001. V. 80. P. 747-756. https://doi.

ство кокса игольчатой формы. Кроме того, диаметр

org/10.1016/S0016-2361(00)00142-3

частиц и содержание углерода в отложениях кокса

Venkataraman R., Eser S. Characterization of solid de-

становятся больше при более высокой начальной

posits from the thermal-oxidative degradation of jet fuel //

концентрации растворенного кислорода. Резуль-

Int. J. Oil, Gas Coal Technol. 2008. V. 1, P. 126-137.

таты измерений показывают, что концентрация

https://doi.org/10.1504/IJOGCT.2008.016735

растворенного кислорода нелинейно уменьшается

Parks C.M., Alborzi E., Blakey S.G., Meijer A.J.H.M.,

вдоль трубки, в то время как температура стенок и

Pourkashanian M. Density functional theory calculations

температура топлива повышаются, но с разной ско-

on copper-mediated peroxide decomposition reactions:

ростью. Чувствительность термически окисленно-

implications for jet fuel autoxidation // Energy Fuels.

го кокса к концентрации растворенного кислорода

2020. V. 34. P. 7439-7447. https://doi.org/10.1021/acs.

и температуре различна в разных осевых положе-

energyfuels.0c00918

ниях трубки. Количество кокса на входе в трубку

Mi J., Ye D., Dai Y., Xie H., Wu D., Sun H., Guo Y.,

увеличивается из-за большого температурного гра-

Fang W. Strategically designed macromolecules as

диента и достаточного количества растворенного

additives for high energy-density hydrocarbon fuels //

кислорода, в то время как образование термически

Fuel. 2020. V. 270. P. 117433. https://doi.org/10.1016/j.

fuel.2020.117433

окисленного кокса на выходе в основном связано

с прекурсорами кокса, образующимися на входе в

He M., Zhang Q., Liu X. Fouling formed on SS316L

трубку, и высокой температурой стенки и темпера-

tube surface from thermal oxidative degradation of exo-

tetrahydrodicyclopentadiene // Appl. Therm. Eng. 2017.

турой топлива.

V. 118. P. 464-470. https://doi.org/10.1016/j.applther-

maleng.2017.02.118

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Fu Y., Wen J., Tao Z., Xu G., Huang H. Surface cok-

Qin Huang, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-

ing deposition influences on flow and heat transfer of

6075-6681

supercritical hydrocarbon fuel in helical tubes // Exp.

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

908

QIN HUANG и др.

Therm. Fluid Sci. 2017. V. 85. P. 257-265. https://doi.

16.

Ervin J.S., Williams T.F. Dissolved oxygen concentration

org/10.1016/j.expthermflusci.2017.03.016

and jet fuel deposition // Ind. Eng. Chem. Res. 1996.

Fu Y., Xu G., Wen J., Huang H. Thermal oxidation

V. 35ю P. 899-904. https://doi.org/10.1021/ie950378j

coking of aviation kerosene RP-3 at supercritical

17.

Roan M.A., Boehman A.L. The effect of fuel composi-

pressure in helical tubes // Appl. Therm. Eng. 2018.

tion and dissolved oxygen on deposit formation from

V. 128. P. 1186-1195. https://doi.org/10.1016/j.applther-

potential JP-900 basestocks // Energy Fuels. 2004. V. 18.

maleng.2017.09.101

P. 835-843. https://doi.org/10.1021/ef034050b

Zhao L., Liu J., Zhang X. Influencing factors of autoxi-

18.

Zabarnick S., Zelesnik P., Grinstead R.R. Jet fuel depo-

dation kinetics parameters of endothermic hydrocarbon

sition and oxidation: dilution, materials, oxygen, and

fuels // Energy Fuels. 2019. V. 33. P. 8101-8109. https://

temperature effects // J. Eng. Gas Turb. Power. 1996.

doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b01506

V. 118. P. 271-277. https://doi.org/10.1115/1.2816588

10.

Alborzi E., Blakey S., Ghadbeigi H., Pinna C. Predic-

19.

