Forbrenning kjemi av drivstoff: kvantitative artsdannelse Data fra en atmosfærisk høy temperatur flyt reaktoren med kombinert molekylær-beam masse Spectrometer

Summary

En undersøkelse av oksidativt forbrenning kjemien i romanen biodrivstoff, drivstoff komponenter eller jet brensel ved sammenligning av kvantitative artsdannelse data presenteres. Dataene kan brukes for kinetic modell validering og gjør drivstoff vurdering strategier. Dette manuskriptet beskriver atmosfæriske høy temperatur flyt reaktoren og viser sine evner.

Abstract

Dette manuskriptet beskriver en høy temperatur flyt reaktoren eksperiment kombinert med kraftige molekylær strålen massespektrometri (MBMS) teknikken. Dette fleksible verktøyet tilbyr en detaljert observasjon av kjemiske gassfase-kinetics i reagere strømmer under godt kontrollerte forhold. Det store utvalget av forholdene i laminær strømning reaktoren gir tilgang til ekstraordinære forbrenning programmer som vanligvis ikke oppnåelig av flammen eksperimenter. Disse inkluderer rik forhold ved høye temperaturer relevante for gassifisering prosesser, peroxy kjemi for lav temperatur oksidasjon regime eller undersøkelser av komplekse tekniske brensel. Presentert oppsettet tillater målinger av kvantitative artsdannelse dataene for reaksjon modell validering av forbrenning og gassifisering pyrolyse prosesser, mens en systematisk generell forståelse av reaksjon kjemi. Validering av kinetic reaksjon modeller er vanligvis utført av undersøker forbrenning prosesser av ren forbindelser. Flyt reaktoren er blitt forsterket for å være egnet for teknisk brensel (f.eks multi-komponent blandinger som Jet A-1) å tillate fenomenologiske analysen av forekommende forbrenning mellomprodukter som sot forløpere eller forurensing. Kontrollert og sammenlignbare grensen vilkår av eksperimentell design tillater spådommer av forurensende formasjon tendenser. Kaldt reaktantene fôres ferdigblandet til reaktor som er svært utvannet (i nærheten 99 vol % i Ar) for å undertrykke selvdrevet forbrenning reaksjoner. Laminær flytende reactant blandingen går gjennom et kjent temperatur felt, mens gass sammensetningen bestemmes på reaktorer eksos som en funksjon av ovn temperatur. Flyt reaktoren drives på atmosfærisk trykk med temperaturer opp til 1800 K. Målingene seg utføres ved å redusere temperaturen monotonically frekvensen av-200 K/t. Med sensitiv MBMS teknikk, detaljert artsdannelse data ervervet og kvantifisert for nesten alle kjemiske arter i reaktive prosessen, inkludert radikale arter.

Introduction

Forstå forbrenning prosesser i kjølvannet av moderne, lave utslipp drivstoff fra fornybare ressurser er en utfordring for dagens samfunn økologiske og økonomiske emner. De har potensial til å redusere vår avhengighet av fossilt brensel, forskyvning CO₂ -utslipp og har en positiv innvirkning på utslipp av skadelige stoffer som sot og dens giftige forløpere¹. Kombinere dette raskt voksende feltet med utnyttelse i moderne combustor systemer, har etterspørselen på en grunnleggende forståelse av styrende kjemiske og fysiske prosessene økt dramatisk². Selv i dag, er de komplekse kjemiske reaksjon nettverkene som følge av de radikale kjedereaksjoner fortsatt ikke fullt ut forstått. For å analysere eller selv kontrollere fenomener som forurensende formasjon eller (auto) tenning prosesser, er detaljert kunnskap av kjemisk reaksjon nettverk en viktig del av puzzle³.

For å undersøke og forstå de kjemisk reaksjon nettverkene, er eksperimentelle og numerisk tilnærminger obligatorisk. Eksperimentelt, er forbrenning kjemi vanligvis studert ved å bruke eksperimenter med forenklet og godt kontrollerte miljøer å målrette bestemte spørsmål. Høy kompleksiteten og dynamikken i individuelle sub prosesser forhindre eksakt reproduksjon av betingelsene for tekniske combustors av grunnleggende eksperimentene, stund tillater sporing av de utpekte viktigste funksjonene som temperatur, trykk, varme utgivelsen, eller kjemiske arter. Tidlig ble behovet for eksperimentell måter klart, hver håndtere et spesifikt spørsmål og gi et etterfølgende sett med informasjon bidrar til det totale globale bildet i forbrenning kjemi. For å dekke hele spekteret av forhold og samle de etterfølgende settene å beskrive komplekse betingelser forekommer i tekniske systemer ulike tilnærminger ble utviklet. Veletablerte teknikker inkluderer:

