Химия горения топлива: количественные видообразования данные, полученные из атмосферы высокой температуры потока реактора с сочетании молекулярно лучевой масс-спектрометр
Summary
Изучение химии окислительное сгорание Роман биотоплива, компонентов топлива или реактивного топлива путем сравнения количественных видообразования, представления данных. Данные могут быть использованы для проверки кинетической модели и позволяет стратегии оценки топлива. Эта рукопись описывает атмосферные высокой температуры потока реактора и демонстрирует свои возможности.
Abstract
Эта рукопись описывает эксперимента реактор высокой температуры потока, в сочетании с мощным молекулярного пучка технику масс-спектрометрия (MBMS). Этот гибкий инструмент предлагает подробные наблюдения химического газовой фазы кинетики реакции потоков в строго контролируемых условиях. Широкий спектр условий эксплуатации имеющихся в реакторе ламинарного потока позволяет получить доступ к внеочередной горения приложений, которые, как правило, не достижимые пламени экспериментов. К ним относятся богатые условий при высоких температурах соответствующих процессов газификации, перокси химии, регулирующие режим низкой температуры окисления или расследования сложных технических топлива. Представлена установка позволяет измерений видообразования количественных данных для проверки моделей реакции горения, газификации и пиролиза процессов, обеспечивая систематическое общие реакции химии. Исследуя процессы сжигания чистого соединений обычно выполняется проверка моделей кинетическая реакции. Потока реактор был усовершенствован чтобы быть пригодным для технических видов топлива (например, многокомпонентные смеси как Jet A-1) для феноменологического анализа происходящих сгорания промежуточных как сажа прекурсоров или загрязняющих веществ. Контролируемые и сопоставимых граничные условия, предоставляемые экспериментальный дизайн позволяют для предсказания тенденций формирования загрязнителей. Холодные реактивы подаются готовые в реактор, сильно разбавленный (в около 99% vol в Ar) для того, чтобы подавить самоподдерживающейся реакции горения. Ламинарный течет смесь реагент проходит через известный температурного поля, тогда как газовый состав определяется в выхлопных реакторов как функция температуры печи. Реактор потока эксплуатируется при атмосферном давлении с температурой до 1800 K. Сами измерения выполняются путем снижения температуры монотонно в размере-200 K/ч. С чувствительной MBMS техникой подробная классификация данных приобретается и количественно для почти всех химических видов в процессе реагирования, включая радикальной видов.
Introduction
Понимание процессов горения в свете современной, низким уровнем выбросов топлива из возобновляемых ресурсов является проблемой для современного общества экологической и экономической тематике. Они имеют потенциал, чтобы уменьшить нашу зависимость от ископаемых видов топлива, компенсировать выбросы CO2 и иметь положительное влияние на выбросы вредных загрязнителей например сажи и токсичных прекурсоров1. Сочетание этой быстро развивающейся области с их использования в системах современные камеры сгорания, на фундаментальное понимание химических и физических процессов, управляющих увеличился спрос резко2. Даже сегодня еще не полностью понимаются сетей комплекс химической реакции, результатом радикальных цепных реакций. Для анализа или даже контролировать такие явления, как формирования загрязняющих веществ или процессов зажигания (auto), детальное знание сетей химической реакции является важной частью головоломки3.
Чтобы исследовать и понять те сети, химическая реакция, экспериментальные и численные подходы являются обязательными. Экспериментально химия горения обычно изучается, применяя эксперименты с упрощенной и хорошо контролируемых потока сред ориентироваться на конкретные вопросы. Высокий уровень сложности и динамики процессов отдельных суб предотвратить точное воспроизведение условий технических камер сгорания, фундаментальных экспериментов, позволяя отслеживание назначенных ключевых функций, таких как температура, давление, тепла релиз, или химических веществ. На раннем этапе различные экспериментальные подходы стала очевидной необходимость, каждый решения конкретного вопроса и обеспечение последующего набор информации, вклад в общую глобальную картину химии горения. Охватить весь спектр условий и собирать эти наборы последующей информации для описания сложных условий, происходящих в технических системах различные подходы были успешно разработаны. Хорошо установленные методы включают в себя:
- Ударной трубы4,5,6 и быстрого сжатия машин7. Эти устройства обеспечивают высокий контроль давления и температуры в широком диапазоне. Однако доступных время реакции и подходящие аналитические методы ограничены.
