Chimica della combustione di combustibili: speciazione quantitativa di dati ottenuti da un reattore di flusso ad alta temperatura atmosferica con accoppiato fascio molecolare spettrometro di massa

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di ottenere una panoramica delle specie chimiche reattive in un processo di combustione e studiare la chimica di combustione dei combustibili tecnici e dei componenti del combustibile. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande nel campo della chimica della combustione e della formazione di inquinanti, come la formazione di fuliggine. Uno dei principali vantaggi di questa tecnica è quello di avere una panoramica delle specie chimiche e di rilevare anche le specie di radicali altamente reattivi senza conoscenze preliminari.

Questo strumento flessibile ci offre un'osservazione della cinetica chimica in fase gassosa in condizioni ben controllate. I dati possono essere utilizzati per la convalida del modello cinetico e per le strategie di valutazione del carburante. L'ampia gamma di condizioni operative disponibili per un tale reattore a flusso laminare consente l'accesso ad applicazioni di combustione che in genere non sono realizzabili con esperimenti a fiamma.

Lo schema del sistema del reattore a flusso mostra tutti i componenti principali. Il forno è accoppiato alla configurazione MBMS con il sistema di rilevamento a tempo di volo, o TOF, montato sulla direzione di campionamento e su un sistema di alimentazione del gas. Innanzitutto, riscaldare il forno alla temperatura iniziale designata, che è la temperatura più alta nella serie di misurazioni designata.

Preparare lo spettrometro TOF per il rilevamento di specie intermedie. Ora prepara lo spettrometro a quadrupolo per il rilevamento delle principali specie posizionandolo nella camera di ionizzazione del sistema MBMS e avviando il software. Per preparare il sistema di alimentazione del carburante, preparare prima una siringa di metallo per l'alimentazione del carburante.

Quindi riempire la siringa di metallo con 30 millilitri di campione di carburante. Successivamente, pressurizzare la siringa metallica fino a cinque bar aprendo la valvola e aggiungendo aria pressurizzata al sistema. Quindi riscaldare il vaporizzatore e le linee di alimentazione del carburante.

Per questo progetto sperimentale, impostare il sistema di raffreddamento ad acqua a 80 gradi Celsius in modo che il combustibile diluito non possa ricondensarsi nel punto più freddo del sistema, che è la temperatura in quella flangia del forno. Posizionare il forno nella posizione di campionamento che si avvicina al valore di plateau del profilo di temperatura spaziale del forno. Quindi, avviare il diluente preferito aggiungendo gas al misuratore di portata massica Coriolis.

Avviare la registrazione continua dei dati facendo clic sui pulsanti di avvio nel software TOF e quadrupolo. Aggiungere ossigeno come ossidante impostando la condizione di flusso appropriata del software del misuratore di portata massica Coriolis. Osservare l'ossidante in arrivo come un nuovo picco nello spettro di massa.

Quindi, aggiungere carburante impostando la condizione di flusso appropriata del misuratore di portata massica Coriolis. Controllare lo spettro per confermare se si raggiunge l'ossidazione completa e si osserva un segnale di massa stabile di anidride carbonica. Dopo il periodo di stabilizzazione, applicare al forno una rampa di decadimento continuo della temperatura di 200 Kelvin all'ora, che porta a tempi di misurazione tipici di due ore per corsa.

A una specifica temperatura del forno durante la rampa, osservare un rapido cambiamento dello spettro di massa con la scomparsa dei soli prodotti della combustione e la comparsa di piccoli intermedi di combustione. Con l'ulteriore diminuzione della temperatura, gli intermedi visibili diventano sempre più grandi. A temperature fredde del forno, è possibile osservare solo il segnale dei composti del combustibile e dell'ossigeno.

Quando la temperatura finale si è stabilizzata, spegnere l'ossidante. Continuare a registrare le misurazioni e ottenere le misure di caratterizzazione del carburante in condizioni senza ossidante. Successivamente, spegnere il carburante nel software del misuratore di portata massica Coriolis impostando il valore su zero.

Quindi interrompere la registrazione dei dati facendo clic sui pulsanti di arresto nel software. Per problemi di calibrazione, montare una camera chiusa davanti al cono di campionamento. Quindi aprire la valvola della pompa per evacuare la camera.

Per la calibrazione, applicare miscele binarie o gas di calibrazione commerciali. Quindi, riavvia il software TOF senza registrare i dati. Regolare la pressione nella camera di calibrazione tramite una valvola a spillo per ottenere un'intensità del segnale superiore al rapporto segnale/rumore e inferiore al limite di saturazione.

Successivamente, avviare le misurazioni di calibrazione e abilitare la registrazione dei dati. Ad ogni temperatura registrata per ogni specie scelta, calcolare la sua frazione molare dal segnale corrispondente. Quindi collegare i profili della frazione molare rispetto alla temperatura del forno.

Qui è mostrato uno spettro di massa tipico della composizione del gas campionato. I picchi sono integrati per ciascun rapporto massa/carica per la valutazione di segnali non completamente risolti. I segnali vengono tracciati rispetto alla temperatura media dell'intervallo di 2,5 Kelvin, risultando in un tipico grafico della frazione molare rispetto alla temperatura del forno.

I profili spaziali delle frazioni molari di formaldeide e acetilene ottenuti da una misura stechiometrica del metano mostrano un accordo tra i dati misurati e i valori del modello cinetico per i componenti principali e le specie intermedie. Qui è raffigurato il potenziale composto di carburante per aerei, il p-mentone, con i profili delle principali specie. Si ottiene la dipendenza stechiometrica dell'etilene e della formaldeide e le specie intermedie selezionate per le condizioni stechiometriche.

Nella configurazione del reattore a flusso, il profilo dell'ossigeno e del combustibile inizia al massimo a basse temperature e viene consumato all'aumentare della temperatura. Un'analisi approfondita mostra un decadimento simile per le specie idrocarburiche mentre le specie aromatiche mostrano una distinta regione di plateau Una frazione molare più elevata per i precursori della fuliggine, il radicale propargile e il benzene, è misurata per il p-metano rispetto a Jet A-1 e farnesano, indicando una maggiore tendenza a formare inquinanti. Per il farnesano, vengono misurate frazioni molari inferiori per entrambe le specie rispetto al p-metano e al carburante Jet A-1.

Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo delle future strategie di progettazione dei combustibili per esplorare la cinetica di combustione e la formazione di inquinanti per combustibili e componenti convenzionali e alternativi.