• Sjokk rør^4,5,6 og rask komprimering maskiner⁷. Disse enhetene gir høy kontroll av trykk og temperatur over et bredt spekter. Men er de tilgjengelige reaksjonstid og egnet analytiske teknikker begrenset.
• Laminær ferdigblandet flammer^3,8,9,10,11 er ideelle for å få høy temperatur forhold i kombinasjon med en enkel flyt-feltet. Siden den romlige dimensjonen av sonen reaksjon avtar med økende press, er ferdigblandet flammer vanligvis undersøkt på lavt trykk forhold for artsdannelse formål.
• Motstrøm diffusjon flammer^12,13,14,15 er ideelle for å undersøke flamelet regimet i turbulente forbrenning. De etterligner belastningen på grunn av inhomogeneities i en ekte turbulente, men igjen, er svært begrenset i analytisk artsdannelse teknikker.
• Ulike reaktoren eksperimenter^16,17,18 (statisk, rørt og plug-flyt) gir tilgang til høytrykks miljøer, mens temperaturen er vanligvis lavere sammenlignet med flammen miljøer. Vanlige er:
  • Statisk reaktorer brukes for eksempel puls photolysis eksperimenter, men er generelt begrenset av lang botid times og lave temperaturer.
  • Jet-rørt reaktorer, dvs gass versjon av en perfekt rørt reaktor (PSR), stole på effektiv blanding av gassform og kan betjenes ved steady state med konstant botid, temperatur og trykk, gjør det enkelt å modell. Men har molekyler tid til å migrere til de varme overflatene og gjennomgå heterogene reaksjoner.
  • Mange flyt reaktoren tilnærminger er kjent med plug flyt reaktoren (PFR) som en av de mest populære tilnærmingene for å beskrive kjemiske reaksjoner i kontinuerlig, flytende systemer sylindriske geometri. Koble flyt forutsettes disse betingelsene ved steady state med fast oppholdstid settes inn som en funksjon av dens posisjon for ideelle PFRs.

Utfyllende til disse verdifulle teknikker innen eksperimentelle forbrenning kinetikk, høy temperatur laminær strømning reaktoren eksperimentere^19,20 ansette den molekylære stråle massespektrometri (MBMS) metoden for sporing arter utvikling i detalj presenteres^21,22 her. Laminær strømningsforhold, arbeider på lufttrykk og tilgjengelig temperaturer opp til 1800 K er sammensatt av flyt reaktoren, mens sensitive MBMS teknikken gjør påvisning av nesten alle kjemiske arter til stede i forbrenning prosessen. Dette inkluderer svært reaktive arter som radikaler som ikke eller knapt sporbar med andre gjenkjenningsmetoder for. MBMS teknikken er mye brukt for detaljert etterforskningen av reaksjon nettverk i flammene av tradisjonell og moderne alternative drivstoff, for eksempel alkohol eller etere^23,24,25 , og har vist å kunne stor verdi for moderne kinetic modellen utvikling.

Figur 1 viser skjematisk av høy temperatur flyt reaktoren med et zoomet bilde av prøvetaking sonden (A) og to bilder samlet eksperimentet (B) og sonden oppsett (C). Systemet kan deles inn i to segmenter: første, høy temperatur flyt reaktoren med gass og fordamper og andre, MBMS tid-av-flight detection system. I drift, er utgangen av flow-røret montert direkte til munnstykke prøvetaking av MBMS. Gassen er samplet direkte fra reaktoren stikkontakten og overført til høy-vakuum oppdagelsen system. Her er ionisering utført av elektron ionisering med påfølgende tid-av-flight deteksjon.

Reaktoren har en 40 mm indre diameter keramiske (Al₂O₃) pipe 1,497 mm lengde i en høy temperatur ovn (f.eksGero, Type HTRH 40-1000). Den totale oppvarmede delen er 1000 mm i lengde. Gasser er matet ferdigblandet og pre fordampede til reaktor med en herdet flens (vanligvis herdet til ~ 80 ° C). Den svært fortynnede (ca 99 vol % i Ar), laminær flytende reactant blanding går gjennom en kjent temperatur profil (detaljer på å temperatur vil bli gitt nedenfor). Påvisning av gass sammensetningen foregår på reaktoren utsalgsstedet som en funksjon av ovn temperatur. Mål utføres på konstant innløp massen flyt, mens en monotonically synkende temperatur rampe (-200 K/h) brukes til ovnen mellom 1800 K til 600 K. Note det samme resultat kan oppnås når forskjellige temperaturer er målt til isotermiske ovn temperatur og termiske tregheten anses riktig. Termisk stabilisering av systemet fortsatt tar litt tid og temperatur rampen er valgt som et kompromiss i snitt for en (ubetydelig) lille temperatur økning og totale måling tid per serie. Snitt tiden (45 s) av MBMS tilsvarer 2,5 K. De resulterende residence er rundt 2 s (på 1000 K) for de angitte betingelsene. Til slutt, på grunn av temperaturen reproduserbarhet, en slektning presisjon av de målte temperaturene på ±5 K eller bedre kan angis for nåværende reaktoren eksperimentet.

