Name: Chemia spalania paliw: ilościowe dane specjacyjne uzyskane z atmosferycznego wysokotemperaturowego reaktora przepływowego ze sprzężonym spektrometrem mas z wiązką molekularną (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 24 s
Description: Odkryj chemię spalania paliw biologicznych w wysokotemperaturowym reaktorze przepływowym ze sprzężonym spektrometrem mas. Ta metoda umożliwia wykrywanie reaktywnych gatunków chemicznych i dostarcza dane do walidacji modeli kinetycznych oraz oceny paliw.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Eksperymenty zostały przeprowadzone w dziale spektrometrii mas w Instytucie Technologii Spalania, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) w Stuttgarcie, Niemcy. Prace były również wspierane przez Helmholtz Energy-Alliance "Synthetic Liquid Hydrocarbons", Centrum Doskonałości "Paliwa alternatywne" oraz projekt DLR "Paliwa przyszłości". Autorzy pragną podziękować Patrickowi Le Clercqowi i Uwe Riedelowi za owocne dyskusje na temat paliw do silników odrzutowych.

1. Konfiguracja spektrometru masowego z wiązką molekularną (MBMS) i systemu reaktora przepływowego
<ol>
	<li>Rozgrzej piekarnik do wyznaczonej temperatury początkowej, która jest najwyższą temperaturą w wyznaczonej serii pomiarowej. W typowych warunkach strumienia A-1 o Φ=1 całkowite utlenienie obserwuje się poniżej 850 °C (~1,100 K). Dobór odpowiednich temperatur rozruchowych zależy od charakteru chemicznego badanego paliwa oraz stechiometrii (Φ).</li>
	<li>Przygotuj spektrometr czasu przelotu (TOF) do wykrywania gatunków pośrednich. Spektrometr TOF jest ustawiony na wiązkę molekularną, dzięki czemu zapewnia niezawodne wykrywanie labilnych gatunków. 
	UWAGA: Rozdzielczość masy jest odpowiednia do oznaczania składu pierwiastkowego w układzie C/H/O. Aby uniknąć fragmentacji, wybierz warunki miękkiej jonizacji. Udowodniono, że wartości typowo od 9,5 do 10,5 eV są odpowiednie do typowych badań produktów pośrednich spalania.</li>
	<li>Przygotuj spektrometr kwadrupolowy do wykrywania głównych gatunków. 
	UWAGA: Ponieważ spektrometr kwadrupolowy (zwany również analizatorem gazów resztkowych, RGA) jest umieszczony w komorze jonizacyjnej systemu MBMS w pobliżu wiązki molekularnej, mierzone są tylko gazy tła rozproszone na ściankach. Ponieważ główne gatunki są stabilne, ciśnienie tła dobrze odzwierciedla ich stężenie na końcówce pobierania próbek. Aby uzyskać lepszy stosunek sygnału do szumu, wybierz w tym przypadku wysoką energię jonizacji wynoszącą 70 eV.</li>
</ol>
2. Przygotowanie próbki paliwa
<ol>
	<li>Przygotować metalową strzykawkę do podawania paliwa. 
	ostrożność: Używaj odpowiedniego wyposażenia ochrony osobistej do obsługi paliwa.
	<ol>
		<li>Wlej 30 ml próbki paliwa do metalowej strzykawki parownika.</li>
		<li>Zwiększ ciśnienie w układzie zasilania paliwem (metalowa strzykawka) do 5 barów, dodając sprężone powietrze do układu poprzez otwarcie zaworu.</li>
		<li>Odpowietrzyć przewody paliwowe i przepływomierz masowy Coriolisa, otwierając zawory w przewodach doprowadzających paliwo.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozgrzej parownik i przewody doprowadzające gaz. W danej konfiguracji można zastosować temperatury znacznie niższe od normalnej temperatury wrzenia ze względu na wysokie rozcieńczenie. Upewnić się, że prężność pary w wyznaczonej temperaturze najwyższego wrzącego związku paliwa jest wyższa niż jego ciśnienie parcjalne w strumieniu gazu. Zazwyczaj 200 °C jest wystarczające dla Jet A-1.</li>
	<li>Należy pamiętać, że najzimniejszym miejscem w systemie jest hartowany kołnierz wlotowy do piekarnika. Upewnij się, że rozcieńczone paliwo nie może się ponownie skondensować w tym miejscu. Dla typowego Jet A-1 (rozcieńczenie 99%) odpowiednie jest ustawienie systemu chłodzenia wodą na 80 °C.</li>
</ol>
3. Pomiar i akwizycja danych
<ol>
	<li>Ustawić piekarnik w pozycji pobierania próbek. Stożek do pobierania próbek musi być umieszczony w ceramicznej rurze pieca. W niniejszym eksperymencie miejsce pobierania próbek jest bliskie wartości plateau przestrzennego profilu temperatury pieca. 
