दहन ईंधन के रसायन विज्ञान: मात्रात्मक Speciation एक वायुमंडलीय उच्च तापमान प्रवाह से प्राप्त डेटा युग्मित आणविक-बीम मास स्पेक्ट्रोमीटर के साथ रिएक्टर
Summary
मात्रात्मक speciation डेटा की तुलना द्वारा उपंयास जैव ईंधन, ईंधन घटकों, या जेट ईंधन के ऑक्सीडेटिव दहन रसायन विज्ञान की एक जांच प्रस्तुत की है । डेटा काइनेटिक मॉडल सत्यापन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है और ईंधन मूल्यांकन रणनीतियों सक्षम बनाता है । इस पांडुलिपि वायुमंडलीय उच्च तापमान प्रवाह रिएक्टर का वर्णन करता है और अपनी क्षमताओं को दर्शाता है ।
Abstract
इस पांडुलिपि का वर्णन एक उच्च तापमान प्रवाह रिएक्टर शक्तिशाली आणविक बीम मास स्पेक्ट्रोमेट्री (MBMS) तकनीक के लिए युग्मित प्रयोग । यह लचीला उपकरण अच्छी तरह से नियंत्रित शर्तों के तहत प्रतिक्रिया बहती में रासायनिक गैस चरण कैनेटीक्स का एक विस्तृत अवलोकन प्रदान करता है । ऑपरेटिंग एक लामिना प्रवाह रिएक्टर में उपलब्ध शर्तों की विशाल रेंज असाधारण दहन अनुप्रयोगों है कि आम तौर पर लौ प्रयोगों द्वारा प्राप्त नहीं कर रहे है के लिए उपयोग में सक्षम बनाता है । इन उच्च तापमान गैसीकरण प्रक्रियाओं के लिए प्रासंगिक में अमीर शर्तों, peroxy रसायन विज्ञान कम तापमान ऑक्सीकरण व्यवस्था या जटिल तकनीकी ईंधन की जांच शासी शामिल हैं । प्रस्तुत सेटअप प्रतिक्रिया रसायन का एक व्यवस्थित सामांय समझ को सक्षम करने, जबकि दहन, गैसीकरण और pyrolysis प्रक्रियाओं के रिएक्शन मॉडल सत्यापन के लिए मात्रात्मक speciation डेटा की माप की अनुमति देता है । काइनेटिक प्रतिक्रिया मॉडल का सत्यापन आम तौर पर शुद्ध यौगिकों की दहन प्रक्रियाओं की जांच द्वारा किया जाता है । प्रवाह रिएक्टर को तकनीकी ईंधनों के लिए उपयुक्त किया गया है (जैसे कि जेट ए-1 जैसे बहु-घटक मिश्रण) कालिख पुरोगामी या प्रदूषकों जैसे दहन मध्यवर्ती के phenomenological विश्लेषण के लिए अनुमति देने के लिए । प्रयोगात्मक डिजाइन द्वारा प्रदान की गई नियंत्रित और तुलनीय सीमा शर्तों प्रदूषक गठन प्रवृत्तियों के पूर्वानुमान के लिए अनुमति देते हैं । शीत reactants रिएक्टर है कि अत्यधिक (Ar में लगभग ९९ vol% में) पतला कर रहे है क्रम में आत्म दहन प्रतिक्रियाओं को दबाने में मिश्रित खिलाया जाता है । लामिना बहने प्रतिक्रियात्मक मिश्रण एक ज्ञात तापमान क्षेत्र के माध्यम से गुजरता है, जबकि गैस संरचना ओवन तापमान के एक समारोह के रूप में रिएक्टरों निकास पर निर्धारित किया जाता है । प्रवाह रिएक्टर १,८०० K तक तापमान के साथ वायुमंडलीय दबाव पर संचालित है । माप खुद-२०० K/एच की दर से तापमान मोनोटोनिक कम करके प्रदर्शन कर रहे हैं । संवेदनशील MBMS तकनीक के साथ, विस्तृत speciation डेटा का अधिग्रहण किया और प्रतिक्रियाशील प्रक्रिया में लगभग सभी रासायनिक प्रजातियों, कट्टरपंथी प्रजातियों सहित के लिए quantified है ।
Introduction
