航空煤油的闪点及化学组成外文翻译资料

航空煤油的闪点及化学组成

1.介绍

作为1996年7月17日TWA 800事故调查的一部分，本研究是加利福尼亚理工学院（Caltech）爆炸动力学实验室进行的航空煤油（Jet A）爆炸危险研究计划的一部分，是由国家运输安全委员会（NTSB）资助。

在这次事故后，NTSB提出了旨在减少飞机燃料箱易燃性和爆炸危险的安全建议（NTSB，1996）。这些建议包括使潜在点火源最小化，降低罐温度，惰化空余部分，尽可能提高燃料闪点。根据这些建议，FAA（FAA，1997）要求航空工业（通过航空监管行动委员会或ARAC）考虑与油箱可燃性有关的各种问题。 ARAC研究（ARAC，1998）包括考虑燃料闪点修正。 ARAC小组的结论是，要求将闪点增加到至少140°F，以将中心罐的暴露水平降低到翼舱所经历的水平。随后，FAA提出了管理燃油箱系统的新规则（FAA，1999），并对中心燃油箱系统设计进行了审查，其中包括“最大限度减少燃油箱中可燃蒸气产生的措施，或防止在点火时发生灾难性损坏的措施”。

作为ARAC研究的一部分，燃料补给者考虑了各种由闪点增加所带来的成本。然而，这项研究是在缺少改变闪点以降低燃油箱可燃性所带来的影响的数据情况下进行的。这里存在一个隐含的假设，即闪点的增加是程度，相当于于降低燃油的温度。但是没有支持这个假设的测试数据或分析。事实上，对于诸如航空煤油这类复杂燃料的组成，闪点和火花或热点火危险之间的关系从未被详细研究，这是本研究的动机。

对于像Jet A这样的燃料,建立其燃料成分、闪点和火花点火危险之间的关系有困难是因为有多种因素的影响。航空煤油是复杂的混合物，含有不同量的数百种物质，而且原油开采、精炼过程和使用年限也会影响其组成。蒸汽组成不同于液体的组成，它十分依赖于温度，并且在较小程度上取决于质量负载测量的燃料箱中液体燃料的量和液体质量与总燃料箱容积的比率。最后，燃料蒸汽的爆炸危险取决于点火源的性质。石油工业和燃料安全分析人员通常依靠测量闪点来分类不同燃料的爆炸危险性。对于多组分燃料，闪点与火花点火或热表面点火的关系则是庞大的未知领域。此外，闪点是在特定压力和质量负载下得出的经验燃料性质。

本报告的研究是了解一组特定Jet A燃料的蒸汽组成与闪点之间的关系的第一步。在文中有简要的提及闪点和点火能量之间的关系，而详细的点火能量研究则发表在Shepherd et al（1998）和Lee和Shepherd（1999）。

1.1 研究纲要

本研究基于ARCO产品公司（ARCO）制备的八种燃料。从Jet A的生产批次开始，闪点为114°F（45.6℃），通过蒸馏和混合七种其他燃料产生ARCO，其中一些燃料的闪点范围在84°F（29℃）和165°F（74 ◦C）之间。 ARCO表征了闪点，并对每种燃料的液体性质进行了分析。

燃料的液体和蒸气的化学分析是由内华达州内诺瓦大学环境科学与工程中心（UNR）进行的。 使用顶空气相色谱（GC）来确定在三个温度（40,50和60℃）和两个体积比（3和400kg/m³）下，从C5到C13的燃料蒸汽组分的分压。

加州理工学院对每种燃料类型进行了闪点点测量，对基础燃料进行了物理蒸汽压测量，并分析了顶空GC结果，还对一部分燃料进行火花点火测量。使用可燃极限的实证理论来关联GC数据，闪点和火花点火极限。

2喷气燃料及其特征

ARCO（DeJovine，1998）为Caltech提供了Jet A样品，该样品已经处理以获得在84°F（29°C）和165°F之间的一系列闪点。ARCO对燃料和色谱（PIANO1分析）进行了标准化测试，来表征液体燃料的性质。

2.1 燃料制备

燃料由ARCO用从来自其商业喷气燃料的生产的共同原料制备。通过蒸馏从基础燃料中除去连续量的轻馏分以产生更高的闪点混合物。将少量的塔顶馏出物加入到基础燃料中以将闪点降低至85°F。所使用的蒸馏塔和程序在ASTM标准测试方法D2892中有描述。蒸馏基础燃料（Jet A），收集第一2.5 wt（重量）％的塔顶馏出物（OH）（馏出物指定为2.5wt％OH）。通过将91 wt％的基础燃料与9 wt％的塔顶馏出物（2.5 wt％OH）混合，产生较低闪点（84-87°F）的燃料。所得燃料共混物在本报告中由馏出物名称“2.5 wt％OH”表示。较高闪点燃料通过蒸馏基础燃料并仅保留蒸馏塔底部分（​​Btm）而产生。这些燃料根据用于产生它们的初始燃料重量的分数来指定。名称“x wt％Btm”中的x值表示从该批次中除去初始的100-x wt％馏出物。 以增加的燃烧点顺序，燃料是：一批富含9wt％轻质烃（2.5 wt％OH）的基础喷气燃料A，一批Jet A（基础燃料）和六批浓缩重烃从最低摩尔质量（97.5 wt％Btm）到最高（％Btm）的混合物基射流。

2.2 液体燃料的特征

ARCO的特点在于使用PIANO方法得到的液体燃料的组成，并且通过UNR使用气相色谱方法和与参考烃的比较来分析相同的燃料。 此外，ARCO进行了Jet A的ASTM D1665规范中要求的所有测试，并证明这些燃料满足或仅略微偏离了所有测试的要求。

