Methodenartikel

Chemie der Verbrennung von Brennstoffen: Quantitative Speziationsdaten aus einer atmosphärischen Strömung der Hochtemperatur-Reaktor mit gekoppelt Molekularstrahl Massenspektrometer

DOI:

10.3791/56965

⸱

19. Februar 2018

 ,  ,  , 
1Institute of Combustion Technology, German Aerospace Center (DLR)

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Eine Untersuchung der oxidative Verbrennung Chemie der neuartige Biokraftstoffe, Kraftstoffkomponenten oder Flugbenzin durch Vergleich der quantitativen Artbildung, die Daten präsentiert werden. Die Daten für kinetische Modellvalidierung einsetzbar und ermöglicht Kraftstoff Bewertungsstrategien. Dieses Manuskript beschreibt den atmosphärischen Strömung der Hochtemperatur-Reaktor und demonstriert seine Fähigkeiten.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Manuskript beschreibt eine Hochtemperatur-Fluss-Reaktor-Experiment gekoppelt an die mächtigen Molekularstrahl-Massenspektrometrie (MBMS)-Technik. Dieses flexible Werkzeug bietet eine detaillierte Beobachtung der chemischen Gasphasen-Kinetik in reagierenden Strömungen unter kontrollierten Bedingungen. Die unterschiedlichsten Betriebsbedingungen zur Verfügung in einem Laminar-Flow-Reaktor ermöglicht den Zugriff auf außergewöhnliche Verbrennung-Anwendungen, die in der Regel nicht durch Flamme Experimente erreichbar sind. Dazu gehören reichen Bedingungen bei hohen Temperaturen relevant für Vergasungsverfahren, die EZB Tieftemperatur Oxidation Regime oder Untersuchungen von komplexen technischen Brennstoffen Peroxy-Chemie. Die vorgestellte Setup erlaubt Messungen der quantitative Speziationsdaten für die Modellvalidierung Reaktion der Verbrennung, Vergasung und Pyrolyse-Verfahren ermöglicht ein systematische allgemeines Verständnis der Chemie Reaktion. Validierung von Modellen kinetische Reaktion erfolgt in der Regel durch die Untersuchung von Verbrennungsprozessen von reinen Verbindungen. Der Fluss Reaktor wurde optimiert und für technische Brennstoffe (z.B. Mehrkomponenten Mischungen wie Jet a-1) geeignet für phänomenologische Analyse der auftretenden Verbrennung Zwischenprodukte wie Ruß Vorstufen oder Schadstoffe ermöglichen. Die kontrollierte und vergleichbaren Randbedingungen zur Verfügung gestellt durch das experimentelle Design ermöglichen Vorhersagen der Schadstoff Bildung Tendenzen. Kalten Edukte werden gefüttert vorgemischten in den Reaktor, die hoch (in etwa 99 Vol% in Ar) verdünnt werden, um autarke Verbrennung Reaktionen zu unterdrücken. Der laminar fließende Eduktgemisch durchläuft eine bekannte Temperatur-Bereich während die Gaszusammensetzung in Abhängigkeit von der Temperatur am Reaktoren Auspuff bestimmt ist. Der Fluss-Reaktor ist bei atmosphärischem Druck mit Temperaturen bis zu 1.800 K. betrieben. Die Messung selbst erfolgt durch eine Verringerung der Temperatur monoton mit einer Rate von-200 K/h. Mit der sensiblen MBMS-Technik detaillierte Speziationsdaten erworben und für fast alle chemischen Spezies in der reaktiven Prozess, einschließlich der radikalen Arten quantifiziert.

Einleitung

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Verbrennungsprozesse im Zuge der moderne, emissionsarme Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen ist eine Herausforderung für heutige Gesellschaften ökologischen und ökonomischen Themen. Sie haben das Potenzial zu verringern unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, CO2 -Emissionen ausgeglichen und haben einen positiven Einfluss auf schädliche Schadstoffemissionen wie Ruß und seine giftigen Vorläufer-1. Kombination von diesem schnell wachsenden Bereich mit deren Nutzung in modernen Brennkammer Systeme, stieg die Nachfrage auf ein grundlegendes Verständnis der regierenden chemische und physikalische Prozesse dramatisch2. Die komplexe chemische Reaktion Netze infolge der radikalen Kettenreaktionen sind auch heute noch nicht vollständig verstanden. Um zu analysieren oder auch Phänomene wie Schadstoffbildung oder (Auto) Zündung Prozesse zu steuern, ist die detaillierte Kenntnis der chemischen Reaktionsnetzwerke ein entscheidendes Stück des Puzzles3.

