金属镍对碳氢燃料的催化结焦作用任务+开题+综述+正文.docx

1、金属镍对碳氢燃料的催化结焦作用任务+开题+综述+正文任务书一、题目镍及其金属氧化物对烃类裂解结焦的催化作用二、主要内容和基本要求（指明本课题要解决的主要问题和大体上可从哪几个方面去研究和论述该主要问题的具体要求） 吸热型碳氢燃料是针对高超音速飞行器的热管理问题而提出的一类新型燃料，它的最大特点是在进入发动机燃烧室燃烧之前流经飞行器高温部件表面，利用物理吸热和化学裂解吸热将飞行器高温部件的热量带走，同时裂解成燃烧性能优良的小分子产物并将吸收的热量在进入燃烧室后再次释放，这种模式一方面起到了一种冷却飞行器高温部件的作用，另一方面又储存了热能，大大提高了燃烧效率，减小了飞行器的往返负载，所以一经提出

2、就受到了各航天大国的重视并竞相展开研究。吸热型碳氢燃料有几个重要的性能参数，如结焦性能，热安定性和热沉。本实验以液态烃类为碳源，镍及其化合物为催化剂，在气相沉积法观察其在碳氢化合物热裂解反应中结焦现象。采用SEM、TEM、EDS、TG/DSC和XRD等分析手段对焦状物进行表征分析。考查催化剂以及碳源对结焦的影响。研究内容：1.建立一套气相沉积法催化结焦的装置。2.初步确定催化结焦的工艺参数3.考察催化剂、温度和碳源的浓度对结焦量和焦形态的影响。三、起止日期及进度安排起止日期：2010年12月10日 至2011年4月20日进度安排：序号时间内容12010.12.10至2010.12.30相关文献

3、的查阅、实验方案制定22011.1.3至2011.1.18实验前期准备与摸索实验32011.2.20至2011.02.28考察实验的影响因素，优化工艺条件42011.03.01至2011.04.20毕业论文撰写四、推荐参考文献（理工科专业应在5篇以上，文科类专业应在8篇以上，其中外文文献至少2篇。）1李祖光, 高涵, 厉刚, 何肇瑜, 林瑞森, 宗汉兴, 吸热型碳氢燃料的量热研究J,推进技术,1999,20(4), 92-95.2郭永胜,蒋武,林瑞森,新型热量计的研制及其在吸热型碳氢燃料热沉测定中的应用J,化学学,2002, 60(1), 55-59.3冯利利,朱岳麟,冯业全,郭红,吸热碳氢燃

4、料热沉测量实验装置的设计与性能测试J,宇航计测技术,2007, 27(2), 14-17.4贺芳,禹天福,李亚裕,吸热型碳氢燃料的研究进展J,导弹与航天运载技术,2005, 27(4), 26-29.5Li S C, Varatharajan B, Williams F A. 39th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit RenoP, NV, 2001, AIAA-2001-1074.6高涵,李祖光,厉刚等.吸热型碳氢燃料催化脱氢的研究述评J.推进技术, 1998, 19(4): 101 104.7Nixon A C, Ackerman G.H,

5、 Hawthorme R D, etal Vaporization and endotherm ic fuels for advanced engine applications P. AFAPL TDR 64 - 100, Part, 1964.8李玉敏.工业催化原理M.天津:天津大学出版社,1992.9张波,林瑞森,王彬成等.银镧改性混合型吸热碳氢燃料裂解分子筛催化剂的研究J.化学学报, 2002, 60(10):1754 1759.开题报告高分子材料与工程镍及金属氧化物对烃类裂解结焦的催化作用一、选题的背景和意义高超声速飞行器的研制己成为当今世界航空航天领域发展的热点，受到高度重视。飞行

6、器高速飞行时，克服空气阻力而产生大量的热，由此产生的温度称为滞止温度（Stagnation temperature）。飞机在超音速和高超声速飞行时蒙皮温度要远高于亚声速飞行时的温度。随着飞行速度的增加，粘性阻滞导致温度升高，使得热负荷成倍增加，这对材料的耐温性能提出了更为苛刻的要求。飞行器的热管理问题已成为高超声速飞行器发展过程中亟待解决的关键问题。采用机械致冷系统或非可燃冷却剂虽可有效冷却,但会增加飞行器的负载。最便捷的冷却源是飞行器所携带的燃料，此时燃料承担冷却和推进的双重任务，吸热燃料由此被提出了。随着发动机和飞行器研究的不断深入和对燃料的冷却能力要求的不断提高，催化技术特别是分子筛催化

