一种预防燃油热氧化结焦问题的燃料预混装置
技术领域
本发明涉及一种燃料预混装置，尤其涉及一种适用于燃料化学反应动力学测量时的预混装置。
背景技术
结焦是指燃油在高温条件下发生热氧化或者热裂解反应，生成大分子积碳颗粒，大分子积碳颗粒进一步聚集形成结焦沉淀物的过程。在对燃料的化学反应动力学进行研究时，需要提前制备均质预混合气，在制备均质预混合气的过程中，对于轻质易挥发的燃油来讲，在预混装置的帮助下对燃油进行加热搅拌后，燃油很容易蒸发，与空气混合形成均质混合气，但是对于重质不挥发性燃料，使用同样的方法在形成均质混合气过程中很容易在预混装置内出现燃油热氧化结焦现象，使得无法得到预期当量比的均质预混气，同时产生的结焦产物会附着在预混装置或者管道壁面上，影响设备的正常工作。
在传统的预混装置中，在确定燃料空燃比后，根据分压法将确定数量的氮气和氧气通入预混装置，随后再将对应质量的燃油注入预混装置，加热搅拌，静置大约两个半小时之后就能得到混合均匀的预混气体。但是由于以下几方面的原因，使得在预混装置中很容易发生热氧化结焦现象。
(1)燃油未经处理，其中存在含量大约为60ppm的溶解氧；
(2)预混装置的蒸发环境中存在大量氧气；
(3)预混装置中的环境压力大概在8-10个大气压，较高的环境压力导致燃油的馏程增大，为了保证燃油可以顺利蒸发，则需要相应提高预混装置中的环境温度，而高的环境温度增大了燃油发生热氧化结焦的可能性。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提出一种的燃料预混装置，在该装置中将燃油先进行脱氧处理，随后将脱氧燃油喷入只含有氮气(氮气未全部充入)的低压定容容器(预混罐)中蒸发，当燃油全部气化后，再根据分压和所需预混气的当量比将所需氧气和所需氮气充入容器内，最终形成允许误差范围内的预期空燃比的均质混合气，使用该燃料预混装置可以避免在形成混合气的过程中出现燃油的热氧化结焦现象，保证最终可以获得所需当量比的未发生结焦的均质预混气体。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种预防燃油热氧化结焦问题的燃料预混装置，包括燃油注入系统、氮气注入系统、燃油脱氧装置、废气回收系统和燃油预混系统，所述燃油注入系统包括燃油箱，所述燃料箱的出口依次连接有燃油滤清器、燃油泵和液体流量计A；所述氮气注入系统包括氮气瓶A和氮气分流器，自所述氮气瓶A的出口至所述氮气分流器顶部的入口之间依次连接有气体干燥器A、气泵A和气体流量计；所述废气回收系统包括废气回收装置，所述废气回收装置的入口处设有真空泵；所述燃油脱氧装置设有顶部废气出口和底部出油口，在所述燃油脱氧装置的底部侧面设有燃油入口；所述氮气分流器位于所述燃油脱氧装置中，所述氮气分流器的氮气出孔与所述燃油脱氧装置的壁面成向上的55°夹角；所述燃油入口与所述液体流量计A的出口相连接，所述顶部废气出口连接至所述废气回收系统的真空泵的入口，所述底部出油口与液体流量计B的入口相连接；所述燃油预混系统包括预混罐、氧气瓶和氮气瓶B，自所述氧气瓶至预混罐之间依次连接有气体干燥器B和气泵B；自所述氮气瓶B至预混罐之间依次连接气体干燥器C和气泵C；所述预混罐内设有磁力搅拌器，所述预混罐的顶部设有喷油器，所述喷油器的入口与所述液体流量计B的出口相连接；经燃油脱氧装置处理后的脱氧燃油从所述燃油脱氧装置的底部出油口流出，经过所述液体流量计B到达所述喷油器。
进一步讲，本发明所述的预防燃油热氧化结焦问题的燃料预混装置，其特征在于，所述氮气分流器呈上宽下窄的锥台壳体，所述氮气分流器的侧面均布有若干个氮气出孔，每个氮气出孔的开口均斜向上55°，所述氮气分流器的底部设有通孔。