Zu untersuchen und diese chemische Reaktion Netze zu verstehen, sind die experimentelle und numerische Ansätzen obligatorisch. Experimentell wird die Verbrennung-Chemie in der Regel untersucht, durch Experimente mit vereinfachten und gut kontrollierten Durchfluss Umgebungen zu spezifischen Fragen gezielt anwenden. Die hohe Komplexität und Dynamik der einzelnen Sub-Prozesse zu verhindern, dass exakte Reproduktion der Bedingungen des technischen Brennkammern durch die grundlegende Experimente und ermöglicht die Verfolgung der ausgewiesenen Hauptmerkmale wie Temperatur, Druck, Wärme Freigabe oder chemischer Spezies. Schon früh zeigte sich die Notwendigkeit für verschiedene experimentelle Ansätze, jeweils eine spezifische Frage und Bereitstellung einer weiteren Reihe von Informationen einen Beitrag zum globalen Bild der Verbrennung Chemie. Um decken die komplette Bandbreite von Bedingungen und sammeln diese nachfolgende Informationen Sätze beschreiben komplexe Bedingungen auftreten in technischen Systemen verschiedene Ansätze wurden erfolgreich entwickelt. Gut etablierte Techniken gehören:

  • Schock-Röhren4,5,6 und schnelle Kompression Maschinen7. Diese Geräte bieten hohe Kontrolle über Druck und Temperatur über einen weiten Bereich. Die leicht zugängliche Reaktion Zeit und geeignete analytische Techniken sind jedoch beschränkt.
  • Laminar vorgemischten Flammen3,8,9,10,11 sind ideal, um die hohen Außentemperaturen in Kombination mit einer einfachen Strömungsfeld zu gewinnen. Da die räumliche Dimension der Reaktionszone nimmt mit zunehmendem Druck, sind vorgemischte Flammen in der Regel am Niederdruck Bedingungen für Speziation Zwecke untersucht.
  • Gegenstrom Verbreitung Flammen12,13,14,15 eignen sich für die Untersuchung des Flamelet Regimes in turbulenten Verbrennung. Die Belastung durch Inhomogenitäten in eine echte turbulente Strömung zu imitieren, sondern sind, wieder hoch in analytischen Speziation Techniken beschränkt.
  • Verschiedenen Reaktor Experimente16,17,18 (statisch, gerührt und Plug-Flow) bieten Zugang zum Hochdruck-Umgebungen, während die Temperaturen in der Regel niedriger sind im Vergleich zu Umgebungen Flamme. Gemeinsame Konzepte sind:
    • Statische Reaktoren sind weit verbreitet für z.B. Puls Photolyse Experimente, aber sind im Allgemeinen durch langen Verweilzeiten und niedrigen Temperaturen begrenzt.
    • Jet-gerührt, Reaktoren, d.h. Gas Version perfekt Rührreaktor (PSR), verlassen Sie sich auf die effiziente Vermischung der Gasphase und können im Steady-State mit konstanten Verweilzeit, Temperatur und Druck, macht es einfach, Modell betrieben werden. Moleküle haben jedoch Zeit zu heißen Oberflächen zu migrieren und heterogene Reaktionen zu unterziehen.
    • Zahlreiche Fluss Reaktor Ansätze sind mit Stecker Flow Reactor (PFR) als eines der beliebtesten Ansätze zur Beschreibung chemischer Reaktionen in kontinuierlichen, fließenden Systemen der zylindrische Geometrie bekannt. Stecken Sie fließen, die Bedingungen im Steady-State mit festen Verweilzeit des Steckers in Abhängigkeit von seiner Position für ideale Pfr angenommen werden.