	UWAGA: Rysunek w Rysunek 1 pokazuje stożek i reaktor. Rozgrzany reaktor (niebieski) jest przesuwany na szynach w kierunku stożka kwarcowego.</li>
	<li>Rozpocznij wybrany rozcieńczalnik, dodając gaz przez przepływomierz masowy Coriolisa. 
	UWAGA: Przepływomierze masowe są sterowane za pomocą oryginalnego pakietu oprogramowania. W tym miejscu można ustawić wartości przepływu masowego. Zazwyczaj stosuje się 99% argonu. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku paliw ciekłych przepływ rozcieńczalnika może być podzielony na strumienie gazu parownika i utleniacza za pomocą dodatkowego przepływomierza masowego Coriolisa równoległego do przepływu Cori Flow 2 przechodzącego przez podgrzewany przewód i podłączonego bezpośrednio do strumienia utleniacza z Cori Flow 3.</li>
	<li>Rozpocznij ciągły zapis danych (TOF i Quadrupole) za pomocą wyznaczonego oprogramowania instrumentalnego. 
	UWAGA: Kliknij przycisk Start w oprogramowaniu Quadrupole. Kliknij przycisk Start w oprogramowaniu TOF.
	<ol>
		<li>Dodaj utleniacz O2, ustawiając odpowiednie warunki przepływu w oprogramowaniu przepływomierza Coriolisa. Obserwuj przychodzący utleniacz jako nowy pik w widmie masowym.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dodaj paliwo, ustawiając odpowiednie warunki przepływu przepływomierza masowego Coriolisa.
	<ol>
		<li>Sprawdź widma. Jeśli osiągnięte zostanie całkowite utlenienie w przypadku ubogich i stechiometrycznych warunków, należy obserwować stabilny sygnał masy CO2 .</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Gdy intensywność sygnału jest stabilna przez 4 do 5 pomiarów, kończy się okres stabilizacji. Po okresie stabilizacji zastosuj do pieca ciągłą rampę zaniku temperatury, zwykle -200 K/h. Prowadzi to do typowych czasów pomiaru wynoszących 2 godziny na cykl pomiarowy.
	<ol>
		<li>Przy określonej temperaturze pieca podczas rampy obserwuj gwałtowną zmianę widm masowych. Produkty spalania soli (H2O,CO2 i CO,H2 w bogatych przypadkach) zaczynają zanikać, a małe produkty pośrednie spalania stają się wykrywalne. 
		UWAGA: Wraz z dalszym spadkiem temperatury, widoczne półprodukty stają się coraz większe. Przy niskich temperaturach pieca można zaobserwować tylko sygnał związków paliwowych i tlenu; W obecnym czasie przebywania reaktora nie zachodzą żadne reakcje.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Gdy temperatura końcowa ustabilizuje się (zwykle 500 °C; 10 min), wyłącz utleniacz.
	<ol>
		<li>Kontynuuj rejestrowanie pomiarów. Uzyskać pomiary charakterystyki paliwa (składu rozdrobnienia) w warunkach bez utleniacza.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyłącz paliwo w oprogramowaniu przepływomierza masowego Coriolisa, ustawiając wartość na 0. Dane będą nadal rejestrowane; Użyj tych widm do pomiaru tła.</li>
	<li>Zatrzymaj rejestrowanie danych, klikając przycisk zatrzymania w oprogramowaniu.</li>
</ol>
4. Pomiary kalibracyjne
<ol>
	<li>W przypadku problemów z kalibracją należy zamontować zamkniętą komorę przed stożkiem pobierania próbek. 
	UWAGA: Zamknięta komora to rurka, którą ręcznie umieszcza się przed dyszą.</li>
	<li>Otwórz zawór do pompy. Komora zostaje ewakuowana.</li>
	<li>Do kalibracji należy zastosować mieszaniny dwuskładnikowe (węglowodory będące przedmiotem zainteresowania i Ar) lub dostępne w handlu gazy kalibracyjne. Do celów demonstracyjnych stosuje się tutaj niestandardową mieszaninę gazów z CO i CO2 oraz argonem.</li>
	<li>Wyreguluj ciśnienie w komorze kalibracyjnej za pomocą zaworu iglicowego, aby uzyskać natężenie sygnału powyżej stosunku sygnału do szumu i poniżej limitu nasycenia.</li>
	<li>Rozpocznij pomiary kalibracyjne, rozpoczynając rejestrację danych tak, jak to zostało wykonane dla indywidualnego pomiaru w 3.5, klikając przycisk start w oprogramowaniu TOF.</li>
</ol>
5. Przetwarzanie danych
UWAGA: Przekodowane widma muszą być dopasowane do odpowiedniej temperatury pieca, w której zostały zarejestrowane.