2.2.1 ARCO液体分析

PIANO代表Para（P），Iso-para ffi（I），Aromatics（A），Naphthenes（N）和Olefin（O）。 将约1微升或更少的液体样品以约200:1的分流比注入100米GC柱中。使用火焰离子化检测器和保留时间库来鉴定碳数最多为14的化合物。该方法基于ASTM测试方法D 5134-92，但使用100米毛细管柱代替50米柱。 PIANO方法主要用于汽油样品，这就是为什么它限于碳数小于14的化合物。任何C15化合物或更重的则被报告为未知。这是50％的Jet A样品被报告为未知的主要原因，因为Jet A比汽油重得多。在加州理工学院的GC-MS研究中，在类似的燃点喷射A样品（Shepherd等人，1997）中具有高达C20的化合物，如UNR在他们的研究中。

2.2.2 UNR液体分析

通过将净液体注入气相色谱仪并使用火焰离子化检测器确定由碳原子数分组的化合物的保留时间，在UNR（Woodrow，2000）分析了相同的燃料。针对具有5至20个碳原子的混合烃标准物校准GC，并且如下面在2.4节中进一步描述的那样分析数据。该分析方法不区分不同类型的分子（烷烃对芳族化合物等），但确实具有基本上所有液体被量化的优点，与不识别约50％质量的PIANO方法不同。

碳 含 量

图1：使用ARCO的PIANO方法测量的八种ARCO燃料的液体组成（DeJovine，1998）。 碳分数按质量百分比计; 大约50％的质量没有量化。

闪 点 (C)

图2：使用ARCO的PIANO方法测量的八种ARCO燃料的液体组成（DeJovine，1998）。 各种分子类型的分数; 大约50％的质量没有量化。

2.3 闪点

燃料灰分由ARCO和Caltech用Tag闭杯装置测量，结果列于表1和图2。燃料的闪点不是基本属性，而是在一种特定的燃料负荷和大气压力下进行标准化试验的结果。

碳 含 量

图3：由UNR测量的八种ARCO燃料的液体组成（Woodrow，2000）。

用于测量燃料的闪点的最常用的标准测试方法是由美国材料试验协会（ASTM D56，1988）命名的D56（标签测试仪）。该方法通过在130ml体积的容器中逐渐加热50ml燃料来测量闪点。规定加热过程中的温度间隔，在容器中的液体上方产生的蒸汽与小火焰接触一秒钟。第一次点燃发生的温度是“闪点”。注意，并非是连续燃烧，而仅仅是瞬时燃烧或“闪蒸”。如ASTM D56文档中所讨论的，该测试的重复性和再现性已经通过在相同样品上的多次试验确定。对于本研究中关注的温度范围，相同操作者的连续测量之间的重复性将超过二十分钟中的一个情况下的1.1℃。不同实验室之间的重现性报告超过2.2◦C，只有二十个中的一个。

在D56试验中，在大约300kg/m³（略小于半满容器）的质量-体积比下测量闪点，其可以根据以下的可燃性分类为高质量-体积比：燃料蒸汽（Shepherd等人，1998，Lee和Shepherd，1999）。在这项研究中，在高质量-体积比的闪点和蒸汽压力测量用于将闪点与燃料-空气质量比和勒夏特勒规则相关联。

注意，没有公认的方法用于将由ASTM D56测量的闪点外推到其它质量负载和初始压力。一旦我们将闪点与其它蒸气性质相关联，实际上可以将闪点概念合理地延伸到其他条件。这对于航空安全研究是非常感兴趣的，因为在典型的运输飞机飞行过程中遇到各种燃料箱负载和高度（压力）。在TWA 800碰撞的情况下，爆炸条件是质量-体积比为3kg/m³，高度为14kft（压力为0.585bar）。

表1：燃料闪点

lowast;该值于1999年9月由ARCO重新评估

图4：使用标签闭杯式测试仪（ASTM D56,1988）在CIT测量的表1的八种ARCO燃料的闪点，由ARCO（DeJovine，1998）测量。

2.4 气相色谱

联合国安理会的詹姆斯·伍德罗分析了喷气燃料蒸汽，并向加利福尼亚理工学院提供了数据（伍德罗，2000年）。顶空GC法（伍德罗和Seiber，1997）被用于确定单独的燃料组件和总蒸汽压为在表1中的总蒸汽压列出八个燃料样品的分压。通过假定由仅仅几种正烷烃参考标准组成的喷气燃料蒸汽的模型，即喷气燃料蒸汽，烃的复杂混合物，没有被完全表征。测量在40℃，50℃和60℃（104℃，122℃和140F），蒸汽体积与液体比（V/L）为1.2（半填充罐;〜400kg/的274（几乎空箱;〜3kg/m³）。对于一些样品，使用混合烃标准物校准该方法，其由正烷烃戊烷（C₅H₁₂）至十二烷（C₁₂H₂₆）或十三烷（C₁₃H₂₈）的等体积混合物组成。以与燃料样品相同的方式处理混合标准品。使用烃标准品的GC保留时间，将燃料蒸气色谱图分成八个子部分（C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12），有时为9个（具有C13）。每个小节大约以烃标准品的保留时间为中心，使用指定的碳数。将每个子部分中的峰面积求和并在蒸气密度回归方程中作为单峰处理，以计算子蒸气密度。后者用于计算燃料样品的子部分分压。将子部分分压相加以获得每种燃料的总蒸气压。

3 数据分析

主要目标是将实验测定的闪点与测得的蒸气组成相关联。做到这一点，我们需要将闪点与燃料蒸汽的一些平均性质相关联。 经验模型的可燃性提出至少两个这样

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