Ergänzend zu diesen wertvollen Techniken auf dem Gebiet der experimentellen Verbrennung Kinetik, ein Laminar-Flow Hochtemperatur-Reaktor experimentieren19,20 mit der Molekularstrahl Massenspektrometrie (MBMS) Technik für die Ablaufverfolgung Entwicklung der Arten im Detail präsentiert21,22 hierin. Laminar-Flow-Bedingungen, arbeiten bei Atmosphärendruck und erreichen Temperaturen bis zu 1.800 K sind die Hauptmerkmale des Reaktors fließen, während die sensible MBMS-Technik die Erkennung von fast allen chemischen Spezies in der Verbrennung vorhanden ermöglicht Prozesses. Dazu gehören hoch reaktive Spezies wie radikale, die nicht oder kaum nachvollziehbar mit anderen Nachweismethoden. Die MBMS-Technik ist weit verbreitet für die detaillierte Untersuchung von Reaktionsnetzwerke in Flammen der konventionellen und modernen alternativer Kraftstoffe, wie z. B. Alkohole oder Ether23,24,25 und hat gezeigt, um sein großen Wert für die Entwicklung der modernen kinetischen Modell.

Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung der Hochtemperatur-Fluss-Reaktor mit einem vergrößerten Rahmen die Probenahmesonde (A) und zwei Bilder, die Hervorhebung des gesamten Experiments (B) und die Sonde setup (C). Das System kann in zwei Segmente unterteilt werden: Erstens, die Hochtemperatur-Fluss-Reaktor mit Gaslieferungen und Verdampfer System und zweite, MBMS-Time-of-Flight Detection-System. In Betrieb ist die Ausfahrt das Durchflussrohr direkt zur Probenahme Düse von MBMS-System montiert. Das Gas direkt aus der Steckdose Reaktor abgetastet und auf das Hochvakuum-Detection-System übertragen. Hier erfolgt die Ionisation durch Elektron Ionisation mit anschließenden Time-of-Flight-Erkennung.

Der Reaktor hat eine 40 mm Innendurchmesser (Al2O3) Keramikrohr 1.497 mm Länge in einer Hochtemperatur-Ofen (z.B., Gero, Typ HTRH 40-1000) gelegt. Der gesamten beheizten Abschnitt ist 1.000 mm Länge. Gase sind vorgemischte und vorab in den Reaktor verdampfte durch einen temperierten Flansch (in der Regel gehärtet auf ca. 80 ° C) zugeführt. Die stark verdünnte (ca. 99 Vol% in Ar), laminar fließende Eduktgemisch durchläuft einen bekannten Temperaturverlauf (Details zur Charakterisierung der Temperatur werden unten gegeben). Detektion von der Gaszusammensetzung erfolgt im Reaktor Outlet in Abhängigkeit von der Temperatur. Messung erfolgt bei konstanten Zulauf Massenstrom, während eine monoton abnehmende Temperaturrampe (-200 K/h) in den Ofen im Bereich von 1.800 K bis 600 K. Note angewendet wird, die ähnliche Ergebnisse erzielt werden können, wenn bei unterschiedliche Temperaturen gemessen werden isothermen Ofentemperaturen und thermische Trägheit gilt als richtig. Die thermische Stabilisierung des Systems dauert noch einige Zeit und die Temperaturrampe als Kompromiss der Mittelung, Zeit für ein Inkrement (vernachlässigbar) kleine Temperatur und totale Messzeit pro Serie ausgewählt ist. Die Mittelungszeit (45 s) die MBMS entspricht 2,5 K. Die daraus resultierende Residenzzeiten sind etwa 2 s (bei 1.000 K) für den gegebenen Bedingungen. Schließlich kann durch die Temperatur Reproduzierbarkeit, eine Relative Genauigkeit der gemessenen Temperaturen von ±5 K oder besser für das gegenwärtige Reaktor-Experiment angegeben werden.

Abbildung 2 zeigt die schematische Darstellung der verdunstende System optimiert, um auch komplexe Kohlenwasserstoff-Gemische wie technische Flugbenzin zu untersuchen. Alle input-Streams sind in hoher Präzision (Genauigkeit ±0.5 %) von Coriolis Masse-Durchflussmesser mit Taxametern ausgestattet. Verdampfung des Kraftstoffes wird realisiert durch eine kommerzielle Vaporizer-System bei Temperaturen bis 200 ° C. Alle Versorgungsleitungen mit Pre verdampfte Brennstoffe sind mit Temperaturen in der Regel 150 ° C zu verhindern Kondensation der flüssigen Brennstoffe, unter Vermeidung von thermischen Abbau zur gleichen Zeit vorgewärmt. Vollständige und stabile Verdampfung wird regelmäßig überprüft und kann sogar bei Temperaturen unter dem normalen Siedepunkt der jeweiligen Brennstoffe auftreten. Vollständige Verdampfung wurde durch die kleinen Kraftstoff-Fraktion und den geringen Partialdruck sichergestellt (typischerweise unter 100 Pa) benötigt.