<ol>
	<li>Przy każdej zarejestrowanej temperaturze, dla każdego wybranego gatunku, oblicz jego ułamek molowy na podstawie odpowiedniego sygnału. Wykreśl profile frakcji molowej w funkcji temperatury pieca (<silna klasa="xfig">Rysunek 3).</li>
</ol>

<ol><li>Moore, R. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biofuel+blending+reduces+particle+emissions+from+aircraft+engines+at+cruise+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Biofuel blending reduces particle emissions from aircraft engines at cruise conditions.</a> Nature. 543 (7645), 411-415 (2017).</li>
<li>Braun-Unkhoff, M., Kathrotia, T., Rauch, B., Riedel, U. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s13272-015-0178-8">About the interaction between composition and performance of alternative jet fuels.</a> CEAS Aeronautical Journal. 7 (1), 83-94 (2016).</li>
<li>Egolfopoulos, F. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360128514000252">Advances and challenges in laminar flame experiments and implications for combustion chemistry.</a> Prog Energ Combust. 43, 36-67 (2014).</li>
<li>Lynch, P. T., Troy, T. P., Ahmed, M., Tranter, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+combustion+chemistry+in+a+miniature+shock+tube+with+synchrotron+VUV+photo+ionization+mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Probing combustion chemistry in a miniature shock tube with synchrotron VUV photo ionization mass spectrometry.</a> Anal Chem. 87 (4), 2345-2352 (2015).</li>
<li>Pelucchi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218014002314">An experimental and kinetic modeling study of the pyrolysis and oxidation of n-C3C5 aldehydes in shock tubes.</a> Combust. Flame. 162 (2), 265-286 (2015).</li>
<li>Hanson, R. K., Davidson, D. F. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360128514000264">Recent advances in laser absorption and shock tube methods for studies of combustion chemistry.</a> Prog Energ Combust. 44, 103-114 (2014).</li>
<li>Sung, C. -J., Curran, H. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360128514000148">Using rapid compression machines for chemical kinetics studies.</a> Prog Energ Combust. 44, 1-18 (2014).</li>
<li>Kohse-Höinghaus, K., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201001648/abstract">Cover Picture: Biofuel Combustion Chemistry: From Ethanol to Biodiesel.</a> Angw Chem Int Edit. 49 (21), 3545(2010).</li>
<li>Köhler, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218015001455">1-, 2- and 3-Pentanol combustion in laminar hydrogen flames - A comparative experimental and modeling study.</a> Combust. Flame. 162 (9), 3197-3209 (2015).</li>
<li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ef800902t">Experimental Study of a Fuel-Rich Premixed Toluene Flame at Low Pressure.</a> Energ Fuel. 23 (3), 1473-1485 (2009).</li>
<li>Yang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218006002768">Identification of combustion intermediates in isomeric fuel-rich premixed butanol-oxygen flames at low pressure.</a> Combust. Flame. 148 (4), 198-209 (2007).</li>
<li>Reuter, C. B., Won, S. H., Ju, Y. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1540748916301250">Flame structure and ignition limit of partially premixed cool flames in a counterflow burner.</a> P Combust Inst. 36 (1), 1513-1522 (2017).</li>
<li>Reuter, C. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218016000171">Experimental study of the dynamics and structure of self-sustaining premixed cool flames using a counterflow burner.</a> Combust. Flame. 166, 125-132 (2016).</li>
<li>Bufferand, H., Tosatto, L., La Mantia, B., Smooke, M. D., Gomez, A. A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218009000911">Experimental and computational study of methane counterflow diffusion flames perturbed by trace amounts of either jet fuel or a 6-component surrogate under non-sooting conditions.</a> Combust. Flame. 156 (8), 1594-1603 (2009).</li>
<li>Lefkowitz, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218011003099">A chemical kinetic study of tertiary-butanol in a flow reactor and a counterflow diffusion flame.</a> Combust. Flame. 159 (3), 968-978 (2012).</li>