所述燃油脱氧装置的底部出油口以及顶部废气出口处附近均安装有氧传感器，用以检测所述燃油脱氧装置产生的废气中以及燃油脱氧装置内燃油中的氧含量。
所述预混罐的体积为20L，预混温度为500K，在喷油器喷射燃油之前，将所述预混罐抽至真空，并预热至500K，随后向所述预混罐中注入0.4875mol的纯净氮气，使得所述预混罐内此时的缸压保持101.325±1kPa。
所述的气体干燥器A、气体干燥器B和气体干燥器C均为两级气体干燥器。
所述燃油箱与所述燃油脱氧装置之间的连接管道，所述废气回收装置与所述燃油脱氧装置之间的连接管道，所述氮气瓶A与所述燃油脱氧装置之间的连接管道，所述喷油器与所述燃油脱氧装置之间的连接管道，所述氧气瓶至所述预混罐之间的连接管道，所述氮气瓶B至所述预混罐之间的连接管道上均设有单向阀。
所述的气泵A、气泵B、气泵C和燃油泵均为电控。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
使用本发明燃料预混装置进行处理后的燃料溶解氧含量大大降低，每升待处理燃油，在0.1L/min的氮气通入速度下，经过8-10min就可以被处理完成，拥有较快的脱氧处理速度。同时处理后的脱氧燃油随即就被通入燃油预混装置，在500K标准大气压，纯氮气的条件下进行蒸发，相比于原先500-550K,8-10个大气压，空气的蒸发环境，环境压力大幅减小，蒸发环境不含氧气，蒸发温度与燃油的馏程相当，大大加快了燃油的蒸发速度，降低了热氧化结焦的可能性，在能够保证可以获得确定当量比的预混气的同时避免燃油结焦。
本发明的燃料预混适用于燃料化学反应动力学测量时的预混气制备工作，本发明中的燃油脱氧系统可以对少量燃油进行快速脱氧处理，脱氧之后的燃油随即就被通入喷油器，避免脱氧燃油在常规燃油转运过程中重新吸附溶解氧导致的变质问题，并且本发明中燃油在燃油预混装置中进行与常规燃油预混装置不同的低压高温无氧蒸发，既提高了燃油的蒸发速度降低燃油长时间受热导致裂解的风险，同时还降低了燃油热氧化结焦的可能性。
附图说明
图1本发明的燃料预混装置的结构示意图；
图2是本发明中所用氮气分流器的结构简图。
图中：
1-燃油箱2-燃油滤清器 3-燃油泵4-液体流量计A
5-废气回收装置6-真空泵 7-燃油脱氧装置8-氮气分流器
9-气体流量计10-气泵A 11-气体干燥器A12-氮气瓶A
13-液体流量计B14-喷油器15-氧气瓶 16-气体干燥器B
17-气泵B18-气泵C 19-气体干燥器C20-氮气瓶B
21-预混罐 22-磁力搅拌器
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，本发明提出的一种预防燃油热氧化结焦问题的燃料预混装置，包括燃油注入系统、氮气注入系统、燃油脱氧装置7、废气回收系统和燃油预混系统。
所述燃油注入系统包括燃油箱1，所述燃料箱1的出口依次连接有燃油滤清器2、燃油泵3和液体流量计A4。
所述氮气注入系统包括氮气瓶A12和氮气分流器8，自所述氮气瓶A12的出口至所述氮气分流器8顶部的入口之间依次连接有气体干燥器A11、气泵A10和气体流量计9。
所述废气回收系统包括废气回收装置5，所述废气回收装置的入口处设有真空泵6。
所述燃油脱氧装置7设有顶部废气出口和底部出油口，在所述燃油脱氧装置7的底部侧面设有燃油入口；所述氮气分流器8位于所述燃油脱氧装置7中，所述氮气分流器8的氮气出孔与所述燃油脱氧装置7的壁面成向上的55°夹角，所述燃油入口与所述液体流量计A4的出口相连接，所述顶部废气出口连接至所述废气回收系统的真空泵6的入口，所述底部出油口与液体流量计B13的入口相连接。