Die Gase werden durch einen Quarz-Kegel an der Mittellinie der Reaktor-Ausfahrt bei ambient drücken (ca. 960 hPa) abgetastet, wie etwas ausführlicher im vergrößerten Rahmen der Abbildung 1zu sehen. Die Düsenspitze hat eine 50 μm-Öffnung, die rund 30 mm innen das Keramikrohr am Ende der Reaktionszone befindet. Beachten Sie, dass der Probenahmeort in Bezug auf den Einlass fixiert ist. Thermische Ausdehnung von der Bratschlauch erfolgt nur an der Steckdose, die nicht mechanisch mit den Sampling-System führt eine Temperatur unabhängige Länge des Segments Reaktion verbunden ist. Alle Reaktionen sind sofort durch die Bildung einer Molekularstrahl abgeschreckt, wenn Gase in Hochvakuum (differentielle Pumpstation zweistufig; 10-2 und 10-4 Pa)25,26erweitert werden. Das Beispiel orientiert sich an der Ionenquelle ein Elektron Auswirkungen (EI) Time-of-Flight (TOF) Massenspektrometers (Masse Auflösung R = 3.000) bestimmen die genauen Masse der vorliegenden Arten geeignet Präzision zur Bestimmung der elementaren Zusammensetzung innerhalb einer C/H / O-System. Die Elektronen Energie ist auf niedrige Werte (in der Regel 9,5-10,5 eV) festgelegt, um Fragmentierung aufgrund der Ionisierung zu minimieren. Beachten Sie, dass das Verdünnungsmittel und Referenz Arten Argon aufgrund der breiten Energieverteilung der ionisierenden Elektronen (1,4 eV FWHM) noch nachweisbar ist. Während Ar mit guten S/N, gemessen werden kann, die niedrige Elektron Energie erlaubt keine ausreichende Bestimmung der großen Arten (H2O, CO2, CO, H2O2und Kraftstoff) präsentieren Profile, die im wesentlichen niedrigeren Konzentrationen .

Neben der Erfassung von TOF steht ein Restgas Analyzer (RGA), d. h. ein Quadrupol-Massenspektrometer, die Ionisationskammer, sechs Arten oben mit einem höheren Elektron Energie (70 eV) gleichzeitig auf die MBMS-TOF-Messungen zu überwachen.

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Protokoll

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1. Setup der Molekularstrahl-Massenspektrometer (MBMS) und Flow-Reaktor-system

  1. Den Backofen auf bezeichneten Starttemperatur, die die höchste Temperatur im dafür vorgesehenen Messreihe ist. Typische Bedingungen für Jet a-1 mit Φ = 1, Totaloxidation wird unter 850 ° C (~ 1.100 K) beobachtet. Die Wahl des richtigen Start Temperaturen hängt von der chemischen Natur des untersuchten Kraftstoffs und die Stöchiometrie (Φ).
  2. Time-of-Flight (TOF) Spektrometer für fortgeschrittene Arten Erkennung vorzubereiten. Das TOF-Spektrometer orientiert sich an den Molekularstrahl und bietet somit zuverlässige Erkennung von labiler Arten.
    Hinweis: Die Massenauflösung eignet sich für die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung in einem C/H/O-System. Fragmentierung, wählte weiche Ionisierung Bedingungen zu vermeiden. Werte in der Regel 9,5 bis 10,5 eV sind geeignet für eine typische Untersuchung der Verbrennung Zwischenprodukte nachgewiesen worden.
  3. Bereiten Sie Quadrupol-Spektrometer zur Erkennung der wichtigsten Arten.
    Hinweis: Da das Quadrupol-Spektrometer (auch genannt Residual Gas Analyzer, RGA) in der Ionisationskammer die MBMS-Systems in der Nähe der Molekularstrahl eingefügt wird, werden nur die Wand verstreut Hintergrund Gase gemessen. Da große Arten stabil sind, spiegelt der Hintergrund Druck gut ihre Konzentration an der Spitze der Probenahme. Für besseres Signal-Rausch-Verhältnis wählte eine hohe Ionisierungsenergie von 70 eV in diesem Fall.