Figur 2 viser skjematisk av fordampe systemet, optimalisert for å undersøke selv komplekse hydrokarbon blandinger som teknisk jet brensel. Alle inndata bekker er målt i høy presisjon (nøyaktighet ±0.5%) av Coriolis masse Strømningsmålere. Fordamping av drivstoff er realisert av kommersielle fordamper ved temperaturer opp til 200 ° C. Alle forsyningslinjer med pre fordampede brensel er forvarmet med temperaturer vanligvis 150 ° C å hindre kondensering av flytende brensel, mens du unngår Termisk nedbrytning samtidig. Komplett og stabil fordamping kontrolleres rutinemessig, og kan også oppstå ved temperaturer under normale kokepunktet for de respektive drivstoff. Komplett fordampning ble sikret av små drivstoff brøken og lav delvis trykket (vanligvis under 100 Pa) behov.

Gassene samples ved en kvarts kjegle på midtlinjen av reaktoren exit ved ambient Press (rundt 960 hPa) sett mer detaljert i det zoomede bildet i figur 1. Munnstykke tips har en 50 μm orifice, som ligger omtrent 30 mm inne i keramiske røret på slutten av sonen reaksjon. Merk at prøvetaking plasseringen er fast forhold til mengden. Termisk ekspansjon av ovnen røret bare foregår ved utløpet, som ikke er mekanisk koblet til prøvetaking systemet som resulterer i en temperatur uavhengig lengden av linjestykket reaksjon. Alle reaksjoner er umiddelbart slukket grunnet dannelsen av en molekylær bjelke, når gasser utvides til høyvakuum (differensial pumping SCADA, 10^-2 og 10^-4 Pa)^25,26. Utvalget ledes til ion kilde til et elektron innvirkning (EI) tid-av-fly (TOF) masse spectrometer (masse oppløsning R = 3000) i stand til å bestemme nøyaktig masse stede arter i egnet presisjon for å bestemme elementær sammensetningen i en rik /O system. Elektronet energi er satt til lave verdier (vanligvis 9.5-10.5 eV) for å redusere fragmenteringen på grunn av Ioniseringsprosessen. Merk at den fortynningsmiddel og referanse arter argon er fortsatt synlig på grunn av bred energi distribusjon av ionisert elektronene (1,4 eV FWHM). Mens Ar kan måles med god S/N, lav elektronet energi tillater ikke tilstrekkelig bestemmelse av større arter (H₂O, CO₂, CO, H₂, O₂og drivstoff) tilstede profiler, som er i betydelig lavere konsentrasjon .

I tillegg til oppdagelsen av TOF plasseres en gjenværende gass analyzer (RGA), dvs en quadrupole masse spectrometer, i ionisering kammeret overvåke seks Art ovenfor med en høyere elektronet energi (70 eV) samtidig med MBMS-TOF målene.

Protocol

1. oppsett av molekylære strålen masse spectrometer (MBMS) og reaktor med system Varme ovnen til angitt start temperatur, som er den høyeste temperaturen i utpekte måling serien. For typisk forhold av Jet A-1 med Φ = 1, totalt oksidasjon er observert under 850 ° C (~ 1100 K). Valg av riktig starter temperaturer avhenger av kjemisk natur undersøkte drivstoff og støkiometri (Φ). Forberede tid-av-fly (TOF) spectrometer mellomliggende arter gjenkjenning. TOF spectrometer justeres av molekylære s…

Representative Results

Et typisk masse spekter av samplet gass sammensetningen er vist i Figur 3. Med gitt oppsettet av en masse oppløsning på ca. 3000, arter til m/z = 260 du kan oppdages i C/H/O systemet. Etter en masse kalibreringsprosedyren, er toppene integrert for hver masse-til-charge (m/z) forholdet med deconvolution algoritmer for å vurdere under-løst signaler. Etter bakgrunn og fragmentering rettelser, kan signalet kvantifiseres hjelp av riktig kalibrering faktorene v…

Discussion

Presentert kombinasjonen av en atmosfæriske høy temperatur flyt reaktoren med en molekylær-beam massespektrometri deteksjon system muliggjør kvantitative artsdannelse data for en rekke driftsforhold. Flere studier^21,22,23,27 vist fleksibiliteten av eksperimentet fra rike metan forhold relevante for delvis oksidasjon fenomener (φ = 2,5), å undersøke den forbrenning kjemi av moderne jet dr…

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