<li>Dryer, F. L., Haas, F. M., Santner, J., Farouk, T. I., Chaos, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360128514000239">Interpreting chemical kinetics from complex reaction-advection-diffusion systems: Modeling of flow reactors and related experiments.</a> Prog Energ Combust. 44, 19-39 (2014).</li>
<li>Zhao, H., Yang, X., Ju, Y. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001021801630219X">Kinetic studies of ozone assisted low temperature oxidation of dimethyl ether in a flow reactor using molecular-beam mass spectrometry.</a> Combust. Flame. 173, 187-194 (2016).</li>
<li>Oßwald, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218010001598">Combustion of butanol isomers - A detailed molecular beam mass spectrometry investigation of their flame chemistry.</a> Combust. Flame. 158 (1), 2-15 (2011).</li>
<li>Herrmann, F., Oßwald, P., Kohse-Höinghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1540748912002441">Mass spectrometric investigation of the low-temperature dimethyl ether oxidation in an atmospheric pressure laminar flow reactor.</a> P Combust Inst. 34 (1), 771-778 (2013).</li>
<li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S154074891200003X">Experimental and kinetic modeling study of tetralin pyrolysis at low pressure.</a> P Combust Inst. 34 (1), 1739-1748 (2013).</li>
<li>Oßwald, P., Köhler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+atmospheric+pressure+high-temperature+laminar+flow+reactor+for+investigation+of+combustion+and+related+gas+phase+reaction+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Sci+Instum%22%5BJournal%5D)">An atmospheric pressure high-temperature laminar flow reactor for investigation of combustion and related gas phase reaction systems.</a> Rev Sci Instum. 86 (10), 105109(2015).</li>
<li>Oßwald, P., Whitside, R., Schäffer, J., Köhler, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236116308912">An experimental flow reactor study of the combustion kinetics of terpenoid jet fuel compounds: Farnesane, p-menthane and p-cymene.</a> Fuel. 187, 43-50 (2017).</li>
<li>Kathrotia, T., Naumann, C., Oßwald, P., Köhler, M., Riedel, U. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218017300184">Kinetics of Ethylene Glycol: The first validated reaction scheme and first measurements of ignition delay times and speciation data.</a> Combust. Flame. 179, 172-184 (2017).</li>
<li>Hansen, N., Cool, T. A., Westmoreland, P. R., Kohse-Höinghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360128508000658">Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of combustion chemistry.</a> Prog Energ Combust. 35 (2), 168-191 (2009).</li>
<li>Qi, F. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1540748912003896">Combustion chemistry probed by synchrotron VUV photoionization mass spectrometry.</a> P Combust Inst. 34 (1), 33-63 (2013).</li>
<li>Biordi, J. C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0360128577900028">Molecular beam mass spectrometry for studying the fundamental chemistry of flames.</a> Prog Energ Combust. 3 (3), 151-173 (1977).</li>
<li>Köhler, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250915006557">Speciation data for fuel-rich methane oxy-combustion and reforming under prototypical partial oxidation conditions.</a> Chem Eng Sci. 139, 249-260 (2016).</li>
<li>Oßwald, P., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4861175">In situ flame chemistry tracing by imaging photoelectron photoion coincidence spectroscopy.</a> Rev Sci Instum. 85 (2), 025101(2014).</li>
<li>Oßwald, P., et al. <a target="_blank" href="https://www.degruyter.com/view/j/zpch.2011.225.issue-9-10/zpch.2011.0148/zpch.2011.0148.xml">Combustion Chemistry of the Butane Isomers in Premixed Low-Pressure Flames.</a> Zeitschrift für Physikalische Chemie. 225, 1029(2011).</li>
<li>Schenk, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218012003112">Detailed mass spectrometric and modeling study of isomeric butene flames.</a> Combust. Flame. 160 (3), 487-503 (2013).</li>
<li>Wang, H., et al. USC Mech Version II. High-Temperature Combustion Reaction Model of H2/CO/C1-C4 Compounds. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://ignis.usc.edu/USC_Mech_II.htm">http://ignis.usc.edu/USC_Mech_II.htm</a> (2007).</li>