2. Vorbereitung der Probe Kraftstoff

  1. Bereiten Sie die Metall Spritze für die Kraftstoffversorgung.
    Vorsicht: Verwenden Sie geeigneten persönlichen Schutzausrüstung für Umgang mit Kraftstoff.
    1. Füllen Sie 30 mL der Probe Kraftstoff an der Vaporizer Metall Spritze.
    2. Durch Druckluft zum System hinzuzufügen, wenn das Ventil zu öffnen mit Druck beaufschlagen Sie Kraftstoffversorgung (Metall Spritze) bis 5 Bar.
    3. Vent-Benzinleitungen und Coriolis Masse Durchflussmesser durch Öffnen der Ventile in den Kraftstoff-Zuleitungen.
  2. Erwärmen Sie den Verdampfer und Gas-Versorgungsleitungen. In den vorgegebenen Einstellungen können Temperaturen weit unter dem Siedepunkt Normaldruck aufgrund der hohen Verdünnung angewendet werden. Sicherstellen Sie, dass der Dampfdruck an der vorgesehenen Temperatur der höchsten kochende Mischung des Kraftstoffs höher als der Partialdruck im Gasstrom ist. 200 ° C ist in der Regel ausreichend für Jet a-1.
  3. Beachten Sie, dass der kälteste Punkt im System der temperierten Einlass-Flansch in den Ofen. Stellen Sie sicher, dass kann nicht der verdünnte Kraftstoff an dieser Stelle erneut. Für typische Jet a-1 (99 % Verdünnung) Einstellung ist die Wasserkühlung auf 80 ° C ausreichend.

3. Messung und Datenerfassung

  1. Ofen zur Probenahme Position zu platzieren. Die Probenahme-Kegel muss im Inneren des Ofens Keramikrohr platziert werden. Im vorliegenden experiment, der Probenahmeort liegt in der Nähe der Plateauwert von der räumlichen Temperaturprofil des Ofens.
    Hinweis: Das Bild in Abbildung 1 zeigt die Kegel und der Reaktor. Die beheizten Reaktor (blau) bewegt sich auf Schienen in Richtung der Quarz-Kegel.
  2. Starten Sie durch das Hinzufügen von Gas durch die Coriolis Masse Durchflussmesser Verdünnungsmittel Wahl.
    Hinweis: Die ursprüngliche Software-Paket sind die Masse-Durchflussmesser gesteuert. Hier können Massenstrom Werte festgelegt werden. In der Regel ist 99 % Argon verwendet. In der Regel für flüssige Brennstoffe, kann die Verdünnungsmittel Strömung aufgeteilt, um Vaporizer und Oxidationsmittel Gasströmen mithilfe einer zusätzlichen Coriolis Masse Durchflussmesser parallel zum Cori-Flow 2 passieren die beheizten Linie und direkt in den Stream Oxidationsmittel von Cori-Flow-3 verbunden.
  3. Starten Sie kontinuierliche Datenaufzeichnung (TOF und Quadrupol) mithilfe der ausgewiesenen instrumental-Software.
    Hinweis: Klicken Sie auf Start-Button in Quadrupol-Software. Klicken Sie auf Start-Button in TOF-Software.
    1. Fügen Sie Oxidationsmittel O2 durch festlegen den entsprechenden Flow Zustand der Coriolis Durchflussmesser Software hinzu. Beobachten Sie die eingehenden Oxidationsmittel als neuen Höhepunkt im Massenspektrum.
  4. Fügen Sie Kraftstoff durch festlegen den entsprechenden Flow Zustand der Coriolis Masse Durchflussmesser.
    1. Spektren zu überprüfen. Wenn vollständige Oxidation bei schlanken und stöchiometrischen Bedingungen erreicht wird, beobachten Sie ein stabiles CO2 Masse Signal.
  5. Wenn Signalintensitäten stabil für 4 bis 5 Messungen sind, endet eine Stabilisierung. Gelten Sie nach der Stabilisierungsperiode die kontinuierliche Temperatur Verfall Rampe von in der Regel-200 K/h in den Ofen. Dies führt zu typischen Messzeiten von 2 h pro Messfahrt.
    1. Beobachten Sie bei einer bestimmten Ofentemperatur während der Rampe einen raschen Wandel der Massenspektren. Sole Verbrennungsprodukte (H2O, CO2 und CO, H2 in reichen Fällen) anfangen zu verschwinden und Kleinfeuerung Zwischenprodukte werden nachweisbar.
      Hinweis: Mit weiter abnehmender Temperatur, sichtbare Zwischenprodukte größer und größer geworden. Bei kalten Ofentemperaturen kann nur das Signal von Kraftstoff-Verbindungen und Sauerstoff beobachtet werden; keine Reaktionen sind in der heutigen Residenzzeit des Reaktors statt.
  6. Wann wird die endgültige Temperatur stabilisiert (in der Regel 500 ° C; 10 min), schalten Sie das Oxidationsmittel.
    1. Weiter Aufnahme Messungen. Erhalten Sie Kraftstoff Charakterisierung (Zusammensetzung der Fragmentierung) Messungen an Bedingungen ohne Oxidationsmittel.
  7. Schalten Sie Kraftstoff in der Coriolis Masse Durchflussmesser Software den Wert auf 0 festlegen. Daten werden noch aufgezeichnet werden; Verwenden Sie diese Spektren für Hintergrundmessung.
  8. Datenerfassung durch den Stop-Button in der Software zu stoppen.