7、剂的迅猛发展，为吸热型碳氢燃料的催化裂解研究奠定了基础。在现有的技术阶段，对结焦的研究在各方面都有一定的认识，但是，在结焦的形貌和量的研究上还是存在不少问题。各研究领域以研究抑制结焦为主，运用了很多的方法，但是都没有在本质上得到解决。研究吸热型碳氢燃料的裂解，关键在于裂解催化剂的研究。根据热力学数据可知，燃料裂解生成乙烯、丙烯和丁烯等不饱和烃，是吸热反应，有利于燃料吸热，且烯烃的碳原子数越少，吸收的热量越多；裂解生成甲烷、乙烷和丙烷等饱和烃是放热反应，不利于燃料吸热，且饱和碳原子数越多，吸热越少。燃料在裂解时，不但要尽可能高的提高裂解转化率，而且要尽可能多的产生不饱和烯烃。烃类燃料在裂解过程中

8、会不可避免地产生碳沉积，进一步受热结焦。当烃类燃料用在发动机上，产生的结焦会带来许多如堵塞阀门、降低热交换效率、发生渗碳现象降低金属抗氧化性和稳定性、引起催化剂失活等的不利影响。所以，抑制或阻止碳沉积(结焦)是碳氢燃料作为冷却剂在未来超音速飞行器上使用的关键。本课题拟围绕未来超声速和高超声速飞行器对燃料的燃烧和吸热双重要求，着重研究不同模型燃料的热沉、裂解、结焦及其抑制等问题，为吸热型碳氢燃料的化学组成的调配和改性等提供重要的实验数据和理论基础。实验以吸热型烃类燃料作为碳源，考察镍及其金属氧化物对碳氢燃料结焦催化作用和反应机理，为催化结焦及其抑制提供实验数据和理论支持。二、研究目标与主要内容（

9、含论文提纲）如上述所提到的，在航天或其他事业中，通常运用到碳氢燃料，同时也出现了结焦的问题。本课题通过研究几种碳氢燃料在Ni及其金属氧化物表面的结焦特征，为结焦方面的研究提供基础数据。在实验中，将压强和载气流速作为不变因素，改变反应温度或反应时间来考虑对结焦的影响。本实验采取的是单因素变量，有利于控制变量，并且容易得出结论。本实验具有一定的特色和创新之处，例如，在催化剂形态选择方面，采用微米级粉末，增大其催化活性的比表面积；采用30段程序控温仪器和自动进样仪，减少人为因素对实验结果的影响。对结焦样品进行形态分析，分离无定形碳、丝状焦和碳纤维，从而对催化剂进行性能评价，确定不同催化剂对结焦抑制的

10、工艺参数，评价催化剂的效率。本实验通过实验获得一定的结焦物，对其结焦量和形貌进行研究。同时，改变催化剂的选择、碳源的选择、反应时间、反应温度等各方面的条件进行实验，检测分析各物质，为以后的实验提供初步的实验数据和理论基础。初步解决结焦问题在一些技术中的损害现象。论文提纲：1.选取三种碳源2.用镍作催化剂观察镍及其金属氧化物对烃类裂解结焦的作用。3.分析样本数据得出结论。三、拟采取的研究方法、研究手段及技术路线、实验方案等催化结焦抑制实验装置包括五大系统：进料系统、预热系统、反应系统、温度控制系统和分析检测记录系统。以正庚烷、环己烷和苯作为碳源， Ni及其金属氧化物为催化剂，采用CVD方法考察它

11、们在吸热型碳氢燃料中的催化结焦现象。实验前预热炉和反应炉通电加热，反应体系达到预设温度后，将装有催化剂的石英舟放入反应管中固定位置。进料前采用高纯氮气吹扫反应系统10min，置换炉内空气。碳源通过电子蠕动泵输送，以氮气作为载气，载气流速为40mLmin-1。反应停止后，用高纯氮气吹扫10min，在氮气保护下使反应体系冷却至室温。取样分析。四、参考文献1李祖光, 高涵, 厉刚, 何肇瑜, 林瑞森, 吸热型碳氢燃料热沉的测定, 推进技术1998, 19(2), 96-99.2李祖光, 高涵, 厉刚, 何肇瑜, 林瑞森, 宗汉兴, 吸热型碳氢燃料的量热研究, 推进技术1999, 20(4), 92-