आधुनिक, नवीकरणीय संसाधनों से कम उत्सर्जन ईंधन के मद्देनजर दहन प्रक्रियाओं को समझना आज के समाजों के पारिस्थितिक और आर्थिक विषयों के लिए एक चुनौती है । वे जीवाश्म ईंधन पर हमारी निर्भरता को कम करने की क्षमता है, सह2 उत्सर्जन ऑफसेट, और ऐसे कालिख और उसके विषाक्त पुरोगामी1के रूप में हानिकारक प्रदूषक उत्सर्जन पर एक सकारात्मक प्रभाव है । आधुनिक combustor प्रणालियों में उनके उपयोग के साथ इस तेजी से बढ़ते क्षेत्र का मेल, शासी रासायनिक और शारीरिक प्रक्रियाओं की एक मौलिक समझ पर मांग में नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है2. आज भी, जटिल रासायनिक प्रतिक्रिया कट्टरपंथी श्रृंखला प्रतिक्रियाओं से उत्पंन नेटवर्क अभी भी पूरी तरह से समझ में नहीं आ रहे हैं । विश्लेषण या भी प्रदूषक गठन या (ऑटो) इग्निशन प्रक्रियाओं, रासायनिक प्रतिक्रिया नेटवर्क की विस्तृत जानकारी की तरह घटना पर नियंत्रण पहेली3का एक महत्वपूर्ण टुकड़ा है ।
उन रासायनिक प्रतिक्रिया नेटवर्क की जांच करने और समझने के लिए, प्रयोगात्मक और संख्यात्मक दृष्टिकोण अनिवार्य हैं । प्रायोगिक तौर पर, दहन रसायन आमतौर पर विशिष्ट प्रश्नों को लक्षित करने के लिए सरलीकृत और अच्छी तरह से नियंत्रित प्रवाह वातावरण के साथ प्रयोग लागू करने से अध्ययन किया है । उच्च जटिलता और व्यक्तिगत उप प्रक्रियाओं की गतिशीलता मौलिक प्रयोगों द्वारा तकनीकी combustors की शर्तों के सटीक प्रजनन को रोकने के लिए, जबकि निर्धारित प्रमुख विशेषताओं की ट्रैकिंग जैसे तापमान, दबाव, गर्मी की अनुमति रिलीज, या रासायनिक प्रजातियों । पर जल्दी, अलग प्रयोगात्मक दृष्टिकोण के लिए की जरूरत स्पष्ट हो गया, एक विशेष सवाल से निपटने और दहन रसायन विज्ञान के समग्र वैश्विक तस्वीर के लिए योगदान जानकारी के बाद सेट प्रदान । शर्तों की पूरी श्रृंखला को कवर करने और उन बाद में जानकारी इकट्ठा करने के लिए जटिल तकनीकी प्रणालियों में होने वाली स्थितियों का वर्णन सेट विभिंन दृष्टिकोण सफलतापूर्वक विकसित किया गया । अच्छी तरह से स्थापित तकनीकों में शामिल हैं:
- सदमे ट्यूबों4,5,6 और तेजी से संपीड़न मशीनों7। इन उपकरणों के दबाव और एक विस्तृत श्रृंखला पर तापमान के उच्च नियंत्रण प्रदान करते हैं । हालांकि, सुलभ प्रतिक्रिया समय और उपयुक्त विश्लेषणात्मक तकनीक सीमित हैं ।
- लामिना मिश्रित लपटें3,8,9,10,11 एक साधारण प्रवाह क्षेत्र के साथ संयोजन में उच्च तापमान की स्थिति हासिल करने के लिए आदर्श होते हैं । प्रतिक्रिया क्षेत्र के स्थानिक आयाम के बाद से बढ़ते दबाव के साथ कम हो जाती है, मिश्रित लपटों आम तौर पर speciation प्रयोजनों के लिए कम दबाव की स्थिति पर जांच कर रहे हैं ।
- Counterflow प्रसार लपटें12,13,14,15 अशांत दहन में flamelet शासन की जांच के लिए आदर्श होते हैं । वे एक असली अशांत प्रवाह में सजातीयता के कारण तनाव की नकल है, लेकिन कर रहे हैं, फिर से, अत्यधिक विश्लेषणात्मक speciation तकनीक में सीमित है ।
- विभिन्न रिएक्टर प्रयोगों16,17,18 (स्थिर, उभारा और प्लग-प्रवाह) उच्च दबाव वातावरण के लिए पहुँच प्रदान करते हैं, जबकि तापमान लौ वातावरण की तुलना में आम तौर पर कम कर रहे हैं. आम दृष्टिकोण हैं:
- स्थैतिक रिएक्टरों व्यापक रूप से उदाहरण के लिए पल्स photolysis प्रयोगों के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं, लेकिन लंबे समय तक निवास समय और कम तापमान द्वारा सीमित सामान्य में हैं.
