基于固液相平衡方法预测高沸点杂质在液氢中的溶解度及其安全应用研究

为解决液氢(LH2 )系统中因杂质结晶引发的安全隐患，研究人员通过改进Scatchard-Hildebrand(SH)模型、修正SH(MSH)模型及PR/SRK状态方程(EoS)，预测了N2 、O2 、CO2 和H2 O在LH2 中的溶解度（低至10?89 mol分数），揭示了空气泄漏量与固相形成模式的关联性，为液氢系统的安全控制提供了理论依据。

　　

液氢(LH₂
)作为深空探索的理想推进剂，其超低温特性（20 K）使得渗入的空气杂质（如N₂
、O₂
）极易因溶解度极限析出为固体颗粒，引发管路堵塞或爆炸风险。然而，现有研究多集中于液化天然气体系，针对LH₂
-杂质系统的实验数据稀缺，且传统固液相平衡(SLE)模型在近临界温度区（氢的临界点为33.145 K）预测精度不足。为此，中国研究人员通过改进理论模型与实验验证相结合，首次系统量化了LH₂
中关键杂质的溶解行为及其相变机制。

研究团队采用两类方法：1）活性系数法——优化SH/MSH模型中溶解度参数处理方式，引入特征参数l₁₂
=-0.058；2）状态方程法——在PR/SRK EoS中建立温度-压力双变量线性关系的二元交互系数k₁₂
。通过对比Omar和Dokoupil的N₂
-LH₂
实验数据（26.3–32.5 K），验证了模型在近临界区的适用性。

模型改进与验证
改进后的MSH模型将N₂
溶解度预测误差从原始模型的15%降至5%，而PR/SRK EoS通过拟合k₁₂
在18–32.5 K范围内表现出良好一致性。实验数据证实，O₂
溶解度（10^?12
mol分数）远低于N₂
（10^?8
），解释了固体颗粒中O₂
富集外层（26%质量分数）的形成机制。

SLE预测与空气积累模式
在20 K标准条件下，四种杂质的溶解度排序为N₂
?O₂
?CO₂
（10^?51
）>H₂
O（10^?89
）。随着空气泄漏量增加，系统依次呈现：1）N₂
和O₂
分子完全溶解；2）N₂
溶解而O₂
固相析出；3）固体空气颗粒形成。这种相行为差异源于O₂
与LH₂
的分子相互作用能更高。

结论与意义
该研究通过模型创新解决了低温SLE预测的三大难题：1）溶剂熔点处溶解度参数修正；2）近临界区状态方程参数优化；3）多组分固相组成解析。成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，不仅为LH₂
储运中的杂质控制提供了量化工具，更揭示了固相颗粒的层状结构形成机制，对预防航天器燃料系统爆炸事故具有重要工程价值。未来研究可拓展至微重力环境下固相颗粒的动力学行为模拟。