Flammen-Experimente an der Advanced Light Source: Neue Einblicke in Rußbildung Prozesse

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die chemische Zusammensetzung von Kohlenwasserstoffflammen im Labormaßstab zu analysieren, um ein detailliertes Verständnis dieser Bildung in Verbrennungsumgebungen zu entwickeln. Dies wird erreicht, indem zunächst brennerstabilisierte vorgemischte Flammen unter einem reduzierten Druck von etwa 20 bis 80 Millibar hergestellt werden. Der zweite Schritt besteht darin, diesen Flammen Gase zu entziehen und dann die chemische Identität der beprobten Spezies mit Hilfe eines speziell angefertigten Flugzeit-Massenspektrometers mit Vakuum-Ultraviolett-Photoionisation zu bestimmen.

Als nächstes wird die Konzentration dieser Spezies in Abhängigkeit von der Entfernung vom Brenner bestimmt. Der letzte Schritt besteht darin, einen ähnlichen Ansatz zu verwenden, um die chemische Zusammensetzung der erzeugten Verbrennung zu untersuchen, also der Partikel, die das Ergebnis der Gasphasenbildungsprozesse sind. Letztendlich wird die Flammenprobenahme-Massenspektrometrie mit Vakuum-Ultraviolett durchgeführt.

Die Photoionisation wird verwendet, um zu zeigen, dass resonanzstabilisierende Radikale wichtige Zwischenprodukte sind und dass ein einfacher Mechanismus nicht alle beobachteten Rußkomponenten erklären kann. Diese Methode kann nicht nur Einblicke in Verbrennungsprozesse geben, sondern auch zur Untersuchung der Atmosphärenchemie, der Molekulardynamik und der Kinetik verwendet werden. Stellen Sie zunächst einen Fluss von einem Liter Argonnen pro Minute und einen Sauerstofffluss von 1,5 Litern pro Minute durch die Brenneroberfläche her und halten Sie einen Druck von 80 Millibar in der Flammenkammer aufrecht.

Positionieren Sie den Hitzdrahtzünder über der Brenneroberfläche. Stellen Sie dann den Wasserstofffluss auf 0,4 Liter pro Minute ein und aktivieren Sie den Zünder nach der Zündung schnell. Schalten Sie den Hitzdrahtzünder aus und positionieren Sie ihn wieder vom Brenner weg.

Stellen Sie als Nächstes die gewünschten Flüsse von Argonnensauerstoff, Wasserstoff und Kraftstoff her. Passen Sie den Druck an die Bedingungen der Zielflamme an, die typischerweise zwischen 20 und 40 Millibar liegt, wenn der Druck in der Ionisationskammer kleiner oder gleich 10 bis minus sechs Millibar ist. Legen Sie die Spannungen an die Ionenoptik des Flugzeit-Massenspektrometers und des Mikrokanal-Plattendetektors an und öffnen Sie die Beamline-Ventile.

Starten Sie das Laboransichts-Datenerfassungsprogramm über die allgemeine Schnittstelle vi und bringen Sie den Brenner mit der Motorregisterkarte in der Software in die gewünschte Position. Verwenden Sie anschließend die Registerkarte Allgemein, um die Scan-Parameter oder die Anzahl der Schritte pro Elektronenvolt Photonenenergie zu definieren. Stellen Sie anschließend auf der Registerkarte A LS die Photonenenergie auf den gewünschten Startwert ein und definieren Sie auf der Registerkarte P 78 86 die a LS-Energie, die aktiv ist.

Verwenden Sie die Schaltfläche Parameter einstellen, um die Anzahl der Sweeps, die Anzahl der Bins und die Bin-Breite festzulegen. Geben Sie dann einen gültigen Dateipfad und Namen ein und klicken Sie auf Start, um den Datenerfassungsprozess der Computersteuerung zu starten. Für die Erfassung der Brennerscans legen Sie die Spannungen wie für die Energiescans an die Ionenoptik des Flugzeitmassenspektrometers und des Mikrokanalplattendetektors an.