- जेट उभार रिएक्टरों, यानी एक पूरी तरह से उभारा रिएक्टर (PSR) के गैस संस्करण, गैस चरण के मिश्रण कुशल पर भरोसा करते है और लगातार निवास समय, तापमान और दबाव के साथ स्थिर राज्य में संचालित किया जा सकता है, यह आसान बनाने के लिए मॉडल । हालांकि, अणुओं के लिए गर्म सतहों की ओर पलायन और विषम प्रतिक्रियाओं से गुजरना समय है ।
- कई प्रवाह रिएक्टर दृष्टिकोण के साथ जाना जाता है, प्लग प्रवाह रिएक्टर (PFR) के एक सबसे लोकप्रिय दृष्टिकोण के रूप में सतत में रासायनिक प्रतिक्रियाओं का वर्णन करने के लिए, बेलनाकार ज्यामिति के प्रवाह प्रणालियों । स्थिर राज्य में प्लग प्रवाह की स्थिति आदर्श PFRs के लिए अपनी स्थिति के एक समारोह के रूप में प्लग के फिक्स्ड निवास समय के साथ ग्रहण कर रहे हैं ।
प्रयोगात्मक दहन कैनेटीक्स के क्षेत्र में उन मूल्यवान तकनीकों के पूरक, एक उच्च तापमान लामिना प्रवाह रिएक्टर प्रयोग19,20 ट्रेसिंग के लिए आणविक बीम मास स्पेक्ट्रोमेट्री (MBMS) तकनीक को रोजगार विस्तार में प्रजातियों के विकास21,22 प्रस्तुत करवायी जाती है । लामिना प्रवाह की स्थिति, वायुमंडलीय दबाव और सुलभ तापमान पर काम करने के लिए १,८०० K प्रवाह रिएक्टर की मुख्य विशेषताएं हैं, जबकि संवेदनशील MBMS तकनीक दहन में मौजूद लगभग सभी रासायनिक प्रजातियों का पता लगाने की अनुमति देता है प्रक्रिया. इस तरह के कण है कि नहीं कर रहे है या शायद ही अंय पता लगाने के तरीकों के साथ पता लगाने की उच्च प्रतिक्रियाशील प्रजातियों में शामिल हैं । MBMS तकनीक व्यापक रूप से ऐसी शराब या ईथर के रूप में पारंपरिक और आधुनिक वैकल्पिक ईंधन की लपटों में प्रतिक्रिया नेटवर्क की विस्तृत जांच के लिए प्रयोग किया जाता है23,24,25 और के लिए प्रदर्शन किया है आधुनिक काइनेटिक मॉडल विकास के लिए महान मूल्य ।
चित्रा 1 नमूना जांच (एक) और दो चित्र समग्र प्रयोग (ख) और जांच सेटअप (सी) पर प्रकाश डाला के एक ज़ूम फ्रेम के साथ उच्च तापमान प्रवाह रिएक्टर की योजनाबद्ध दिखाता है । प्रणाली दो क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है: पहले, उच्च तापमान गैस की आपूर्ति और vaporizer प्रणाली और दूसरा, MBMS समय की उड़ान का पता लगाने प्रणाली के साथ प्रवाह रिएक्टर । आपरेशन में, प्रवाह ट्यूब के निकास सीधे MBMS प्रणाली के नमूने नोजल के लिए मुहिम शुरू की है । गैस रिएक्टर आउटलेट से सीधे नमूना है और उच्च वैक्यूम का पता लगाने प्रणाली को हस्तांतरित कर दिया । यहां, ionization बाद के समय के साथ इलेक्ट्रॉन ionization द्वारा किया जाता है उड़ान का पता लगाने ।