12、95.3郭永胜, 蒋武, 林瑞森, 新型热量计的研制及其在吸热型碳氢燃料热沉测定中的应用, 化学学报2002, 60(1), 55-59.4蒋武, 郭永胜, 雷群芳, 林瑞森, 吸热型碳氢燃料热沉的测定研究, 燃料化学学报2002, 30(1), 27-32.5周西朋, 郭永胜, 林瑞森, 方文军, 吸热型碳氢燃料热沉测定装置研究, 浙江大学学报(理学版） 2005, 32(4), 419-427.6邢燕, 方文军, 谢文杰, 郭永胜, 林瑞森, 吸热型碳氢燃料模型化合物在超临界条件下的裂解及热沉测定, 化学学报 2008, 66(20), 2243-2247.7冯利利, 朱岳麟, 冯业全,

13、郭红, 吸热碳氢燃料热沉测量实验装置的设计与性能测试, 宇航计测技术 2007, 27(2), 14-17.8贺芳, 禹天福, 李亚裕, 吸热型碳氢燃料的研究进展, 导弹与航天运载技术2005, 274, 26-29.9Li S C, Varatharajan B, Williams F A. 39th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit Reno, NV, 2001, AIAA-2001-1074.10 Nixon A C, Ackerman G.H, Hawthorme R D, etal Vaporization and endotherm

14、 ic fuels for advanced engine applications P. AFAPL TDR 64-100, Part-, 1964.11 高涵,李祖光,厉刚等.吸热型碳氢燃料催化脱氢的研究述评J.推进技术, 1998, 19(4): 101-104.五、研究的整体方案与工作进度安排（内容、步骤、时间）进度安排：序号时间内容12010.12.10至2010.12.30相关文献的查阅、实验方案制定22011.1.3至2011.1.18实验前期准备与摸索实验32011.2.20至2011.02.28考察实验的影响因素，优化工艺条件42011.03.01至2011.04.20毕业论

15、文撰写六、研究的主要特点及创新点本实验具有一定的特色和创新之处，例如，在催化剂形态选择方面，采用微米级粉末，增大其催化活性的比表面积；采用30段程序控温仪器和自动进样仪，减少人为因素对实验结果的影响。对结焦样品进行形态分析，分离无定形碳、丝状焦和碳纤维，从而对催化剂进行性能评价，确定不同催化剂对结焦抑制的工艺参数，评价催化剂的效率。本实验通过实验获得一定的结焦物，对其结焦量和形貌进行研究。同时，改变催化剂的选择、碳源的选择、反应时间、反应温度等各方面的条件进行实验，检测分析各物质，为以后的实验提供初步的实验数据和理论基础。初步解决结焦问题在一些技术中的损害现象。毕业论文文献综述高分子材料与工程

16、镍及金属氧化物对烃类裂解结焦的催化作用高超声速飞行器的研制己成为当今世界航空航天领域发展的热点，受到高度重视。飞机在超音速和高超声速飞行时蒙皮温度要远高于亚声速飞行时的温度。随着飞行速度的增加，粘性阻滞导致温度升高，使得热负荷成倍增加，这对材料的耐温性能提出了更为苛刻的要求。飞行器的热管理问题已成为高超声速飞行器发展过程中亟待解决的关键问题。随着研究的深入，吸热型碳氢燃料逐渐被人们所认识。研究吸热型碳氢燃料的裂解，关键在于裂解催化剂的研究。根据热力学数据可知，燃料裂解生成乙烯、丙烯和丁烯等不饱和烃，是吸热反应，有利于燃料吸热，且烯烃的碳原子数越少，吸收的热量越多；裂解生成甲烷、乙烷和丙烷等饱和

17、烃是放热反应，不利于燃料吸热，且饱和碳原子数越多，吸热越少。燃料在裂解时，不但要尽可能高的提高裂解转化率，而且要尽可能多的生产不饱和烯烃1。吸热型碳氢燃料（Endothermic Hydrocarbon Fuel，简称EHF）是一种新型的高超音速推进用液体燃料，能够同时满足高超音速飞行器冷却与燃烧要求，也称可燃冷却剂2。吸热型碳氢燃料作为一种新型航空航天燃料，它既可以通过自身的热容、气化潜热吸热，还可以通过化学裂解吸收并储存飞行器高温部位产生的热量，大分子的碳氢燃料在进入燃烧室燃烧之前，通过物理和化学吸热，带走飞行器高温部件表面的大量热量并裂解生成燃烧性能更优的小分子产物，这些高能小分子在燃烧