Öffnen Sie die Beamline-Ventile, um den Photonenstrahl in die Kammer zu lassen. Nachdem Sie die allgemeine Benutzeroberfläche vi des LabVIEW-Datenerfassungsprogramms geöffnet haben, verwenden Sie den Rüttler unter der Motorregisterkarte, um die Brenneroberfläche so nah wie möglich an den Probenahmekegel zu bewegen und diese Position als Ursprung zu definieren. Definieren Sie dann, dass der Motor aktiv ist.

Auf der Registerkarte Allgemein können Sie die Scanparameter oder die Anzahl der Schritte pro Millimeter Brennerbewegung festlegen. Verwenden Sie als Nächstes die Lasche a LS, um die Photonenenergie auf den gewünschten Wert einzustellen, der typischerweise zwischen acht und 16,65 Elektronenbolzen auf der Lasche P 78 86 liegt. Verwenden Sie die Schaltfläche "Parameter einstellen", um ein subvirtuelles Instrument zu starten, um die Anzahl der Sweeps oder die Anzahl der übereinander hinzugefügten Massenspektren an jeder Brennerposition, die Anzahl der Bins und die Bin-Breite festzulegen.

Geben Sie anschließend einen gültigen Dateipfad und Namen ein und klicken Sie auf Start, um den automatisierten Datenerfassungsprozess zu starten. RAAs für das Aerosolexperiment mit entgegengesetzter Strömung werden verwendet. Füllen Sie zunächst die Flammenkammer mit Argon und erhöhen Sie den Druck auf etwa 860 Millibar. Spielen Sie die Zündspule ungefähr in der Mitte der beiden Brennerauslässe ab.

Stellen Sie den Oxidationsmittelstrom auf 0,3 Liter pro Minute für Sauerstoff und 1,6 Liter pro Minute für Argon und den Oxidationsstrom-Co-Durchfluss auf 2,5 Liter pro Minute für Argon ein. Stellen Sie dann den Kraftstoffstrahl auf 0,3 Liter pro Minute für Wasserstoff und 2,5 Liter pro Minute für Argon und den Kraftstoffstrom-Coflow auf 2,5 Liter pro Minute ein. Bei Argon öffnen Sie die Wasserstoff- und Sauerstoffventile und schalten sofort die Zündschlange ein.

Sobald die Flamme gezündet ist, schalten Sie die Zündspule aus und ziehen Sie sie ein. Stellen Sie an dieser Stelle die gewünschten Flüsse von Sauerstoff, Argon und Kraftstoff her. Schalten Sie den Wasserstofffluss aus und stellen Sie den Abstand zwischen Druck und Reaktantenaustritt auf die gewünschten Werte ein.

Für die Zielflamme. Legen Sie die entsprechenden Spannungen an die Ionenoptik und den Detektor des Aerosol-Massenspektrometers an. Öffnen Sie dann die Laboransicht Datenerfassungsprogramm Allgemeine Schnittstelle gegenüber Fluss VI.

Verwenden Sie die Rüttelapplikation auf der Motorlasche, um den Gegenstrombrenner so zu verschieben, dass sich die Quarzmikrobe an der Position befindet, die dem Brennstoffauslass am nächsten liegt. Setzen Sie in dieser Position die Schrittposition des Motors auf Null zurück. Im Anschluss daran.

Öffnen Sie langsam den Vierteldrehungskugelhahn, so dass der Fluss von der Flammenprobenahmeleitung in die aerodynamische Linse oder ein DL-System erfolgt. Vergewissern Sie sich, dass der Druck am Ausgang des A DL nahe eins mal 10 bis zu minus zwei Millibar liegt. Auf der Registerkarte Allgemein können Sie die Scan-Parameter oder die Anzahl der Schritte pro Millimeter Brennerbewegung oder Photonenenergie definieren.