所述燃油预混系统包括预混罐21、氧气瓶15和氮气瓶B20，自所述氧气瓶15至预混罐21之间依次连接有气体干燥器B16和气泵B17；自所述氮气瓶B20至预混罐21之间依次连接气体干燥器C19和气泵C18；所述预混罐21内设有磁力搅拌器22，所述预混罐21的顶部设有喷油器14，所述喷油器14的入口与所述液体流量计B13的出口相连接；经燃油脱氧装置7处理后的脱氧燃油从所述燃油脱氧装置7的底部出油口流出，经过所述液体流量计B13到达所述喷油器14。
如图2所示，本发明中，所述氮气分流器8呈上宽下窄的锥台壳体，所述氮气分流器8的侧面均布有若干个氮气出孔，图2中的实短线代表出氮气出孔的位置，每个氮气出孔的开口均斜向上55°，这样的出孔分布有利于在燃油中形成氮气旋流，促进氮气与燃油的混合，加速氧气置换。同时，所述氮气分流器8的底部设有通孔，是为了促进底部燃油与氮气的混合，避免沉积在燃油脱氧装置7底部的燃油未参与置换脱氧。
本发明中，所述燃油脱氧装置7的底部出油口以及顶部废气出口处附近均安装有氧传感器，用以检测所述燃油脱氧装置7产生的废气中以及燃油脱氧装置7内燃油中的氧含量，当流出燃油脱氧装置7产生的废气中不含氧气以及燃油脱氧装置7内燃油中的氧含量均小于等于1ppm时，默认为燃油脱氧完成。
本实施例中，假设燃油预混系统中的所述预混罐21的体积为20L，预混温度为500K，在喷油器14喷射燃油之前，先用真空泵将将所述预混罐21抽至真空，并预热至500K，随后向所述预混罐21中注入0.4875mol的纯净氮气，使得此时的所述预混罐21内的罐内压力保持在101.325±1kPa。通过以上操作，给后续脱氧燃油的蒸发构建了一个高温低压且无氧的蒸发环境，低的罐内压力使得脱氧燃油的馏程降低，提高了燃油的蒸发速度，降低了燃油长时间受热导致裂解的风险，无氧的蒸发环境降低了脱氧燃油在蒸发过程中发生热氧化结焦的可能性。
本发明中，所述的气体干燥器A11、气体干燥器B16和气体干燥器C19均为两级气体干燥器。所述燃油箱1与所述燃油脱氧装置7之间的连接管道，所述废气回收装置5与所述燃油脱氧装置7之间的连接管道，所述氮气瓶A12与所述燃油脱氧装置7之间的连接管道，所述喷油器14与所述燃油脱氧装置7之间的连接管道，所述氧气瓶15至所述预混罐21之间的连接管道，所述氮气瓶B20至所述预混罐21之间的连接管道上均设有单向阀。所述的气泵A10、气泵B17、气泵C18和燃油泵3均受电控装置精确控制。
本发明工作原理：
1)在常温下，打开真空泵6将燃油脱氧装置7抽真空，然后将过滤后的重质不挥发的含有溶解氧的燃油经燃油注入系统通入燃油脱氧装置，然后打开氮气注入系统，氮气经氮气分流器8不断地被通入燃油中，由于氮气分流器8的开孔与燃油脱氧装置7的壁面成55°夹角，促进氮气在燃油中产生旋流，有利于氮气与燃油的混合，在燃油脱氧装置7中由于环境内气体组成的改变，为了保持平衡，燃料中气体的组成也会发生变化，气液两相氧含量的关系根据Henry定律可知，燃料中的溶解氧会被氮气置换出来，被置换出的含有溶解氧的气体通过燃油脱氧装置7的顶部废气出气口排出，被收集至废气回收装置5中。
2)当安装在燃油脱氧装置7顶部的废气出口附近的氧传感器检测到流出燃油脱氧装置7的气体不含氧气并且安装在燃油脱氧装置7底部的燃油出口附近的氧传感器检测到燃油中溶解氧含量低于1ppm时，关闭燃油脱氧装置7的顶部废气出口和氮气注入系统，同时，打开所述燃油脱氧装置7的底部出油口。该出油口的另一端连接至所述喷油器14，喷油器14向充满氮气的预混罐21中注入精确质量的脱氧燃油。