<li>Li, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218011001003">Multiple benzene-formation paths in a fuel-rich cyclohexane flame.</a> Combust. Flame. 158 (11), 2077-2089 (2011).</li>
<li>Bierkandt, T., Hemberger, P., Osswald, P., Kohler, M., Kasper, T. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1540748916302012">Insights in m-xylene decomposition under fuel-rich conditions by imaging photoelectron photoion coincidence spectroscopy.</a> P Combust Inst. 36 (1), 1223-1232 (2017).</li>
<li>Taatjes, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enols+Are+Common+Intermediates+in+Hydrocarbon+Oxidation%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Enols Are Common Intermediates in Hydrocarbon Oxidation.</a> Science. 308 (5730), 1887-1889 (2005).</li>
<li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1540748908001582">An experimental study of the rich premixed ethylbenzene flame at low pressure.</a> P Combust Inst. 32 (1), 647-655 (2009).</li>
<li>Yuan, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218016000419">A comprehensive experimental and kinetic modeling study of ethylbenzene combustion.</a> Combust. Flame. 166, 255-265 (2016).</li>
<li>Hansen, N., Skeen, S. A., Michelsen, H. A., Wilson, K. R., Kohse-Hoinghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flame+experiments+at+the+advanced+light+source%3A+new+insights+into+soot+formation+processes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Flame experiments at the advanced light source: new insights into soot formation processes.</a> J Vis Exp. (87), e51369(2014).</li>
<li>Qi, F., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.2234855">Isomeric identification of polycyclic aromatic hydrocarbons formed in combustion with tunable vacuum ultraviolet photoionization.</a> Rev Sci Instum. 77 (8), 084101(2006).</li>
<li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218017301177">2D-imaging of sampling-probe perturbations in laminar premixed flames using Kr X-ray fluorescence.</a> Combust. Flame. 181, 214-224 (2017).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Zaprezentowane połączenie atmosferycznego reaktora przepływowego o wysokiej temperaturze z systemem detekcji spektrometrii mas z wiązką molekularną umożliwia ilościowe dane specjacyjne dla różnych warunków pracy. Kilka badań 21,22,23,27 wykazało elastyczność eksperymentu, począwszy od warunków bogatych w metan istotnych dla zjawisk częściowego utleniania (φ = 2,5), do zbadania chemii spalania nowoczesnych związków paliwa lotniczego, takich jak farnezan.</sup...

Zrozumienie procesów spalania w ślad za nowoczesnymi, niskoemisyjnymi paliwami z odnawialnych źródeł jest wyzwaniem dla dzisiejszych społeczeństw w zakresie ekologicznym i ekonomicznym. Mają one potencjał, aby zmniejszyć naszą zależność od paliw kopalnych, zrównoważyć emisję CO2 i mieć pozytywny wpływ na emisje szkodliwych zanieczyszczeń, takich jak sadza i jej toksyczne prekursory1. Łącząc tę szybko rozwijającą się dziedzinę z ich wykorzystaniem w nowoczesnych systemach spalania, zapotrzebowanie na fundamentalne zrozumienie rządzących procesów chemicznych i fizycznych znacznie wzrosło2. Nawet dzisiaj złożone sieci reakcji chemicznych powstające w wyniku radykalnych reakcji łańcuchowych nie są jeszcze w pełni poznane. Aby analizować, a nawet kontrolować zjawiska, takie jak powstawanie zanieczyszczeń lub procesy (samo)zapłonu, szczegółowa wiedza na temat sieci reakcji chemicznych jest kluczowym elementem układanki3.
Aby zbadać i zrozumieć te sieci reakcji chemicznych, konieczne są podejścia eksperymentalne i numeryczne. Eksperymentalnie, chemia spalania jest zwykle badana poprzez zastosowanie eksperymentów z uproszczonymi i dobrze kontrolowanymi środowiskami przepływu w celu ukierunkowania na konkretne pytania. Wysoka złożoność i dynamika poszczególnych podprocesów uniemożliwia dokładne odtworzenie warunków panujących w technicznych komorach spalania za pomocą podstawowych eksperymentów, umożliwiając jednocześnie śledzenie wyznaczonych kluczowych cech, takich jak temperatura, ciśnienie, wydzielanie ciepła czy związki chemiczne. Już na samym początku uwidoczniła się potrzeba stosowania różnych podejść eksperymentalnych, z których każde zajmowało się konkretnym zagadnieniem i dostarczało kolejnego zestawu informacji przyczyniających się do ogólnego globalnego obrazu chemii spalania. Aby objąć pełen zakres warunków i zebrać te kolejne zestawy informacji w celu opisania złożonych warunków występujących w systemach technicznych, z powodzeniem opracowano różne podejścia. Do dobrze znanych technik należą:
<ul>
	<li>Rurki amortyzujące4,5,6 i maszyny do szybkiej kompresji7. Urządzenia te zapewniają wysoką kontrolę ciśnienia i temperatury w szerokim zakresie. Jednak dostępny czas reakcji i odpowiednie techniki analityczne są ograniczone.</li>
	<li>Wstępnie zmieszane płomienie laminarne3,8,9,10,11 są idealne do uzyskania warunków wysokiej temperatury w połączeniu z prostym polem przepływu. Ponieważ wymiar przestrzenny strefy reakcji zmniejsza się wraz ze wzrostem ciśnienia, wstępnie zmieszane płomienie są zwykle badane w warunkach niskiego ciśnienia w celach specjacji.</li>
	<li>Płomienie dyfuzyjne przeciwprądowe12,13,14,15 są idealne do badania reżimu płomienia podczas turbulentnego spalania. Naśladują one szczep ze względu na niejednorodności w rzeczywistym przepływie turbulentnym, ale są bardzo ograniczone w technikach specjacji analitycznej.</li>
	<li>Różne eksperymenty z reaktorem16,17,18 (statyczne, z mieszadłem i z przepływem tłokowym) zapewniają dostęp do środowisk o wysokim ciśnieniu, podczas gdy temperatury są zazwyczaj niższe w porównaniu do środowisk płomieniowych. Typowe podejścia to:
	<ul>
		<li>Reaktory statyczne są szeroko stosowane np. w eksperymentach z fotolizą impulsową, ale na ogół są ograniczone długim czasem przebywania i niskimi temperaturami.</li>
		<li>Reaktory z mieszaniem strumieniowym, tj. gazowa wersja reaktora z doskonałym mieszaniem (PSR), opierają się na wydajnym mieszaniu fazy gazowej i mogą pracować w stanie ustalonym ze stałym czasem przebywania, temperaturą i ciśnieniem, co ułatwia modelowanie. Cząsteczki mają jednak czas na migrację na gorące powierzchnie i zachodzą w heterogenicznych reakcjach.</li>
		<li>Znanych jest wiele podejść do reaktorów przepływowych, przy czym reaktor z przepływem tłokowym (PFR) jest jednym z najpopularniejszych podejść do opisu reakcji chemicznych w ciągłych, przepływowych układach o geometrii cylindrycznej. Warunki przepływu w zbiorniku w stanie ustalonym przyjmuje się przy ustalonym czasie przebywania grzyba w funkcji jego położenia dla idealnych PFR.</li>
	</ul>
	</li>
</ul>
Uzupełnienie tych cennych technik w dziedzinie eksperymentalnej kinetyki spalania, eksperyment z wysokotemperaturowym reaktorem z przepływem laminarnym19,20 wykorzystujący technikę spektrometrii mas wiązki molekularnej (MBMS) do szczegółowego śledzenia rozwoju gatunków21,22 Niniejszym dokumencie. Warunki przepływu laminarnego, praca pod ciśnieniem atmosferycznym i dostępnymi temperaturami do 1 800 K to główne cechy reaktora przepływowego, podczas gdy czuła technika MBMS pozwala na wykrycie prawie wszystkich związków chemicznych obecnych w procesie spalania. Obejmuje to gatunki wysoce reaktywne, takie jak rodniki, które nie są lub są prawie niemożliwe do zidentyfikowania za pomocą innych metod wykrywania. Technika MBMS jest szeroko stosowana do szczegółowego badania sieci reakcji w płomieniach konwencjonalnych i nowoczesnych paliw alternatywnych, takich jak alkohole lub etery23,24,25 i okazała się bardzo przydatna dla rozwoju nowoczesnych modeli kinetycznych.
Rysunek 1 pokazuje schemat wysokotemperaturowego reaktora przepływowego z powiększoną ramką sondy próbkującej (A) i dwoma zdjęciami podkreślającymi cały eksperyment (B) i konfigurację sondy (C). System można podzielić na dwa segmenty: pierwszy to wysokotemperaturowy reaktor przepływowy z zasilaniem gazem i systemem parownika, a drugi to system detekcji czasu przelotu MBMS. Podczas pracy wyjście rurki przepływowej jest zamontowane bezpośrednio do dyszy do pobierania próbek systemu MBMS. Próbka gazu jest pobierana bezpośrednio z wylotu reaktora i przekazywana do systemu detekcji wysokiej próżni. W tym przypadku jonizacja odbywa się przez jonizację elektronów z późniejszym wykrywaniem czasu przelotu.