- Ламинарный готовые пламени3,8,9,10,11 идеальны для получения высоких температурных условий в сочетании с полем простой поток. Так как пространственного измерения в зоне реакции уменьшается с увеличением давления, готовые пламени обычно расследуются в условиях низкого давления для целей классификации.
- Противоточные распространения пламени12,13,14,15 идеально подходит для изучения режима flamelet в турбулентных сгорания. Они имитировать нагрузку ввиду неоднородностей в реальной турбулентный поток, но опять же, весьма ограничены в видообразования аналитических методов.
- Различные реактор эксперименты16,17,18 (статический, перемешивают и вилка поток) обеспечивают доступ к высокого давления средах, в то время как температура обычно ниже по сравнению с пламенем средах. Общие подходы являются:
- Статические реакторов широко используются для например пульс фотолиз экспериментов, но в целом ограничивается длительного пребывания реагирующих и низких температур.
- Джет перемешивают реакторов, т.е. газовая версия идеально перемешанный реактора (PSR), полагаются на эффективного смешивания газовой фазы и может эксплуатироваться на установившемся с постоянного места жительства времени, температуры и давления, что делает его легко для модели. Однако молекулы имеют время мигрируют к горячим поверхностям и пройти гетерогенных реакций.
- Многочисленные подходы реактор потока известны, с вилки потока реактор (PFR) как один из наиболее популярных подходов для описания химических реакций в непрерывной, проточных систем цилиндрической геометрии. Подключите потока, принятых условий в стационарном состоянии с фиксированной время нахождения вилку как функция его позиции для идеальной PFR.
Дополнять эти ценные методы в области экспериментальной сгорания кинетики, реактор высокой температуры ламинарного потока эксперимент19,20 , используя технику масс-спектрометрия (MBMS) молекулярного пучка для трассировки развитие видов подробно представлен21,22 здесь. Ламинарный поток условия, работающих при атмосферном давлении и доступной температурах до 1800 K являются основными характеристиками потока реактора, в то время как чувствительных MBMS техника позволяет обнаружить почти всех химических видов в процессе горения процесс. Это включает в себя Высокореактивная видов таких радикалов, которые не являются или едва прослеживается с другими методами обнаружения. MBMS техника широко используется для детального исследования реакции сетей в огне традиционных и современных альтернативных видов топлива, таких как спирты и эфиры23,24,25 и продемонстрировал быть большое значение для развития современной кинетической модели.
На рисунке 1 показана схема потока высокотемпературные реактора с увеличенной кадр пробоотборника (A) и две фотографии, подчеркивая общую эксперимент (B) и зонд установки (C). Система может быть разделена на два сегмента: во-первых, высокой температуры потока реактора с поставок газа и испаритель системы и второй, система обнаружения время полета MBMS. В операции выход потока труба монтируется прямо на сопло выборки системы MBMS. Газ пробы прямо из розетки реактора и переданы в систему обнаружения высокого вакуума. Здесь Ионизация осуществляется электронная ионизация с последующего обнаружения время полета.
Реактора имеет 40-мм внутренний диаметр трубы керамические (Al2O3) 1 497 мм длины, помещены в высокотемпературной печи (например, Геро, типа HTRH 40-1000). Общая подогревом секция — 1000 мм в длину. Газы питается готовые и предварительно испаряется в реактор закаленное фланец (обычно закаленное ~ 80 ° c). Сильно разбавленных (ОК. 99 vol % Ar), ламинарные течет реагент смесь проходит через известный температурного профиля (подробная информация о температуре характеристика будет предоставлена ниже). Определение газового состава проходит на выходе из реактора как функция температуры печи. Измерения проводятся на постоянной подачи массы потока, хотя монотонно снижение температуры рамп (K-200/h) применяется к печи в диапазоне 1800 K до 600 K. отмечают, что подобные результаты могут быть получены при различных температурах измеряется в Температура изотермической печи и тепловой инерции считается должным образом. Термостабилизации системы по-прежнему занимает некоторое время и температура пандуса выбирается в качестве компромисса усреднения для приращения (незначительное) небольшая температура и общее измерение время в серии. Время усреднения (45 s) MBMS соответствует 2,5 K. Результирующее время жительства являются около 2 s (на 1000 K) для данных условий. Наконец благодаря воспроизводимость температуры, относительная точность измерения температуры ± 5 K или лучше можно отметить для настоящего эксперимента реактор.