Verwenden Sie die LS-Lasche, um die gewünschte Photonenenergie einzustellen, und verwenden Sie die Motorlasche, um den Brenner in die gewünschte Brennerposition zu bewegen. Verwenden Sie anschließend die Registerkarte P 78 86 und die Schaltfläche Parameter einstellen darin. Um die Erfassungsparameter einzustellen, definieren Sie die Motor- oder LS-Energie als aktiv.

Geben Sie einen gültigen Dateipfad und Namen in die entsprechenden Felder ein und klicken Sie auf Start, um die Aerosol-Massenspektren zu erfassen. Hier ist ein typisches Massenspektrum von Flammengasen aus dem vorgemischten Niederdruckbrenner dargestellt. Die Identität der Spezies, die zum Signal beitragen, wird durch die Flammenabtastung der Photoionisationseffizienz oder PIE-Kurven für jedes Hauptladungsverhältnis und deren Vergleich mit bekannten isomerenspezifischen Ionisationsenergien und PIE-Kurven verraten.

Typische Beispiele für flammenbeprobte PIE-Kurven sind hier dargestellt. Für das Hauptladeverhältnis beträgt 39 und 41. Die Daten stammen aus einer Stoia-metrischen Propanflamme.

Das Signal wird eindeutig durch ihre charakteristischen Ionisationsschwellen identifiziert, die von den ly stabilisierten Arial- und Allelradikalen stammen. Für viele Werte des Hauptladeverhältnisses werden routinemäßig mehrere Isomere identifiziert, indem mehrere Schwellenwerte beachtet werden. Viele Beispiele sind in der Literatur ausführlich diskutiert worden.

Zum Beispiel ist das Hauptladungsverhältnis gleich 40 für Alen und Propan, 44 für Ethanol und Acetaldehyd 54 für ein, drei Butadien, ein Butan und zwei Butan oder 78 für Fulin und Benzol. Sobald die Isomerenzusammensetzung bekannt ist, werden Massenspektren bei verschiedenen Photonenenergien und aus verschiedenen Positionen in der Flamme aufgenommen, um die Bestimmung von isomerenspezifischen Molenbruchprofilen der einzelnen Spezies zu ermöglichen. In Abhängigkeit vom Abstand von der Brenneroberfläche sind hier repräsentative Molenbruchprofile von Fulin und Benzol in einer geometrischen Propanflamme STO aus dem Niederdruck-Vormischbrenner dargestellt.

Für jede Flamme werden typischerweise insgesamt 40 bis 50 einzelne Molenbruchprofile für Spezies bestimmt, die je nach wissenschaftlichen Zielen von einem Hauptladungsverhältnis von eins bis einem Hauptladungsverhältnis von 78 oder sogar höher reichen. Diese Molenbruchprofile werden dann verwendet, um die Vorhersagefähigkeiten von Verbrennungschemiemodellen zu bewerten und zu validieren. Hier ist ein typisches Aerosol-Massenspektrum dargestellt, das aus einem Propan-Flammenionensignal mit entgegengesetzter Strömungsdiffusion entnommen wurde, wurde für Spezies mit Hauptladungsverhältnissen von 150 bis 600 mit einem Peak um 202 beobachtet.

Es geht über die derzeitigen experimentellen Möglichkeiten hinaus, alle im Massenspektrum beobachteten Spezies zu identifizieren oder ihre mögliche Entstehung zu entschlüsseln. Die Verwendung solcher Massenspektren in Abhängigkeit von der Entfernung vom Kraftstoffauslass, wie beschrieben, liefert ortsaufgelöste Profile. Ein repräsentatives Beispiel ist hier dargestellt, denn das Massenladungsverhältnis beträgt 256. Ähnliche Profile können auch für jede der anderen Spezies erhalten werden, die daher als Validierungsziele für jedes Verbrennungschemiemodell verwendet werden könnten.

Einmal gemeistert, kann ein erfahrener Bediener diese Technik nutzen, um innerhalb weniger Stunden einen vollständigen Satz von Flammendaten aufzuzeichnen.