Los experimentos de la llama a la fuente de luz avanzada: nuevos conocimientos sobre los procesos de formación de hollín

El objetivo general de este procedimiento es analizar la composición química de las llamas de hidrocarburos a escala de laboratorio, para desarrollar una comprensión detallada de dicha formación en entornos de combustión. Esto se logra estableciendo primero llamas premezcladas estabilizadas por el quemador bajo una presión reducida de aproximadamente 20 a 80 milibares. El segundo paso es extraer los gases de estas llamas y luego determinar la identidad química de las especies muestreadas mediante el uso de un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo hecho a medida con fotoionización ultravioleta al vacío.

A continuación, la concentración de estas especies se determina en función de la distancia al quemador. El paso final es utilizar un enfoque similar para estudiar la composición química de la combustión generada, es decir, las partículas, que son el resultado de los procesos de formación de la fase gaseosa. En última instancia, espectrometría de masas de muestreo de llama con ultravioleta de vacío.

La fotoionización se utiliza para demostrar que los radicales estabilizadores de resonancia son intermediarios importantes, y que un mecanismo simple no puede explicar todos los componentes de hollín observados. Si bien este método puede proporcionar información sobre los procesos de combustión, también se puede utilizar para estudiar la química atmosférica, la dinámica molecular y la cinética, entre otras cosas. Primero, establezca un flujo de un litro por minuto de Argonne y un flujo de oxígeno de 1,5 litros por minuto a través de la superficie del quemador, y mantenga una presión de 80 milibares en la cámara de llama.

Coloque el encendedor de alambre caliente sobre la superficie del quemador. A continuación, ajuste el flujo de hidrógeno a 0,4 litros por minuto y active rápidamente el encendedor después del encendido. Apague el encendedor de alambre caliente y vuelva a colocarlo lejos del quemador.

A continuación, establezca los flujos deseados de oxígeno, hidrógeno y combustible de Argonne. Ajuste la presión para que coincida con las condiciones de la llama objetivo, que suele estar entre 20 y 40 milibares cuando la presión en la cámara de ionización es menor o igual a 10 por menos seis milibares. Aplique los voltajes a la óptica iónica del espectrómetro de masas de tiempo de vuelo y al detector de placas de microcanales, y abra las válvulas de la línea de luz.

Inicie la interfaz general del programa de adquisición de datos de vista de laboratorio vi y mueva el quemador a la posición deseada utilizando la pestaña del motor en el software. A continuación, utilice la pestaña general para definir los parámetros de escaneo o el número de pasos por electrónvoltio de energía fotónica. A continuación, utilice la pestaña A LS para ajustar la energía del fotón al valor inicial deseado y defina la energía a LS para que esté activa en la pestaña P 78 86.

Utilice el botón establecer parámetros para establecer el número de barridos, el número de ubicaciones y el ancho de la ubicación. A continuación, introduzca una ruta y un nombre de archivo válidos y haga clic en iniciar para iniciar el proceso de adquisición de datos de control informático. Para la adquisición de los escaneos del quemador, aplique los voltajes como para los escaneos de energía a la óptica de iones del espectrómetro de masas de tiempo de vuelo y al detector de placas de microcanales.

Abra las válvulas de la línea de luz para permitir que el haz de fotones entre en la cámara. Después de abrir la interfaz general del programa de adquisición de datos LabVIEW vi, use el jogger debajo de la pestaña del motor para mover la superficie del quemador lo más cerca posible del cono de muestreo y defina esa posición como el origen. A continuación, defina el motor para que esté activo.

Utilice la pestaña general para definir los parámetros de escaneo o el número de pasos por milímetro de movimiento del quemador. A continuación, utilice la pestaña a LS para establecer la energía del fotón en el valor deseado, que suele estar entre ocho y 16,65 pernos de electrones en la pestaña P 78 86. Utilice el botón establecer parámetros para iniciar un subinstrumento virtual para establecer el número de barridos o el número de espectros de masas agregados uno encima del otro en cada posición del quemador, el número de contenedores y el ancho del contenedor.

A continuación, proporcione una ruta y un nombre de archivo válidos y haga clic en iniciar para comenzar el proceso de adquisición de datos automatizado Se utilizan RAA para el experimento de aerosol, se utilizan llamas de flujo opuesto. Para comenzar, llene la cámara de llama con argón y eleve la presión hasta aproximadamente 860 milibares. Coloque la bobina del encendedor aproximadamente en el centro de las dos salidas del quemador.