Рисунок 2 показывает схему испарения системы, оптимизированные для расследования даже сложных углеводородных смесей, таких как технические реактивного топлива. Все входные потоки дозированных в высокой точностью (погрешность ±0, 5%), массовые кориолисовые расходомеры. Испарения топлива реализуется системой коммерческого испаритель при температурах до 200 ° C. Все линии снабжения с предварительно испаряется топлива разогретую с температурой как правило 150 ° c для предотвращения конденсации жидкого топлива, избегая в то же время термической деструкции. Полное и стабильное вапоризация регулярно проверяется и даже может произойти при температурах ниже точки кипения нормальной соответствующих видов топлива. Полное испарение обеспечивалось небольшой топлива дроби и низкое парциальное давление (обычно ниже 100 Па) необходимо.
Газы отбираются по кварц конуса на осевой выход реактора на атмосферного давления (около 960 гПа) как показано более подробно в рамках увеличенный Рисунок 1. Кончик насадки имеет отверстия 50 мкм, которая расположена примерно 30 мм внутри керамическая труба в конце зоны реакции. Обратите внимание, что расположение выборки устанавливается относительно всасывающего. Тепловое расширение трубки печи происходит только на выходе, который не связан механически системы отбора проб, в результате чего температуры независимых длину сегмента реакции. Все реакции немедленно закаленном вследствие образования молекулярного пучка, когда газы расширяются в высоком вакууме (двухступенчатый дифференциальный насосных; 10-2 и 10-4 ПА)25,26. Образец руководствуется Ионный источник электронов воздействия (EI) время полета (TOF) масс-спектрометр (масса резолюции R = 3000) способны определить точные массы нынешних видов в подходящую точность для определения элементного состава в пределах C/Ч / O системы. Для того, чтобы минимизировать фрагментацию из-за процесса ионизации энергии электронов имеет значение низкого значения (обычно 9,5-10,5 eV). Обратите внимание, что разбавителя и справочник видов аргона до сих пор обнаружить из-за распределения широкого энергии ионизирующего электронов (1,4 эВ FWHM). В то время как Ar может быть измерена с хорошим S/N, энергии электронов низких не позволяют достаточно определения основных видов (H2O, CO2, CO, H2O2и топлива) профили, которые представляют в значительных концентрациях ниже .
Помимо обнаружения TOF остаточная газоанализатор (ПГА), т.е. квадрупольный масс-спектрометр, помещается в ионизационная камера для наблюдения за шесть видов выше с более высокой энергией электронов (70 eV) одновременно с MBMS-TOF измерений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Представленные сочетание атмосферы высокой температуры потока реактора с данных количественных видообразования позволяет системы обнаружения молекулярно лучевой масс-спектрометрии для ряда условий эксплуатации. Несколько исследований21,22,,</…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эксперименты были проведены в отделе масс-спектрометрии в сгорания-технологическом институте, Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) в Штутгарт, Германия. Работа была также поддерживается на Helmholtz энергии-Альянс «Синтетических жидких углеводородов», центр повышения квалификации «Альтернативного топлива» и DLR проекта «Будущее топлива». Авторы хотели бы поблагодарить Патрик ле Клерк и Уве Riedel для плодотворных дискуссий на реактивных топлив.