18、室燃烧时再将能量释放出来，从而提高能量的利用率，减少高超音速运载系统的负载，还有效的解决了飞行器的冷却问题3。吸热型碳氢燃料的研制属于高科技的前沿领域，具有重要理论、政治意义以及良好应用前景。90年代以来，美国在JP7、JP8、JP-TS等燃料基础上开发了性能优越的JP-8+100燃料，目前正在向JP-8+225，JP-900等性能更优的燃料努力4；俄罗斯等也从军事战略和民用角度出发开发了T-8V, RT，T-6，T-15等系列燃料5，正在围绕实际应用不断优化组成、提高性能。吸热型碳氢燃料的研究主要是催化脱氢和高温热裂解/催化裂解两方面6。催化脱氢工作重点主要是燃料的选择、催化剂的筛选和评价；

19、高温热裂解/催化裂解反应的工作重点主要是围绕燃料的筛选、催化剂的选择、热沉的测定和结焦抑制技术等方面展开7。科研人员对吸热型碳氢燃料的裂解和吸热过程进行了大量的研究，这方面的工作主要有三个方向：蒸汽重整、催化脱氢和裂解反应8。当然，加水的蒸汽重整反应可以获得附加的降温能力，但推进剂中惰性物质的提高会导致飞行器飞行距离的下降，这就需要在二者之间找一个平衡点9。脱氢和裂解吸热反应已得到地面发动机试验的验证，其中裂解反应热裂解/催化裂解是最近美国和俄罗斯在吸热燃料研究方面的焦点10。 吸热型碳氢燃料的化学反应过程有两个主要方向，一是催化脱氢，二是催化裂解11。20 世纪 7080 年代，主要以催化脱

20、氢过程为研究重点。该过程的优点是在较低温度下有较高的转化速率，反应吸热量大，产物稳定并产生大量氢气，对燃烧及催化剂有利，但所用的催化剂多为贵金属及贵金属熔融盐载体催化剂，成本高，易中毒12。对原料的纯度要求较高，增加了原料的成本。而且催化脱氢的产物为芳烃，对燃烧室不利，其生成的萘产生辉光度很高的火焰，将使发动机燃烧室的热负荷增加，对吸热燃料的冷却能力起抵消作用13。吸热型碳氢燃料裂解结焦的研究一直是此类燃料开发的技术重点，国内外都进行了大量的探索。但是，这些研究大多是围绕结焦抑制剂的开发以及结焦机理的推测展开的，而针对反应生成的焦炭本身的性质研究却不多。焦炭的结构性质直接决定于燃料裂解过程中小

21、分子产物的聚合路径，并与结焦机理密切相关。但是，吸热型碳氢燃料在通过自身裂解反应进行吸热的同时，不可避免地会伴随小分子裂解产物的聚合、缩合等二次反应而导致结焦现象的发生。 结焦会给飞行器带来许多不利影响，当烃类燃料用在发动机上，产生的结焦会带来许多不利影响，如堵塞阀门和过滤器，导致油路变窄，改变喷雾形状，影响雾化质量，严重是可导致发动机熄火，导致事故发生；降低热交换效率；结焦还会导致金属管中渗碳现象的发生，从而降低其机械性能14。因此，有效地抑制结焦是实现吸热型碳氢燃料在未来先进飞行器上使用的关键技术之一，也因此，抑制或阻止碳沉积(结焦)是碳氢燃料作为冷却剂在未来超音速飞行器上使用的关键。在现

22、有的技术阶段，对结焦的研究在各方面都有一定的认识，但是，在结焦的形貌和量的研究上还是存在不少问题。各研究领域以研究抑制结焦为主，运用了很多的方法，但是都没有在本质上得到解决。研究吸热型碳氢燃料的裂解，关键在于裂解催化剂的研究。根据热力学数据可知，燃料裂解生成乙烯、丙烯和丁烯等不饱和烃，是吸热反应，有利于燃料吸热，且烯烃的碳原子数越少，吸收的热量越多15；裂解生成甲烷、乙烷和丙烷等饱和烃是放热反应，不利于燃料吸热，且饱和碳原子数越多，吸热越少。为了提高燃料的热沉，就希望燃料在裂解时，不但要尽可能高的提高裂解转化率，而且要尽可能多的生产不饱和烯烃。如上述所提到的，在航天或其他事业中，通常运用到碳氢

23、燃料，同时也出现了结焦的问题。本课题通过研究几种碳氢燃料在Ni及其金属氧化物表面的结焦特征，为结焦方面的研究提供基础数据。在实验中，将压强和载气流速作为不变因素，改变反应温度或反应时间来考虑对结焦的影响。本实验采取的是单因素变量，有利于控制变量，并且容易得出结论。本实验具有一定的特色和创新之处，例如，在催化剂形态选择方面，采用微米级粉末，增大其催化活性的比表面积；采用30段程序控温仪器和自动进样仪，减少人为因素对实验结果的影响。对结焦样品进行形态分析，分离无定形碳、丝状焦和碳纤维，从而对催化剂进行性能评价，确定不同催化剂对结焦抑制的工艺参数，评价催化剂的效率。本实验通过实验获得一定的结焦物，对