Reaktor posiada ceramiczną rurę o średnicy wewnętrznej 40 mm (Al2O3) o długości 1 497 mm umieszczoną w piecu wysokotemperaturowym (np. Gero, typ HTRH 40-1000). Całkowita długość ogrzewanej sekcji wynosi 1 000 mm. Gazy są wprowadzane do reaktora wstępnie zmieszane i wstępnie odparowane przez odpuszczony kołnierz (zwykle odpuszczany do ~80 °C). Silnie rozcieńczona (ok. 99% obj. w Ar), laminarnie płynąca mieszanina reagentów przechodzi przez znany profil temperaturowy (szczegóły dotyczące charakterystyki temperatury zostaną podane poniżej). Detekcja składu gazu odbywa się na wylocie z reaktora w funkcji temperatury pieca. Pomiary są wykonywane przy stałym przepływie masy na wlocie, podczas gdy monotonicznie malejąca rampa temperatury (-200 K/h) jest stosowana do pieca w zakresie od 1 800 K do 600 K. Należy zauważyć, że podobne wyniki można uzyskać, gdy mierzy się różne temperatury w temperaturach pieca izotermicznego i prawidłowo uwzględnia się bezwładność cieplną. Stabilizacja termiczna systemu zajmuje jeszcze trochę czasu, a rampa temperatury jest wybierana jako kompromis między czasem uśredniania dla (pomijalnego) małego przyrostu temperatury i całkowitego czasu pomiaru na serię. Czas uśredniania (45 s) MBMS odpowiada 2,5 K. Wynikowy czas przebywania wynosi około 2 s (w temperaturze 1 000 K) dla danych warunków. Wreszcie, ze względu na odtwarzalność temperatury, dla obecnego eksperymentu reaktorowego można określić względną precyzję zmierzonych temperatur wynoszącą ±5 K lub lepszą.
Rysunek 2 pokazuje schemat systemu parowania, zoptymalizowanego do badania nawet złożonych mieszanin węglowodorów, takich jak techniczne paliwa do silników odrzutowych. Wszystkie strumienie wejściowe są mierzone z dużą precyzją (dokładność ±0,5%) przez przepływomierze masowe Coriolisa. Parowanie paliwa odbywa się za pomocą komercyjnego systemu parownika w temperaturach do 200 °C. Wszystkie przewody zasilające w paliwa wstępnie odparowane są wstępnie podgrzewane do temperatury zwykle 150 °C, aby zapobiec kondensacji paliw płynnych, jednocześnie unikając degradacji termicznej. Pełne i stabilne parowanie jest rutynowo sprawdzane i może wystąpić nawet w temperaturach poniżej normalnej temperatury wrzenia odpowiednich paliw. Całkowite odparowanie zostało zapewnione dzięki małej frakcji paliwa i niskiemu ciśnieniu parcjalnemu (zwykle poniżej 100 Pa).
Gazy są próbkowane przez stożek kwarcowy na linii środkowej wyjścia z reaktora przy ciśnieniu otoczenia (około 960 hPa), jak widać bardziej szczegółowo w powiększonej ramce Rysunek 1. Końcówka dyszy ma otwór o średnicy 50 μm, który znajduje się około 30 mm wewnątrz rurki ceramicznej na końcu strefy reakcji. Należy zauważyć, że miejsce pobierania próbek jest ustalone w stosunku do wlotu. Rozszerzalność cieplna rurki pieca ma miejsce tylko na wylocie, który nie jest mechanicznie połączony z układem pobierania próbek, co skutkuje niezależnym od temperatury odcinkiem reakcji. Wszystkie reakcje są natychmiast wygaszane dzięki tworzeniu wiązki molekularnej, gdy gazy są rozprężane do wysokiej próżni (dwa różne etapy pompowania; 10-2 i 10-4 Pa)25,26. Próbka jest kierowana do źródła jonów spektrometru mas czasu przelotu (TOF) z uderzeniem elektronu (EI) (rozdzielczość masowa R = 3 000), który jest w stanie określić dokładną masę obecnych gatunków z odpowiednią precyzją, aby określić skład pierwiastkowy w układzie C/H/O. Energia elektronów jest ustawiana na niskie wartości (zwykle 9,5-10,5 eV) w celu zminimalizowania fragmentacji spowodowanej procesem jonizacji. Należy zauważyć, że rozcieńczalnik i forma odniesienia argon są nadal wykrywalne ze względu na szeroki rozkład energii elektronów jonizujących (1,4 eV FWHM). Podczas gdy Ar można zmierzyć z dobrym S/N, niska energia elektronów nie pozwala na wystarczające określenie głównych profili związków (H2O, CO, Co,H2, O2 i paliwo), które występują w znacznie niższych stężeniach.
Oprócz wykrywania przez TOF, analizator gazów resztkowych (RGA), tj. kwadrupolowy spektrometr masowy, jest umieszczany w komorze jonizacyjnej w celu monitorowania sześciu powyższych gatunków o wyższej energii elektronów (70 eV) jednocześnie z pomiarami MBMS-Tof.