Spadaccini L.J., Huang H. On-line fuel deoxygenation

tion of growth of jet fuel autoxidative deposits at in-

for coke suppression // J. Eng. Gas Turb. Power. 2003.

ner surface of a replicated jet engine burner feed arm //

V. 125. P. 369-377. https://doi.org/10.1115/1.1582497

Fuel. 2018. V. 214. P. 528-537. https://doi.org/10.1016/j.

fuel.2017.10.006

20.

Heneghan S.P., Zabarnick S. Oxidation of jet fuels and

the formation of deposit // Fuel. 1994. V. 73 P. 35-43.

11.

Alborzi E., Parks C.M., Gadsby P., Sheikhansari A.,

https://doi.org/10.1016/0016-2361(94)90185-6

Blakey S.G., Pourkashanian M. Effect of reactive sulfur

removal by activated carbon on aviation fuel thermal sta-

21.

Pei X., Hou L. Effect of dissolved oxygen concentration

bility // Energy Fuels. 2020. V. 34. P. 6780-6790. https://

on coke deposition of kerosene // Fuel Process Technol.

doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b04370

2016. V. 142. P. 86-91. https://doi.org/10.1016/j.

12.

Alborzi E., Gadsby P., Ismail M.S., Sheikhansari A.,

fuproc.2015.09.029

Dwyer M.R., Meijer A.J.H.M., Blakey S.G., Pourkasha-

22.

Jiang R., Liu G., Zhang X. Thermal cracking of hydro-

nian M. Comparative study of the effect of fuel deoxy-

carbon aviation fuels in regenerative cooling microchan-

genation and polar species removal on jet fuel surface

nels // Energy Fuels. 2013. V. 27. P. 2563-2577. https://

deposition // Energy Fuels. 2019. V. 33. P. 1825-1836.

doi.org/10.1021/ef400367n

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b03468

23.

Liu P., Zhang T., Zhou L., Chen Z., Li X. Experimental

13.

Liu Z., Tang S., Li Z., Qin Z., Yuan S., Wang L., Wang L.,

and numerical analysis on flow characteristics and pyrol-

Zhang X., Liu G. An improved kinetic model for deposi-

ysis mechanism of hydrocarbon fuel with a novel online

tion by thermal oxidation of aviation hydrocarbon fuels //

hybrid method // Energ. Convers. Manage. 2019. V. 198.

Fuel. 2019. V. 258. P. 116-139. https://doi.org/10.1016/j.

P. 111817. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.09.029

fuel.2019.116139

24.

Ervin J.S., Williams T.F., Katta V.R. Global kinetic

14.

Zhu K., Tao Z., Xu G., Jia Z. Surface deposition char-

modeling of aviation fuel fouling in cooled regions in

acteristics of supercritical kerosene RP-3 fuel within

a flowing system // Ind. Eng. Chem. Res. 1996. V. 35.

treated and untreated stainless-steel tubes. Part 1: Short

P. 4028-4036. https://doi.org/10.1021/ie960220e

thermal duration // Energy Fuels. 2016. V. 30. P. 2687-

2693. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5b02889

25.

Alborzi E., Dwyer M.R., Parks C.M., Sheikhansari A.,

15.

Qin Z., Liu Z., Wang L., Zhang X., Fu Y., Xu G., Liu G.

Mielczarek D.C., Zanganeh M., Meijer A.J.H.M.,

Synthesis and performance of a series of polyisobuty-

Blakey S.G., Pourkashanian M. Construction of a re-

lene-substituted succinic acid ester dispersants for re-

duced chemical kinetic mechanism for autoxidation of

ducing thermal oxidation deposition of jet fuel // Energy

n-paraffinic solvent - A model for aviation fuel // Fuel.

Fuels. 2020. V. 34. P. 5634-640. https://doi.org/10.1021/

2021. V. 294. P. 120170. https://doi.org/10.1016/j.fu-

acs.energyfuels.0c00230

el.2021.120170

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021