रिएक्टर ४० मिमी भीतरी व्यास सिरेमिक (अल2ओ3) १,४९७ मिमी लंबाई के पाइप एक उच्च तापमान ओवन (जैसे, गेरो, प्रकार HTRH 40-1000) में रखा गया है । कुल गरम अनुभाग १,००० मिमी लंबाई में है । गैसों मिश्रित और पूर्व खिलाया एक स्वभाव निकला हुआ किनारा द्वारा रिएक्टर में भाँप रहे है (आमतौर पर गुस्सा ~ ८० ° c) । अत्यधिक पतला (ca. ९९ vol% Ar में), लामिना बहने प्रतिक्रियात्मक मिश्रण एक ज्ञात तापमान प्रोफ़ाइल के माध्यम से गुजरता है (तापमान लक्षण वर्णन पर विवरण नीचे दिया जाएगा) । गैस संरचना की जांच ओवन तापमान के एक समारोह के रूप में रिएक्टर आउटलेट पर जगह लेता है । माप लगातार प्रवेश जन प्रवाह पर प्रदर्शन कर रहे हैं, जबकि एक मोनोटोनिक घटते तापमान रैंप (-२०० k/एच) १,८०० k करने के लिए ६०० k की सीमा में ओवन के लिए लागू किया जाता है. ध्यान दें कि समान परिणाम प्राप्त किया जा सकता है जब अलग तापमान पर मापा जाता है इज़ोटेर्माल ओवन तापमान और थर्मल जड़ता ठीक से माना जाता है । प्रणाली के थर्मल स्थिरीकरण अभी भी कुछ समय लगता है और तापमान रैंप एक (नगण्य) छोटे तापमान में वृद्धि और श्रृंखला के अनुसार कुल माप समय के लिए समय औसत का एक समझौता के रूप में चुना जाता है । औसत समय (४५ s) MBMS के संगत २.५ K. परिणामस्वरूप निवास बार दिए गए शर्तों के लिए 2 एस (१,००० K पर) के आसपास हैं । अंत में, तापमान reproducibility, ± 5 कश्मीर या बेहतर की मापा तापमान के एक रिश्तेदार परिशुद्धता के कारण वर्तमान रिएक्टर प्रयोग के लिए कहा जा सकता है ।
चित्रा 2 vaporizing प्रणाली की योजनाबद्ध से पता चलता है, इस तरह के तकनीकी जेट ईंधन के रूप में भी जटिल हाइड्रोकार्बन मिश्रण की जांच करने के लिए अनुकूलित । सभी इनपुट धाराओं कोरिओलिस जन प्रवाह मीटर द्वारा उच्च परिशुद्धता (सटीकता ± ०.५%) में पैमाइश कर रहे हैं । ईंधन के वाष्पीकरण २०० डिग्री सेल्सियस तक तापमान पर एक वाणिज्यिक vaporizer प्रणाली द्वारा महसूस किया है । एक ही समय में थर्मल क्षरण से परहेज करते हुए, तरल ईंधन के संघनित्र को रोकने के लिए आम तौर पर १५० डिग्री सेल्सियस के तापमान के साथ पूर्व भाँप ईंधन के साथ सभी आपूर्ति लाइनों पहले से गरम कर रहे हैं । पूर्ण और स्थिर वाष्पीकरण नियमित रूप से जांच की है और यहां तक कि संबंधित ईंधन के सामांय उबलते बिंदु से नीचे तापमान पर हो सकता है । पूरा वाष्पीकरण छोटे ईंधन अंश द्वारा सुनिश्चित किया गया था और कम आंशिक दबाव (आमतौर पर नीचे १०० फिलीस्तीनी अथॉरिटी) की जरूरत है ।