Materials
| Time-Of-Flight MBMS | Kaesdorf | n.a. | custom design |
| Molecular Beam Samling Interface | self made | n.a. | custom design |
| Laminar Flow Reactor | Gero | Type HTRH 40-1000 | custom design |
| Quadrupole MS | Hiden | HAL/3F 301 | adapted to ionization chamber |
| Vaporizer | Bronkhorst | CEM | Vaporizer |
| Mass Flow Meter | Bronkhorst | Mini Cori-Flow M12, M13, M14 | Flow Controller |
| Jet A-1 | n.a. | n.a. | Standard Jet fuel of interest |
| Metal syringe | Hugo Sachs | 70-2252 | Fuel Supply |
| Heating Hoses | Hillesheim | HMI series | Gas Preheating |
| Gas | Linde | Ar, O2 | Diluent, Oxidizer |
Riferimenti
- Moore, R. H., et al. Biofuel blending reduces particle emissions from aircraft engines at cruise conditions. Nature. 543 (7645), 411-415 (2017).
- Braun-Unkhoff, M., Kathrotia, T., Rauch, B., Riedel, U. About the interaction between composition and performance of alternative jet fuels. CEAS Aeronautical Journal. 7 (1), 83-94 (2016).
- Egolfopoulos, F. N., et al. Advances and challenges in laminar flame experiments and implications for combustion chemistry. Prog Energ Combust. 43, 36-67 (2014).
- Lynch, P. T., Troy, T. P., Ahmed, M., Tranter, R. S. Probing combustion chemistry in a miniature shock tube with synchrotron VUV photo ionization mass spectrometry. Anal Chem. 87 (4), 2345-2352 (2015).
- Pelucchi, M., et al. An experimental and kinetic modeling study of the pyrolysis and oxidation of n-C3C5 aldehydes in shock tubes. Combust. Flame. 162 (2), 265-286 (2015).
- Hanson, R. K., Davidson, D. F. Recent advances in laser absorption and shock tube methods for studies of combustion chemistry. Prog Energ Combust. 44, 103-114 (2014).
- Sung, C. -. J., Curran, H. J. Using rapid compression machines for chemical kinetics studies. Prog Energ Combust. 44, 1-18 (2014).
- Kohse-Höinghaus, K., et al. Cover Picture: Biofuel Combustion Chemistry: From Ethanol to Biodiesel. Angw Chem Int Edit. 49 (21), 3545 (2010).
- Köhler, M., et al. 1-, 2- and 3-Pentanol combustion in laminar hydrogen flames – A comparative experimental and modeling study. Combust. Flame. 162 (9), 3197-3209 (2015).
- Li, Y., et al. Experimental Study of a Fuel-Rich Premixed Toluene Flame at Low Pressure. Energ Fuel. 23 (3), 1473-1485 (2009).
- Yang, B., et al. Identification of combustion intermediates in isomeric fuel-rich premixed butanol-oxygen flames at low pressure. Combust. Flame. 148 (4), 198-209 (2007).
- Reuter, C. B., Won, S. H., Ju, Y. Flame structure and ignition limit of partially premixed cool flames in a counterflow burner. P Combust Inst. 36 (1), 1513-1522 (2017).
- Reuter, C. B., et al. Experimental study of the dynamics and structure of self-sustaining premixed cool flames using a counterflow burner. Combust. Flame. 166, 125-132 (2016).
- Bufferand, H., Tosatto, L., La Mantia, B., Smooke, M. D., Gomez, A. A. Experimental and computational study of methane counterflow diffusion flames perturbed by trace amounts of either jet fuel or a 6-component surrogate under non-sooting conditions. Combust. Flame. 156 (8), 1594-1603 (2009).
- Lefkowitz, J. K., et al. A chemical kinetic study of tertiary-butanol in a flow reactor and a counterflow diffusion flame. Combust. Flame. 159 (3), 968-978 (2012).
- Dryer, F. L., Haas, F. M., Santner, J., Farouk, T. I., Chaos, M. Interpreting chemical kinetics from complex reaction-advection-diffusion systems: Modeling of flow reactors and related experiments. Prog Energ Combust. 44, 19-39 (2014).
- Zhao, H., Yang, X., Ju, Y. Kinetic studies of ozone assisted low temperature oxidation of dimethyl ether in a flow reactor using molecular-beam mass spectrometry. Combust. Flame. 173, 187-194 (2016).