4. Kalibrierung Messungen

  1. Für die Kalibrierung Fragen montieren einer geschlossenen Kammer vor der Probenahme Kegel.
    Hinweis: Die geschlossene Kammer ist ein Schlauch, der von hand vor der Düse befindet.
  2. Ventil zu Pumpe öffnen. Die Kammer wird evakuiert.
  3. Binäre Mischungen (Kohlenwasserstoff und Ar) oder kommerzielle Kalibrierung Gase für Kalibrierung anwenden. Zur Demonstration wird hier eine maßgeschneiderte Gasgemisch mit CO und CO2 und Argon verwendet.
  4. Passen Sie den Druck in der Kammer Kalibrierung mit einem Nadelventil Signalintensität über das Signal-Rausch-Verhältnis und unter der Sättigungsgrenze zu erhalten.
  5. Starten Sie Kalibrierung Messungen durch Datenerfassung wie für die individuelle Messung in 3.5 durchgeführt, indem Sie auf die Schaltfläche "Start" in der TOF-Software starten.

5. Datenverarbeitung

Hinweis: Aufgezeichneter Spektren müssen die jeweiligen Ofentemperatur abgestimmt sein, was, denen Sie mit aufgenommen werden.

  1. Berechnen Sie bei jeder aufgezeichnete Temperatur für jede gewählte Art die Maulwurf-Fraktion aus das entsprechende Signal. Plot der Maulwurf Bruchteil Profile vs. Ofentemperatur (Abbildung 3).

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Ergebnisse

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Ein typisches Massenspektrum von gesampelten Gaszusammensetzung ist in Abbildung 3dargestellt. Mit dem gegebenen Aufbau einer Massenauflösung ca. 3.000 Arten bis zu m/Z = 260 Sie innerhalb des Systems der C/H/O erkannt werden können. Nach einer Masse Kalibrierverfahren sind die Gipfel mit Dekonvolution Algorithmen zur Auswertung unter gelöst Signale für jedes Verhältnis Masse-Ladungs-(m/Z) integriert. Nach Hintergrund und Fragmentierung Korrekturen kann das S...