Ajuste el flujo de oxidante a 0,3 litros por minuto para oxígeno y 1,6 litros por minuto para argón y el flujo de co de la corriente de oxidante a 2,5 litros por minuto para argón. A continuación, ajuste el flujo de combustible a 0,3 litros por minuto para el hidrógeno y 2,5 litros por minuto para el argón y el flujo de co del flujo de combustible a 2,5 litros por minuto. Para el argón, abra las válvulas de hidrógeno y oxígeno y encienda inmediatamente la bobina del encendido.

Una vez que se encienda la llama, apague la bobina del encendedor y retírela. En este punto, establezca los flujos deseados de oxígeno, argón y combustible. Apague el flujo de hidrógeno y ajuste la presión y la separación de salida del reactivo a los valores deseados.

Para la llama objetivo. Aplique los voltajes apropiados a la óptica de iones y al detector del espectrómetro de masas de aerosoles. A continuación, abra el programa de adquisición de datos de vista de laboratorio, interfaz general, flujo opuesto vi.

Utilice la aplicación jogger en la pestaña del motor para trasladar el quemador de flujo opuesto de modo que el microbio de cuarzo esté en la posición más cercana a la salida de la corriente de combustible. Mientras está en esta posición, restablezca la posición del paso del motor a cero. A continuación.

Abra lentamente la válvula de bola de un cuarto de vuelta, permitiendo el flujo desde la línea de muestreo de llama hacia la lente aerodinámica o un sistema DL. Confirme que la presión en la salida del A DL está cerca de uno por 10 a los dos milibares negativos. Utilice la pestaña general para definir los parámetros de escaneo o el número de pasos por milímetro de movimiento del quemador o energía de fotones.

Utilice la pestaña LS para establecer la energía de fotón deseada y use la pestaña del motor para mover el quemador a la posición deseada del quemador. A continuación, utilice la pestaña P 78 86 y el botón de ajuste de parámetros en ella. Para establecer los parámetros de adquisición, defina el motor o una energía LS para que esté activa.

Inserte una ruta de archivo y un nombre válidos en los campos correspondientes y haga clic en iniciar para adquirir los espectros de masas de aerosoles. Aquí se muestra un espectro de masa típico de gases muestreados por llama del quemador premezclado de baja presión. Las identidades de las especies que contribuyen a la señal se revelan mediante las curvas de eficiencia de fotoionización muestreadas por llama o PIE para cada relación de carga maestra y su comparación con las energías de ionización específicas de isómeros conocidos y las curvas PIE.

Aquí se muestran ejemplos típicos de curvas PIE muestreadas con llama. Para la carga maestra, la relación es igual a 39 y 41. Los datos se toman de una llama de propano métrica stoia.

La señal se identifica inequívocamente por sus umbrales de ionización característicos para originarse a partir de los radicales arial y alélico estabilizados. Para muchos valores de relación de carga maestra, múltiples isómeros se identifican rutinariamente mediante la observación de múltiples umbrales. Muchos ejemplos han sido discutidos extensamente en la literatura.

Por ejemplo, la relación de carga maestra es igual a 40 para el aleno y el propano, 44 para el etanol y el acetaldehído, 54 para el uno, tres butadieno, un butano y dos butanos o 78 para la fugana y el benceno. Una vez que se conoce la composición de isómeros, se toman espectros de masas a varias energías de fotones y desde diferentes posiciones en la llama para permitir la determinación de los perfiles de fracciones molares específicos de isómeros de las especies individuales. En función de la distancia desde la superficie del quemador, se muestran los perfiles representativos de fracción molar de fulina y benceno en una llama de propano geométrica STO del quemador premezclado de baja presión.

Para cada llama, normalmente se determina un total de 40 a 50 perfiles de fracción molar individuales para especies que van desde una relación de carga maestra igual a uno hasta una relación de carga maestra igual a 78 o incluso superior, dependiendo de los objetivos científicos. Estos perfiles de fracción molar se utilizan para evaluar las capacidades predictivas de los modelos de química de combustión y validarlos. Aquí se muestra un espectro de masa de aerosol típico, tomado desde el interior de una señal de iones de llama de difusión de flujo opuesto de propano para especies con relaciones de carga maestra que van de 150 a 600 con un pico alrededor de 202.

Está más allá de las capacidades experimentales actuales identificar todas las especies observadas en el espectro de masas o desentrañar su posible formación. Las vías que toman dichos espectros de masas en función de la distancia desde la salida de combustible, tal como se describe, proporcionan perfiles resueltos espacialmente. Aquí se muestra un ejemplo representativo de la relación de carga másica igual a 256. También se pueden obtener perfiles similares para cualquiera de las otras especies, que en consecuencia podrían utilizarse como objetivos de validación para cualquier modelo de química de combustión.

Una vez dominado, un operador competente puede usar esta técnica para registrar un conjunto completo de datos de llama en solo unas pocas horas.