3)在燃油被喷入预混罐21之前，将预混罐21抽真空，随后向内注入0.4875mol的纯净氮气，并将预混罐21预热至500K，确保预混罐21内的压力可以维持在101.325±1kPa；随后脱氧燃油被喷入预混罐21，在磁力搅拌器22的搅拌下蒸发，形成燃油蒸气，待燃油全部蒸发后，再根据分压以及所需预混气的当量比将所需氧气与剩余氮气入预混罐21中，从而形成预期当量比的均质预混气。为了将氧气、氮气与燃油完全混合，本发明中将所需量的氮气分成了两部分，采用“两步走”的策略，先让燃油与一部分氮气混合，然后再将混合好的混合物与氧气和所需量的另一部分氮气混合。
实施例：
以RP-3以及JP-5两种燃油为例，叙述本发明的工作过程。
1)利用真空泵6将燃油脱氧装置7抽至真空；然后，将100ml待处理燃油在燃油泵3的作用下从燃油箱1流经燃油滤清器2滤清以及液体流量计A4计量后最终注入燃油脱氧装置7中；
2)氮气瓶12中的氮气在气泵A10的加压下经过气体干燥器A11以0.01L/min的流速流入氮气分流器8中；
3)氮气分流器8如图2所示，其侧部开有斜向上55°角的出气孔，底部开有垂直向下的出气孔。氮气分流器8侧部的斜开孔使得高速流出的干燥氮气与燃油脱氧装置7的壁面碰撞产生旋涡，促进干燥氮气与燃油的混合，氮气分流器8底部的开孔则是为了保证沉积在燃油脱氧装置7底部的燃油也参与脱氧。夹带有溶解氧以及少量燃油蒸气的氮气随后进入燃油脱氧装置7的空腔内；
4)随着干燥氮气的持续充入，燃油脱氧装置7的空腔内的压力逐渐增加，先前置换产生的含有溶解氧和少量燃油蒸气的废气经燃油脱氧装置7顶部的出气口最终进入废气回收装置5中；
5)当安装在燃油脱氧装置7顶部的废气出口的氧传感器检测到流出废气不含有氧气并且安装在燃油脱氧装置7底部的出油口的氧传感器检测到燃油中溶解氧含量低于1ppm时，此时可认为燃油已经完成脱氧，关闭气泵A 10，停止充氮脱氧行为，这段时间大概持续8-10分钟；
6)打开燃油脱氧装置7底部的出油孔，脱氧后的燃油流经液体流量计B13，到达喷油器14，随后喷油器14将精确质量的脱氧燃油注入预混罐21中；
7)在喷油器14向预混罐21内注入燃油之前，将预混罐21抽真空；
8)随后打开气泵C18，在室温下向预混罐21内泵入0.4875mol的氮气，随后将预混罐21预热至500K，确保此时预混罐21内的压力处于101.325±1kPa。
9)待上述步骤7)、步骤8)完成后，步骤6)中的脱氧燃油被喷入预混罐21，在磁力搅拌器22作用下，经过两个小时，燃油被完全蒸发形成燃油蒸气。
10)最后，打开气泵B17和气泵C18，根据分压以及所需预混气的当量比将所需已预热氧气与所需已预热氮气通入预混罐21，与完全蒸发的燃油蒸气混合，最终形成确定当量比的均质预混气。
本实施例处理后的RP-3和JP-5物化特性如下表所示。
综上，本发明燃料预混装置通过充氮法对燃油中的溶解氧进行置换，当燃料处于纯氮气环境时，根据Henry定律，燃料中的溶解氧在氮气置换以及浓度差的影响下会扩散至氮气环境中，使得燃油中的溶解氧含量下降至1ppm左右；本发明燃料预混装置可以确保燃油在低压纯氮气环境中蒸发，随后再通入氧气和其余氮气。低压纯氮气的蒸发环境避免燃油与环境中的氧气反应发生热氧化结焦。同时在低压环境下燃油馏程降低，使得预混装置中的蒸发温度可以相应减小，降低燃油发生热氧化结焦的可能性，并且低的环境压力，使得燃油液体分子的内部作用力减小，在相同的蒸发温度下更有利于燃油蒸发，缩短混合气的制备时间，减小了长时间加热导致燃料裂解变质的可能性。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