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Diskussion

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Die vorgestellten Kombination eines atmosphärischen Hochtemperatur-Strömung-Reaktors mit einem Molekularstrahl Massenspektrometrie Erkennung ermöglicht quantitative Speziation Systemdaten für eine Reihe von Betriebsbedingungen. Mehrere Studien21,22,23,27 zeigt die Flexibilität des Experiments reichen Methan Bedingungen für partielle Oxidation Phänomene ab (φ = 2,5), für die Untersuchung der Che...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Die Experimente wurden in der Massenspektrometrie-Abteilung am Institut für Verbrennungstechnologie, Deutsches Zentrum Für Luft-Und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart, Deutschland durchgeführt. Die Arbeit wurde auch unterstützt durch die Helmholtz-Allianz Energie "Synthetische flüssigen Kohlenwasserstoffen", das Center of Excellence "Alternative Kraftstoffe" und das DLR-Projekt "Kraftstoffe der Zukunft". Die Autoren wollen Patrick Le Clercq und Uwe Riedel für fruchtbare Diskussionen auf Flugbenzin zu danken.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Time-Of-Flight MBMSKaesdorfn.a.Sonderanfertigung
Molecular Beam Samling InterfaceEigenbaun.a.Sonderanfertigung
Laminar Flow ReactorGero Typ HTRH 40-1000Sonderanfertigung
Quadrupol MSHidenHAL/3F 301angepasst an Ionisationskammer
VerdampferBronkhorstCEMVerdampfer
MassendurchflussmesserBronkhorstMini Cori-Flow M12, M13, M14Durchflussregler
Jet A-1n.a.n.a.StandardDüsentreibstoff von Interesse
MetallspritzeHugo Sachs70-2252Kraftstoffversorgung
HeizschläucheHillesheimHMI-SerieGasvorwärmgas
LindeAr, O2Verdünnungsmittel, Oxidationsmittel

Referenzen

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  1. Moore, R. H., et al. Biofuel blending reduces particle emissions from aircraft engines at cruise conditions. Nature. 543 (7645), 411-415 (2017).
  2. 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).
  3. Egolfopoulos, F. N., et al. Advances and challenges in laminar flame experiments and implications for combustion chemistry. Prog Energ Combust. 43, 36-67 (2014).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Sung, C. -J., Curran, H. J. Using rapid compression machines for chemical kinetics studies. Prog Energ Combust. 44, 1-18 (2014).
  8. Kohse-Höinghaus, K., et al. Cover Picture: Biofuel Combustion Chemistry: From Ethanol to Biodiesel. Angw Chem Int Edit. 49 (21), 3545(2010).
  9. 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).
  10. Li, Y., et al. Experimental Study of a Fuel-Rich Premixed Toluene Flame at Low Pressure. Energ Fuel. 23 (3), 1473-1485 (2009).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Li, Y., et al. Experimental and kinetic modeling study of tetralin pyrolysis at low pressure. P Combust Inst. 34 (1), 1739-1748 (2013).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Qi, F. Combustion chemistry probed by synchrotron VUV photoionization mass spectrometry. P Combust Inst. 34 (1), 33-63 (2013).
  26. Biordi, J. C. Molecular beam mass spectrometry for studying the fundamental chemistry of flames. Prog Energ Combust. 3 (3), 151-173 (1977).
  27. 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).
  28. Oßwald, P., et al. In situ flame chemistry tracing by imaging photoelectron photoion coincidence spectroscopy. Rev Sci Instum. 85 (2), 025101(2014).
  29. Oßwald, P., et al. Combustion Chemistry of the Butane Isomers in Premixed Low-Pressure Flames. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 225, 1029(2011).
  30. Schenk, M., et al. Detailed mass spectrometric and modeling study of isomeric butene flames. Combust. Flame. 160 (3), 487-503 (2013).
  31. Wang, H., et al. USC Mech Version II. High-Temperature Combustion Reaction Model of H2/CO/C1-C4 Compounds. , Available from: http://ignis.usc.edu/USC_Mech_II.htm (2007).
  32. Li, W., et al. Multiple benzene-formation paths in a fuel-rich cyclohexane flame. Combust. Flame. 158 (11), 2077-2089 (2011).
  33. 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).
  34. Taatjes, C. A., et al. Enols Are Common Intermediates in Hydrocarbon Oxidation. Science. 308 (5730), 1887-1889 (2005).
  35. Li, Y., et al. An experimental study of the rich premixed ethylbenzene flame at low pressure. P Combust Inst. 32 (1), 647-655 (2009).
  36. Yuan, W., et al. A comprehensive experimental and kinetic modeling study of ethylbenzene combustion. Combust. Flame. 166, 255-265 (2016).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).

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Molecular Beam Mass SpectrometryKinetic Model ValidationTechnical Fuels AnalysisPollutant Formation TendenciesRadical Species DetectionLaminar Flow ReactorAtmospheric Pressure Combustion

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