Chimie de la combustion de combustibles : spéciation quantitatives de données provenant d’un réacteur à flux haute température atmosphérique avec couplé spectromètre de masse faisceau moléculaire

L’objectif général de cette expérience est d’obtenir une vue d’ensemble des espèces chimiques réactives dans un processus de combustion et d’étudier la chimie de combustion des combustibles techniques et des composants de combustibles. Cette méthode peut aider à répondre à des questions dans le domaine de la chimie de la combustion et de la formation de polluants, tels que la formation de suie. L’un des principaux avantages de cette technique est d’avoir une vue d’ensemble des espèces chimiques et de détecter même les espèces radicalaires très réactives sans connaissances préalables.

Cet outil flexible nous offre une observation de la cinétique chimique en phase gazeuse dans des conditions bien contrôlées. Les données peuvent être utilisées pour la validation de modèles cinétiques et les stratégies d’évaluation du carburant. La vaste gamme de conditions de fonctionnement disponibles pour un tel réacteur à flux laminaire permet d’accéder à des applications de combustion qui ne sont généralement pas réalisables par des expériences à la flamme.

Le schéma du système de réacteur à flux montre tous les principaux composants. Le four est couplé à la configuration MBMS avec le système de détection à temps de vol, ou TOF, monté dans la direction d’échantillonnage et à un système d’alimentation en gaz. Tout d’abord, chauffez le four à la température de départ désignée, qui est la température la plus élevée de la série de mesures désignée.

Préparez le spectromètre TOF pour la détection des espèces intermédiaires. Préparez maintenant le spectromètre quadripolaire pour la détection des espèces majeures en le plaçant dans la chambre d’ionisation du système MBMS et en démarrant le logiciel. Pour préparer le système d’alimentation en carburant, préparez d’abord une seringue métallique pour l’alimentation en carburant.

Remplissez ensuite la seringue métallique avec 30 millilitres de l’échantillon de carburant. Ensuite, pressurisez la seringue métallique jusqu’à cinq bars en ouvrant la vanne et en ajoutant de l’air sous pression au système. Ensuite, chauffez le vaporisateur et les conduites d’alimentation en carburant.

Pour ce plan expérimental, réglez le système de refroidissement par eau à 80 degrés Celsius afin que le combustible dilué ne puisse pas se recondenser à l’endroit le plus froid du système, c’est-à-dire la température dans cette bride du four. Placez le four à la position d’échantillonnage qui est proche de la valeur du plateau du profil de température spatial du four. Ensuite, démarrez le diluant de votre choix en ajoutant du gaz dans le débitmètre massique Coriolis.

Démarrez l’enregistrement continu des données en cliquant sur les boutons de démarrage dans le logiciel TOF et quadripolaire. Ajoutez de l’oxygène en tant qu’oxydant en réglant la condition de débit appropriée du logiciel du débitmètre massique Coriolis. Observez l’oxydant entrant comme un nouveau pic dans le spectre de masse.

Ensuite, ajoutez du carburant en réglant la condition d’écoulement appropriée du débitmètre massique Coriolis. Vérifiez le spectre pour confirmer si l’oxydation complète est obtenue et si un signal de masse de dioxyde de carbone stable est observé. Après la période de stabilisation, appliquez au four une rampe de décroissance continue de la température de 200 kelvins par heure, ce qui conduit à des temps de mesure typiques de deux heures par passage.

À une température spécifique du four pendant la rampe, observez un changement rapide du spectre de masse avec la disparition des produits de combustion uniques et l’apparition de petits intermédiaires de combustion. Avec la baisse supplémentaire de la température, les intermédiaires visibles deviennent de plus en plus grands. À des températures de four froid, seul le signal des composés combustibles et de l’oxygène peut être observé.

Lorsque la température finale est stabilisée, coupez l’oxydant. Poursuivre l’enregistrement des mesures et obtenir les mesures de caractérisation du combustible dans des conditions sans oxydant. Ensuite, coupez le carburant dans le logiciel du débitmètre massique Coriolis en mettant la valeur à zéro.

Arrêtez ensuite l’enregistrement des données en cliquant sur les boutons d’arrêt dans le logiciel. Pour les problèmes d’étalonnage, montez une chambre fermée devant le cône d’échantillonnage. Ouvrez ensuite la vanne de la pompe pour évacuer la chambre.

Appliquer des mélanges binaires ou des gaz d’étalonnage commerciaux pour l’étalonnage. Ensuite, redémarrez le logiciel TOF sans enregistrement de données. Ajustez la pression dans la chambre d’étalonnage à l’aide d’une vanne à pointeau pour obtenir une intensité de signal supérieure au rapport signal/bruit et inférieure à la limite de saturation.

Ensuite, démarrez les mesures d’étalonnage et activez l’enregistrement des données. À chaque température enregistrée pour chaque espèce choisie, calculez sa fraction molaire à partir du signal correspondant. Branchez ensuite les profils de fraction molaire en fonction de la température du four.

Un spectre de masse typique de la composition du gaz échantillonné est montré ici. Les pics sont intégrés pour chaque rapport masse/charge afin d’évaluer les signaux non entièrement résolus. Les signaux sont tracés en fonction de la température moyenne de l’intervalle de 2,5 kelvins, ce qui donne un graphique typique de la fraction molaire en fonction de la température du four.

Les profils de fraction molaire spatiale du formaldéhyde et de l’acétylène obtenus à partir d’une mesure stœchiométrique du méthane montrent la concordance entre les données mesurées et les valeurs du modèle cinétique pour les composants principaux et les espèces intermédiaires. Le composé potentiel du carburéacteur, le p-menthane, qui présente des profils d’espèces majeures, est décrit ici. La dépendance stœchiométrique de l’éthylène et du formaldéhyde, ainsi que les espèces intermédiaires sélectionnées pour les conditions stœchiométriques, sont obtenues.

Dans la configuration du réacteur à flux, le profil d’oxygène et de combustible commence à un maximum à basse température et est consommé à mesure que la température augmente. Une analyse approfondie montre une décomposition similaire pour les espèces d’hydrocarbures tandis que les espèces aromatiques montrent une région de plateau distincte Une fraction molaire plus élevée pour les précurseurs de suie, le radical propargyle et le benzène, est mesurée pour le p-méthane par rapport au Jet A-1 et au farnésane, indiquant une tendance plus élevée à former des polluants. Pour le farnésane, les fractions molaires inférieures des deux espèces sont mesurées par rapport au p-méthane et au carburéacteur A-1.

Après sa mise au point, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine des stratégies de conception des futurs carburants pour explorer la cinétique de combustion et la formation de polluants pour les carburants et les composants conventionnels et alternatifs.