- Oßwald, P., et al. Combustion of butanol isomers – A detailed molecular beam mass spectrometry investigation of their flame chemistry. Combust. Flame. 158 (1), 2-15 (2011).
- Herrmann, F., Oßwald, P., Kohse-Höinghaus, K. Mass spectrometric investigation of the low-temperature dimethyl ether oxidation in an atmospheric pressure laminar flow reactor. P Combust Inst. 34 (1), 771-778 (2013).
- Li, Y., et al. Experimental and kinetic modeling study of tetralin pyrolysis at low pressure. P Combust Inst. 34 (1), 1739-1748 (2013).
- Oßwald, P., Köhler, M. An atmospheric pressure high-temperature laminar flow reactor for investigation of combustion and related gas phase reaction systems. Rev Sci Instum. 86 (10), 105109 (2015).
- Oßwald, P., Whitside, R., Schäffer, J., Köhler, M. An experimental flow reactor study of the combustion kinetics of terpenoid jet fuel compounds: Farnesane, p-menthane and p-cymene. Fuel. 187, 43-50 (2017).
- Kathrotia, T., Naumann, C., Oßwald, P., Köhler, M., Riedel, U. Kinetics of Ethylene Glycol: The first validated reaction scheme and first measurements of ignition delay times and speciation data. Combust. Flame. 179, 172-184 (2017).
- Hansen, N., Cool, T. A., Westmoreland, P. R., Kohse-Höinghaus, K. Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of combustion chemistry. Prog Energ Combust. 35 (2), 168-191 (2009).
- Qi, F. Combustion chemistry probed by synchrotron VUV photoionization mass spectrometry. P Combust Inst. 34 (1), 33-63 (2013).
- Biordi, J. C. Molecular beam mass spectrometry for studying the fundamental chemistry of flames. Prog Energ Combust. 3 (3), 151-173 (1977).
- Köhler, M., et al. Speciation data for fuel-rich methane oxy-combustion and reforming under prototypical partial oxidation conditions. Chem Eng Sci. 139, 249-260 (2016).
- Oßwald, P., et al. In situ flame chemistry tracing by imaging photoelectron photoion coincidence spectroscopy. Rev Sci Instum. 85 (2), 025101 (2014).
- Oßwald, P., et al. Combustion Chemistry of the Butane Isomers in Premixed Low-Pressure Flames. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 225, 1029 (2011).
- Schenk, M., et al. Detailed mass spectrometric and modeling study of isomeric butene flames. Combust. Flame. 160 (3), 487-503 (2013).
- Li, W., et al. Multiple benzene-formation paths in a fuel-rich cyclohexane flame. Combust. Flame. 158 (11), 2077-2089 (2011).
- Bierkandt, T., Hemberger, P., Osswald, P., Kohler, M., Kasper, T. Insights in m-xylene decomposition under fuel-rich conditions by imaging photoelectron photoion coincidence spectroscopy. P Combust Inst. 36 (1), 1223-1232 (2017).
- Taatjes, C. A., et al. Enols Are Common Intermediates in Hydrocarbon Oxidation. Science. 308 (5730), 1887-1889 (2005).
- Li, Y., et al. An experimental study of the rich premixed ethylbenzene flame at low pressure. P Combust Inst. 32 (1), 647-655 (2009).
- Yuan, W., et al. A comprehensive experimental and kinetic modeling study of ethylbenzene combustion. Combust. Flame. 166, 255-265 (2016).
- Hansen, N., Skeen, S. A., Michelsen, H. A., Wilson, K. R., Kohse-Hoinghaus, K. Flame experiments at the advanced light source: new insights into soot formation processes. J Vis Exp. (87), e51369 (2014).
- Qi, F., et al. Isomeric identification of polycyclic aromatic hydrocarbons formed in combustion with tunable vacuum ultraviolet photoionization. Rev Sci Instum. 77 (8), 084101 (2006).
- Hansen, N., et al. 2D-imaging of sampling-probe perturbations in laminar premixed flames using Kr X-ray fluorescence. Combust. Flame. 181, 214-224 (2017).
