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【COSMOLOGIC应用实例】喷气燃料中的溶解水:低温质量和水溶性研究
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【COSMOLOGIC应用实例】喷气燃料中的溶解水:低温质量和水溶性研究

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热力学性质(溶解度、粘度等)
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摘要:

航空燃料的水污染是不可避免的。了解溶解水对燃料性质和水-燃料相互作用的影响是至关重要的。在本研究中,测定了溶解水对航空燃料低温品质的影响。在温度升高的情况下,由于燃料水溶性的增加,液体-固体相变温度随着喷气燃料中溶解水的饱和而升高。基于综合GC×GC色谱法获得的燃料成分数据,采用现实溶剂化类导体筛选模型(COSMO-RS)方法预测了石油和可持续航空燃料(paf和SAFs)在−40~50◦C温度范围内的水溶性。在温度低于20℃时,计算结果与实验值吻合良好,paf和SAFs的RMSE分别为17.1和17.7ppm。计算这些复杂燃料化学物质的结果比计算简单的PAF和SAF替代品的结果更接近于预测实验值。COSMO-RS还用于计算PAF和SAF共混物中的水溶性(RMSE=18.3ppm)。结果表明COSMO-RS方法具有作为新型SAF认证工具的潜力。

 

引言:

飞机燃油系统中微量水的存在是不可取的,也是不可避免的,有可能造成灾难性后果。水通常以溶解或“游离”的形式存在于液体燃料中。

 

在本研究中,研究了不同温度(20-60◦C)下饱和水paf的低温特性,以确定溶解水对燃料液固相变的影响。基于West等人报道的paf、saf及其共混物对应的GC×GC组成,采用现实溶剂化类导体筛选模型(COSMO-RS)预测其水溶性,并将结果与在−40至50◦C温度范围内报道的实验值进行比较,还对paf和saf的替代混合物进行了COSMO-RS计算。

 

计算细节:

COSMO-RS由Klamt博士于1995年开发,已成为许多数据驱动的经验预测方法的替代方案,并已广泛用于预测液体系统的相平衡和热力学性质。使用BIOVIA TmoleX 软件(Dassault systemmes,德国)对碳氢化合物进行量子化学计算;利用密度泛函理论(DFT)和三zeta价极化(TZVP)基组进行几何优化。BIOVIA COSMOtherm 2021(Dassault Syst’emes,德国)利用生成的碳氢化合物分子,基于零阶近似计算纯碳氢化合物或碳氢化合物混合物在虚拟液相中的水溶性。

 

结果与讨论:

将样品瓶从HDGD中取出后立即准备DSC锅。图1 (A)为未经过水平衡和高温处理(未处理)的Jet A、F-24和JP-5干燥后的DSC冷却曲线。图1 (B-D)用水-燃料平衡温度(T方程)绘制了三种paf的Tpeak和Tonset,并与未处理样品进行了比较。喷气机A和F-24的Tpeak 和Tonset 增加与Tequ几乎呈线性关系(图1(B)和(C)),而喷气机JP-5的T峰和T起效变化在20-50◦C之间不显著。

图2(A)和(B)分别显示了COSMO-RS计算的正癸烷和乙基苯的水溶性,并根据实验确定的/IUPAC-NIST推荐值绘制。COSMO-RS预测值与West等人报道的实测值和IUPAC-NIST推荐值具有良好的相关性。

COSMO-RS计算的5个paf和8个saf的水溶性与相应的实验值绘制在图3和SI图中S4-S5。例如,RP-3和ATJ(图3(A)和(B))在−40至50◦C温度范围内的RMSEs为32-71和~39ppm。对于广泛研究的RP-3(图3(A)),在−40至20◦C的温度范围内,GC×GC RMSE为6.6ppm,而替代RMSEs的平均值为11.5ppm。基于GC×GC数据的ATJ(图3(B))计算结果非常相似. 混合物的RMSEs为83.1ppm,与paf和SAFs的RMSEs相似,在-40至50◦C的温度范围内进行计算时,RMSE为75.6和79.1ppm,而-40-20◦C范围内的RMSE明显较低,paf、SAFs和混合物的RMSE分别为17.1、17.7和18.3ppm(图3(C)-(E))。

总结:

在20~60℃的温度范围内,研究了3种水饱和paf的液固相转变,根据所报道的替代物和GC×GC组成数据,选择43种碳氢化合物代表相应的亚族碳氢化合物,采用COSMO-RS方法计算了paf和SAFs的水溶性。得出以下结论:

1. 由于燃料水溶性的增加,液固相转变温度随着水-燃料平衡温度的升高而升高。

2. 燃料中含水量的增加对相变焓没有显著影响,JP-5的ΔHL-S约为F-24和JetA的4倍。

3. COSMO-RS可用于计算纯碳氢化合物、paf和saf中的水溶性,甚至在T<0◦C,结果与IUPAC-NIST推荐一致(T>0◦C)。

4. 虽然COSMO-RS可能会高估paf和saf的水溶性,但当T>20℃;当温度为-40~20◦C时,计算值与实验值吻合较好。

5. COSMO-RS能够根据paf和SAF的GC×GC组成计算各种燃料混合物中的水溶性,这将有利于未来SAF认证和最大混合比的确定。

6. COSMO-RS已被证明是一种快速、准确的计算燃料中水溶性的技术,即使在T<0℃也是如此,同时,也可用于减少或取代使用昂贵和耗时的实验。

7. 未来的研究将扩大COSMO-RS和GC×GC成分数据在计算其他燃料性质方面的应用。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125950

 

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