燃料の燃焼化学: と大気の高温流動反応器から得られる定量的な種分化データ結合分子線質量分析計

この実験の全体的な目標は、燃焼プロセスにおける反応性化学種の概要を把握し、技術燃料と燃料コンポーネントの燃焼化学を調査することです。この方法は、燃焼化学や煤の形成などの汚染物質形成の分野における質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点の1つは、化学種の概要を把握し、予備知識がなくても反応性の高いラジカル種を検出できることです。

この柔軟なツールは、適切に制御された条件下での化学気相速度論の観察を提供します。このデータは、動力学モデルの検証や燃料評価戦略に使用できます。このような層流反応器で利用可能な幅広い運転条件により、通常は火炎実験では達成できない燃焼アプリケーションへのアクセスが可能になります。

フローリアクターシステムの概略図には、すべての主要コンポーネントが示されています。オーブンは、タイムオブフライト(TOF検出システム)を使用してMBMSセットアップに結合され、サンプリング方向とガス供給システムに取り付けられます。まず、オーブンを指定された測定シリーズの最高温度である指定された開始温度に加熱します。

中間種検出用のTOF分光計を準備します。次に、四重極分光器をMBMSシステムのイオン化チャンバーに配置し、ソフトウェアを起動して、主要な種を検出するための四重極分光器を準備します。燃料供給システムを準備するには、まず燃料供給用の金属製注射器を準備します。

次に、金属製のシリンジに30ミリリットルの燃料サンプルを入れます。これに続いて、バルブを開き、システムに加圧空気を追加して、金属シリンジを最大5バールまで加圧します。次に、気化器と燃料供給ラインを加熱します。

この実験計画では、水冷システムを摂氏 80 度に設定して、希釈された燃料がシステム内の最も寒い場所 (オーブンへのフランジ内の温度) で再凝縮しないようにします。オーブンをsampオーブンの空間温度プロファイルのプラトー値に近い位置に。次に、コリオリ質量流量計にガスを追加して、選択した希釈液を開始します。

TOFおよび四重極ソフトウェアの開始ボタンをクリックして、連続データ記録を開始します。コリオリ質量流量計ソフトウェアの適切な流量条件を設定することにより、酸化剤として酸素を追加します。入ってくる酸化剤を質量スペクトルの新しいピークとして観察します。

次に、コリオリ質量流量計の適切な流量条件を設定して燃料を追加します。スペクターをチェックして、完全な酸化が達成され、安定した二酸化炭素質量信号が観察されるかどうかを確認します。安定化期間の後、オーブンに毎時200ケルビンの連続温度減衰ランプを適用すると、通常の測定時間は1回の運転で2時間になります。

ランプ中の特定のオーブン温度で、ソール燃焼生成物が消え、小さな燃焼中間体が現れるマススペクトルの急激な変化を観察します。さらに温度が下がると、目に見える中間体はますます大きくなります。低温オーブンでは、燃料化合物と酸素の信号のみが観察されます。

最終温度が安定したら、酸化剤のスイッチを切ります。測定値の記録を続行し、酸化剤のない条件で燃料特性評価測定を行います。これに続いて、コリオリ質量流量計ソフトウェアで値をゼロに設定して燃料をオフにします。

次に、ソフトウェアの停止ボタンをクリックしてデータ記録を停止します。キャリブレーションの問題については、サンプリングコーンの前に閉じたチャンバーを取り付けます。次に、ポンプのバルブを開いてチャンバーを排気します。

校正には、二成分混合物または市販の校正用ガスを適用します。次に、データ記録なしでTOFソフトウェアを再起動します。ニードルバルブでキャリブレーションチャンバー内の圧力を調整し、信号強度が信号対雑音比を超え、飽和限界を下回るようにします。

これに続いて、キャリブレーション測定を開始し、データ記録を有効にします。選択した各種について記録された各温度で、対応する信号からそのモル分率を計算します。次に、モル分率プロファイルとオーブン温度を差し込みます。

ここには、サンプリングされたガス組成の典型的な質量スペクトルが示されています。ピークは、完全には分解されていない信号を評価するために、各質量電荷比で積分されます。信号は 2.5 ケルビン間隔の平均温度に対してプロットされるため、一般的なモル分率とオーブン温度のプロットが得られます。

化学量論的メタン測定から得られたホルムアルデヒドとアセチレンの空間的モル分率プロファイルは、測定データと主成分および中間種の速度論モデル値との間に一致を示しています。ここには、主要な生物種プロファイルを特徴とするジェット燃料化合物の候補であるp-メンタンが示されています。エチレンとホルムアルデヒドの化学量論依存性、および化学量論的条件で選択された中間種が得られます。

フローリアクターのセットアップでは、酸素と燃料のプロファイルは低温で最大から始まり、温度が上昇するにつれて消費されます。詳細な分析では、炭化水素種についても同様の崩壊が示されていますが、芳香族種は明確なプラトー領域を示しています すす前駆体であるプロパルギルラジカルとベンゼンのより高いモル分率は、ジェットA-1やファルネサンと比較してp-メタンで測定され、汚染物質を形成する傾向が高いことを示しています。ファルネサンについては、p-メタンおよびジェットA-1燃料と比較して、両種の低モル分率が測定されます。

この手法は、開発後、将来の燃料設計戦略の分野の研究者が、従来型および代替の燃料およびコンポーネントの燃焼速度と汚染物質形成を調査するための道を開きました。