24、其结焦量和形貌进行研究。同时，改变催化剂的选择、碳源的选择、反应时间、反应温度等各方面的条件进行实验，检测分析各物质，为以后的实验提供初步的实验数据和理论基础。初步解决结焦问题在一些技术中的损害现象。参考文献1司徒明. 煤油超燃冲压发动机性能分析J. 推进技术, 1998 (2).2司徒明. 碳氢燃料(煤油)超燃试验研究-高温富油燃气超燃试验DCR方案J. 中国国防科学技术报告, 1998, 8.3司徒明. 超燃冲压发动机技术与进展J. 1996, 2.4Nixon A C, Ackerman G.H, Hawthorme R D, etal Vaporization and endother

25、m ic fuels for advanced engine applications P. AFAPL TDR 64-100, 1964.5高涵, 李祖光, 厉刚. 吸热型碳氢燃料催化脱氢的研究述评J. 推进技术, 1998, 19(4): 101 104.6Williams B A, Babitz S M, Miller J T, The role of acid strength and pore diffusion in the enthanced cracking activity of steamed Y zeolitesJ. Appl Catal A: General, 1999

26、, 177: 161-175.7Huang H, Sobel K R, Spadaccini J. Endothermic heat-sink of hydrocarbon fuels for scramjet coolingP. AIAA 2002 -3871.8李玉敏. 工业催化原理M. 天津:天津大学出版社, 1992.9张波, 林瑞森, 王彬成. 银镧改性混合型吸热碳氢燃料裂解分子筛催化剂的研究J. 化学学报, 2002, 60(10): 1754-1759.10孙英英, 司徒明, 王春, 韩肇元. 冲压管道燃烧室中煤油超燃试验研究J, 流体力学试验与测量, 2000, 14 (1).

27、11马瀚英. 航天煤油M. 北京: 中国宇航出版社, 2003.12陈冠荣, 时钧. 化工百科全书M, 北京: 化学工业出版社, 1993, 856-858.13Maurice L Q, Lander H, Edwards T, Harrison W E, Advanced aviation fuels: a look ahead via a historical perspective, Fuel, 2001, 80: 747-756.14Wickham D T, Engel B D, Hitch B D, Karpuk M E, Initiators for endothermic fue

28、ls, J Propulsion Power, 2001, 17(6): 1253-1257.15Zhang Y G, Chang A L, Cao J, et al. Elect ric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubesJ. Appl Phys Lett, 2001, 79: 3155-3157.本科毕业论文（20 届）金属镍对碳氢燃料的催化结焦作用专业：高分子材料与工程摘 要：碳氢燃料在高温裂解时容易产生结焦，对工业生产和工业安全造成很大危害。本课题选用正庚烷环己烷和苯作为模型碳氢燃料，研究模型燃

29、料在Ni表面的结焦特征，结果表明碳氢燃料在Ni表面产生的结焦主要为无定形碳或碳纤维两种；不同碳源产生的碳纤维含量多少有所差异。在一定的温度和时间下，以镍作为催化剂研究其结焦率的变化。实验表明：一定时间内，温度为650时，三种燃料结焦率大小顺序为正庚烷 苯 环己烷，675时，结焦率大小顺序变为苯 正庚烷 环己烷，三种碳源的结焦率走向类似。在一定温度下，正庚烷和苯的结焦机理可能相同，都是随着时间的不断增长，结焦率急速上升。相比较正庚烷和苯，环己烷的结焦率随着时间的增长呈现出先上升后下降的过程，我们通过研究结焦率的变化趋势和规律，为以后的进一步深入研究提供数据。关键词：碳氢燃料；结焦；温度；时间Ca

30、talysis and Coking of Transition Metel Nickel for Hydrocarbon FuelsAbstract: Hydrocarbon fuels are easy to coking in high temperature cracking , that is harm to industrial production and industrial safety. We choose n-heptane, cyclohexane and benzene as models for hydrocarbon fuels, research coking

31、characteristics of hydrocarbon fuels on the surface of nickel. The results show that hydrocarbon fuels produce cokes in the surface of nickel are mainly for the amorphous carbon or anti-coking carbon fiber. Different carbon sources generate different content of carbon fibers. In the certain temperature and time, we use nickel as a catalyst, and study the changes of the rate of anti-coking. Experiment shows that the temperature at 650 , Three kinds of fuel coking rate are n-heptane benzene cycl