Química de la combustión de combustibles: especiación cuantitativa datos obtenidos de un Reactor de flujo de alta temperatura atmosférica con junto haces moleculares de espectrómetro de masas

El objetivo general de este experimento es obtener una visión general de las especies químicas reactivas en un proceso de combustión e investigar la química de combustión de los combustibles técnicos y los componentes de los combustibles. Este método puede ayudar a responder preguntas en el campo de la química de la combustión y la formación de contaminantes, como la formación de hollín. Una de las principales ventajas de esta técnica es obtener una visión general de las especies químicas y detectar incluso especies radicales altamente reactivas sin conocimientos previos.

Esta herramienta flexible nos ofrece una observación de la cinética química de la fase gaseosa en condiciones bien controladas. Los datos se pueden utilizar para la validación de modelos cinéticos y estrategias de evaluación de combustible. La amplia gama de condiciones de funcionamiento disponibles para un reactor de flujo laminar de este tipo permite el acceso a aplicaciones de combustión que normalmente no se pueden lograr mediante experimentos con llama.

El esquema del sistema del reactor de flujo muestra todos los componentes principales. El horno se acopla a la configuración MBMS con el sistema de detección de tiempo de vuelo, o TOF, montado en la dirección de muestreo y en un sistema de suministro de gas. Primero, caliente el horno a la temperatura de inicio designada, que es la temperatura más alta en la serie de medición designada.

Prepare el espectrómetro TOF para la detección de especies intermedias. Ahora prepare el espectrómetro cuadrupolar para la detección de especies principales colocándolo en la cámara de ionización del sistema MBMS e iniciando el software. Para preparar el sistema de suministro de combustible, primero prepare una jeringa de metal para el suministro de combustible.

A continuación, llene la jeringa metálica con 30 mililitros de la muestra de combustible. A continuación, presurice la jeringa metálica hasta cinco bar abriendo la válvula y añadiendo aire presurizado al sistema. A continuación, calienta el vaporizador y las líneas de suministro de combustible.

Para este diseño experimental, configure el sistema de enfriamiento de agua a 80 grados Celsius para que el combustible diluido no pueda volver a condensarse en el punto más frío del sistema, que es la temperatura en esa brida del horno. Coloque el horno en la posición de muestreo que esté cerca del valor de meseta del perfil de temperatura espacial del horno. A continuación, inicie el diluyente de elección agregando gas al medidor de flujo másico Coriolis.

Inicie el registro continuo de datos haciendo clic en los botones de inicio en el software TOF y cuadrupolo. Agregue oxígeno como oxidante configurando la condición de flujo adecuada del software del medidor de flujo másico Coriolis. Observe el oxidante entrante como un nuevo pico en el espectro de masas.

A continuación, agregue combustible configurando la condición de flujo adecuada del medidor de flujo másico Coriolis. Verifique el espectro para confirmar si se logra una oxidación completa y se observa una señal de masa de dióxido de carbono estable. Después del período de estabilización, aplique una rampa continua de decaimiento de temperatura de 200 Kelvin por hora al horno, lo que conduce a tiempos de medición típicos de dos horas por ejecución.

A una temperatura específica del horno durante la rampa, observe un cambio rápido del espectro de masas con la desaparición de productos de combustión únicos y la aparición de pequeños intermedios de combustión. Con una mayor disminución de la temperatura, los intermedios visibles se hacen cada vez más grandes. A temperaturas frías del horno, solo se puede observar la señal de los compuestos de combustible y oxígeno.

Cuando la temperatura final se estabilice, apague el oxidante. Continúe registrando las mediciones y obtenga mediciones de caracterización del combustible en condiciones sin oxidante. A continuación, apague el combustible en el software del medidor de flujo másico Coriolis ajustando el valor a cero.

A continuación, detenga el registro de datos haciendo clic en los botones de parada del software. Para problemas de calibración, monte una cámara cerrada frente al cono de muestreo. A continuación, abra la válvula de la bomba para evacuar la cámara.

Aplique mezclas binarias o gases de calibración comerciales para la calibración. A continuación, vuelva a iniciar el software TOF sin registro de datos. Ajuste la presión en la cámara de calibración mediante una válvula de aguja para obtener una intensidad de señal por encima de la relación señal-ruido y por debajo del límite de saturación.

A continuación, inicie las mediciones de calibración y habilite el registro de datos. A cada temperatura registrada para cada especie elegida, calcule su fracción molar a partir de la señal correspondiente. A continuación, taponar los perfiles de la fracción molar en función de la temperatura del horno.

Aquí se muestra un espectro de masas típico de la composición del gas muestreado. Los picos se integran para cada relación masa-carga para evaluar señales no completamente resueltas. Las señales se trazan en función de la temperatura media del intervalo de 2,5 Kelvin, lo que da como resultado un gráfico típico de fracción molar frente a la temperatura del horno.

Los perfiles espaciales de fracciones molares de formaldehído y acetileno obtenidos a partir de una medición estequiométrica de metano muestran concordancia entre los datos medidos y los valores del modelo cinético para los componentes principales y las especies intermedias. Aquí se muestra el posible compuesto de combustible para aviones, el p-mentano, que presenta perfiles de especies principales. Se obtiene la dependencia estequiométrica del etileno y el formaldehído, y las especies intermedias seleccionadas para las condiciones estequiométricas.

En la configuración del reactor de flujo, el perfil de oxígeno y combustible comienza en un máximo a bajas temperaturas y se consume a medida que aumenta la temperatura. El análisis en profundidad muestra una descomposición similar para las especies de hidrocarburos, mientras que las especies aromáticas muestran una región de meseta distinta. La fracción molar más alta para los precursores de hollín, radical propargil y benceno, se mide para p-metano en comparación con Jet A-1 y farnesano, lo que indica una mayor tendencia a formar contaminantes. En el caso del farnesano, se miden las fracciones molares más bajas de ambas especies en comparación con el p-metano y el combustible Jet A-1.

Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de las futuras estrategias de diseño de combustibles exploraran la cinética de combustión y la formación de contaminantes para combustibles y componentes convencionales y alternativos.