Chemie van de verbranding van brandstoffen: kwantitatieve soortvorming gegevens verkregen uit een atmosferische stroom van hoge-temperatuur-Reactor met moleculaire-beam massaspectrometer gekoppeld

Het algemene doel van dit experiment is om een overzicht te krijgen van reactieve chemische soorten in een verbrandingsproces en om de verbrandingschemie van technische brandstoffen en brandstofcomponenten te onderzoeken. Deze methode kan helpen om vragen te beantwoorden op het gebied van verbrandingschemie en vorming van verontreinigingen, zoals roetvorming. Een van de belangrijkste voordelen van deze techniek is om een overzicht te krijgen van de chemische soorten en om zelfs zeer reactieve radicale soorten te detecteren zonder voorkennis.

Deze flexibele tool biedt ons een observatie van de chemische gasfase-kinetiek onder goed gecontroleerde omstandigheden. De gegevens kunnen worden gebruikt voor validatie van kinetische modellen en brandstofevaluatiestrategieën. Het brede scala aan bedrijfsomstandigheden dat beschikbaar is voor een dergelijke laminaire stromingsreactor maakt toegang mogelijk tot verbrandingstoepassingen die doorgaans niet haalbaar zijn door vlammenexperimenten.

Het schema van het stroomreactorsysteem toont alle belangrijke componenten. De oven is gekoppeld aan de MBMS-setup met de tijd-van-vlucht, of TOF-detectiesysteem, gemonteerd op de bemonsteringsrichting en op een gastoevoersysteem. Verwarm eerst de oven tot de aangegeven starttemperatuur, wat de hoogste temperatuur is in de aangegeven meetreeks.

Bereid de TOF-spectrometer voor op detectie van intermediaire soorten. Bereid nu de quadrupolespectrometer voor op detectie van belangrijke soorten door deze in de ionisatiekamer van het MBMS-systeem te plaatsen en de software te starten. Om het brandstoftoevoersysteem voor te bereiden, bereidt u eerst een metalen spuit voor brandstoftoevoer voor.

Vul vervolgens de metalen spuit met 30 milliliter van het brandstofmonster. Pers daarna de metalen spuit tot vijf bar door de klep te openen en geperste lucht toe te voegen aan het systeem. Verwarm vervolgens de verdamper en brandstoftoevoerleidingen op.

Stel voor dit experimentele ontwerp het waterkoelsysteem in op 80 graden Celsius, zodat het verdunde brandstof niet kan hercondenseren op de koudste plek in het systeem, die de temperatuur is in die flens naar de oven. Plaats de oven op de bemonsteringspositie, die dicht bij de plateauwaarde van het ruimtelijke temperatuurprofiel van de oven ligt. Start vervolgens het verduidelijkingsmiddel van keuze door gas toe te voegen aan de Coriolis-massaflowmeter.

Start het continue gegevensopnemen door op de startknoppen in de TOF- en quadrupolesoftware te klikken. Voeg zuurstof toe als oxidator door de juiste stroomvoorwaarde van de Coriolis-massaflowmetersoftware in te stellen. Observeer de binnenkomende oxidator als een nieuwe piek in het massaspectrum.

Voeg vervolgens brandstof toe door de juiste stroomvoorwaarde van de Coriolis-massaflowmeter in te stellen. Controleer het spectrum om te bevestigen of volledige oxidatie is bereikt en of er een stabiel koolstofdioxide-massasignaal wordt waargenomen. Na de stabilisatieperiode, breng een continue temperatuurvervalramp van 200 Kelvin per uur toe op de oven, wat leidt tot typische meettijden van twee uur per run.

Bij een specifieke oventemperatuur tijdens de ramp, observeer een snelle verandering van het massaspectrum met alleen verbrandingsproducten die verdwijnen en kleine verbrandingsintermediairen die verschijnen. Met verdere daling van de temperatuur worden zichtbare intermediairen steeds groter. Bij koude oventemperaturen kan alleen het signaal van brandstofverbindingen en zuurstof worden waargenomen.

Wanneer de eindtemperatuur is gestabiliseerd, schakel de oxidator uit. Ga door met het meten en verkrijg brandstofkharakteriseringsmetingen onder omstandigheden zonder oxidator. Schakel vervolgens de brandstof uit in de Coriolis-massaflowmetersoftware door de waarde op nul te zetten.

Stop vervolgens het gegevensopnemen door op de stopknoppen in de software te klikken. Voor kalibratieproblemen monteert u een gesloten kamer voor de bemonsteringskegel. Open vervolgens de klep naar de pomp om de kamer te evacueren.

Gebruik binaire mengsels of commerciële kalibratiegassen voor kalibratie. Start vervolgens de TOF-software opnieuw zonder gegevensopname. Pas de druk in de kalibratiekamer aan met een naaldklep aan om een signaalintensiteit boven de signaal-ruisverhouding en onder de verzadigingslimiet te verkrijgen.

Start vervolgens de kalibratiemetingen en schakel gegevensopname in. Bereken voor elke geregistreerde temperatuur voor elke gekozen soort de molfractie uit het bijbehorende signaal. Plot vervolgens de molfractieprofielen tegen de oventemperatuur.

Een typisch massaspectrum van de bemonsterde gassamenstelling wordt hier getoond. De pieken worden geïntegreerd voor elk massa-ladingsverhouding voor het evalueren van niet volledig opgeloste signalen. Signalen worden uitgezet tegen de gemiddelde temperatuur van het 2,5 Kelvin-interval, wat resulteert in een typische molfractie versus oventemperatuurgrafiek.

De ruimtelijke molfractieprofielen van formaldehyde en acetyleen verkregen uit een stoichiometrische methaanmeting tonen overeenstemming tussen de gemeten gegevens en kinetische modelwaarden voor de belangrijkste componenten en intermediaire soorten. De potentiële jetbrandstofverbinding, p-menthaan, met grote soortprofielen, is hier afgebeeld. De stoichiometrieafhankelijkheid van ethyleen en formaldehyde, en de geselecteerde intermediaire soorten voor stoichiometrische omstandigheden zijn verkregen.

In de stroomreactoropstelling beginnen het zuurstof- en brandstofprofiel bij lage temperaturen op een maximum en worden geconsumeerd naarmate de temperatuur stijgt. Diepgaande analyse toont een vergelijkbare afname voor de koolwaterstofsoorten, terwijl aromatische soorten een duidelijk plateaugebied vertonen. Hogere molfracties voor soote precursoren, propargyl radicaal en benzeen, worden gemeten voor p-methaan vergeleken met Jet A-1 en farnesaan, wat duidt op een hogere neiging om verontreinigingen te vormen. Voor farnesaan worden lagere molfracties voor beide soorten gemeten vergeleken met p-methaan en Jet A-1 brandstof.

Na de ontwikkeling ervan, heeft deze techniek een weg gebaand voor onderzoekers op het gebied van toekomstige brandstof ontwerpstrategieën om verbrandingskinetica en vorming van verontreinigingen voor conventionele en alternatieve brandstoffen en componenten te onderzoeken.