गैसों परिवेश दबावों (लगभग ९६० hPa) में रिएक्टर बाहर निकलने के centerline पर एक क्वार्ट्ज शंकु द्वारा नमूने के रूप में और अधिक विस्तार में देखा गया है चित्रा 1के ज़ूम फ्रेम में । नोजल टिप एक ५० माइक्रोन छिद्र है, जो लगभग 30 मिमी की प्रतिक्रिया क्षेत्र के अंत में सिरेमिक ट्यूब के अंदर स्थित है । ध्यान दें, कि नमूना स्थान प्रवेश के संबंध में तय हो गई है । ओवन ट्यूब के थर्मल विस्तार ही आउटलेट है, जो यांत्रिक प्रतिक्रिया खंड की एक तापमान स्वतंत्र लंबाई में जिसके परिणामस्वरूप प्रणाली से जुड़ा नहीं है पर जगह लेता है । सभी प्रतिक्रियाओं तुरंत एक आणविक बीम के गठन की वजह से बुझती हैं, जब gasses उच्च निर्वात में विस्तार कर रहे हैं (दो अंतर पम्पिंग चरणों; 10-2 और 10-4 पीए)25,26. नमूना एक इलेक्ट्रॉन प्रभाव के आयन स्रोत के लिए निर्देशित है (ेि) समय की उड़ान (तोफ) मास स्पेक्ट्रोमीटर (जन संकल्प आर = ३,०००) उपयुक्त परिशुद्धता में वर्तमान प्रजातियों के सटीक द्रव्यमान का निर्धारण करने में सक्षम एक सी के भीतर मौलिक संरचना निर्धारित करने के लिए/ /O व्यवस्था. इलेक्ट्रॉन ऊर्जा कम मूल्यों (आमतौर पर 9.5-10.5 eV) के क्रम में ionization प्रक्रिया के कारण विखंडन को कम करने के लिए सेट है । ध्यान दें कि मंदक और संदर्भ प्रजातियों आर्गन अभी भी है, के व्यापक ऊर्जा वितरण के कारण पता लगाने में इलेक्ट्रॉनों (१.४ eV FWHM) । जबकि एआर अच्छा एस के साथ मापा जा सकता है/कम इलेक्ट्रॉन ऊर्जा प्रमुख प्रजातियों के पर्याप्त निर्धारण के लिए अनुमति नहीं है (एच2हे, co2, सह, एच2, ओ2, और ईंधन) प्रोफाइल, जो महत्वपूर्ण कम सांद्रता में मौजूद है .
तोफ द्वारा पता लगाने के अलावा, एक अवशिष्ट गैस विश्लेषक (्गा), अर्थात एक quadrupole मास स्पेक्ट्रोमीटर, ionization चैंबर में एक उच्च इलेक्ट्रॉन ऊर्जा (७० eV) के साथ ऊपर MBMS-तोफ माप के साथ ऊपर छह प्रजातियों पर नजर रखने के लिए रखा गया है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
एक आणविक बीम मास स्पेक्ट्रोमेट्री का पता लगाने प्रणाली के साथ एक वायुमंडलीय उच्च तापमान प्रवाह रिएक्टर के प्रस्तुत संयोजन ऑपरेटिंग स्थितियों की एक श्रेणी के लिए मात्रात्मक speciation डेटा सक्षम बनाता है ।…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
प्रयोगों का दहन प्रौद्योगिकी संस्थान में मास स्पेक्ट्रोमेट्री विभाग में किया गया, ड्यूश्स ज़ेंत्रम फर Luft-und Raumfahrt (डीएलआर) में स्टटगार्ट, जर्मनी. काम भी Helmholtz ऊर्जा एलायंस “सिंथेटिक तरल हाइड्रोकार्बन”, केंद्र के उत्कृष्टता “वैकल्पिक ईंधन” और डीएलआर परियोजना “भविष्य ईंधन” द्वारा समर्थित किया गया था । लेखक जेट ईंधन पर फलदायक चर्चा के लिए पैट्रिक Le Clercq और Uwe Riedel शुक्रिया अदा करना चाहता हूं ।
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 |
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