<table><tbody><tr><td>Time-Of-Flight MBMS</td><td>Kaesdorf</td><td>n.a.custom</td> <td>design</td></tr><tr><td>Interfejs samlingu wiązki molekularnej</td> wykonany <td>samodzielnie</td><td>bez</td> <td>zamówienia</td></tr><tr><td>Reaktor z przepływem laminarnym</td><td>Gero</td><td>Typ HTRH 40-1000</td><td>projekt na zamówienie</td></tr><tr><td>Quadrupole MS</td><td>Hiden</td><td>HAL/3F 301</td><td>przystosowany do komory jonizacyjnej</td></tr><tr><td>Waporyzator</td><td>Bronkhorst</td><td>CEM</td><td></td></tr><tr><td>Przepływomierz masowy</td> parownika <td>Bronkhorst</td><td>Mini Cori-Flow M12, M13, M14</td><td>Regulator przepływu</td></tr><tr><td>Jet A-1</td><td>n.a.n.a.Standard</td><td></td> <td>Paliwo do silników odrzutowych będące przedmiotem zainteresowania</td></tr><tr><td>Metalowa strzykawka</td><td>Hugo Sachs</td><td>70-2252</td><td>Węże grzewcze do zasilania paliwem</td></tr><tr><td></td> Seria <td>Hillesheim</td><td>HMI</td><td>Gaz do podgrzewania gazu</td></tr><tr><td></td><td>Linde</td><td>Ar,</td><td>rozcieńczalnik O2, utleniacz</td></tr></tbody></table>

chemia spalania paliw: ilościowe dane specjacyjne uzyskane z atmosferycznego wysokotemperaturowego reaktora przepływowego ze sprzężonym spektrometrem mas z wiązką molekularną

Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer

Ten manuskrypt opisuje eksperyment z wysokotemperaturowym reaktorem przepływowym połączony z techniką potężnej spektrometrii mas z wiązką molekularną (MBMS). To elastyczne narzędzie umożliwia szczegółową obserwację kinetyki chemicznej fazy gazowej w reakcyjnych przepływach w dobrze kontrolowanych warunkach. Szeroki zakres warunków pracy dostępnych w reaktorze z przepływem laminarnym umożliwia dostęp do nadzwyczajnych zastosowań spalania, które zwykle nie są osiągalne w eksperymentach z płomieniem. Należą do nich bogate warunki w wysokich temperaturach istotne dla procesów zgazowania, chemia nadtlenowa regulująca niskotemperaturowy reżim utleniania lub badania złożonych paliw technicznych. Prezentowany układ umożliwia pomiary ilościowych danych specjacyjnych w celu walidacji modelu reakcji procesów spalania, zgazowania i pirolizy, umożliwiając jednocześnie systematyczne ogólne zrozumienie chemii reakcji. Walidacja modeli reakcji kinetycznych jest na ogół przeprowadzana poprzez badanie procesów spalania czystych związków. Reaktor przepływowy został ulepszony tak, aby nadawał się do paliw technicznych (np. mieszanin wieloskładnikowych, takich jak Jet A-1), aby umożliwić analizę fenomenologiczną występujących produktów pośrednich spalania, takich jak prekursory sadzy lub zanieczyszczenia. Kontrolowane i porównywalne warunki brzegowe zapewnione przez projekt eksperymentalny pozwalają na przewidywanie tendencji do powstawania zanieczyszczeń. Zimne reagenty są wprowadzane do reaktora wstępnie zmieszane, które są silnie rozcieńczone (około 99% obj. w Ar) w celu stłumienia samopodtrzymujących się reakcji spalania. Laminarnie płynąca mieszanina reagentów przechodzi przez znane pole temperatury, podczas gdy skład gazu jest określany na wylocie z reaktorów w funkcji temperatury pieca. Reaktor przepływowy pracuje pod ciśnieniem atmosferycznym o temperaturze do 1 800 K. Same pomiary wykonywane są poprzez monotonne obniżanie temperatury w tempie -200 K/h. Dzięki czułej technice MBMS pozyskiwane są szczegółowe dane dotyczące specjacji i określane ilościowo dla prawie wszystkich związków chemicznych w procesie reaktywnym, w tym form rodnikowych.

Typowe widmo masowe składu pobranych gazów przedstawiono na Rysunku 3. Przy zastosowanej konfiguracji o rozdzielczości masowej wynoszącej ok. 3 000 w układzie C/H/O można wykryć związki do m/z = 260 u. Po przeprowadzeniu procedury kalibracji masy, piki dla każdego stosunku masy do ładunku (m/z) są całkowane z wykorzystaniem algorytmów dekonwolucji w celu oceny sygnałów o niskiej rozdzielczości. Po korekcie tła i fragmentacji sygnał można skwantyfikować, stosu...

Przedstawiono badanie chemii spalania oksydacyjnego nowych biopaliw, składników paliw lub paliw do silników odrzutowych poprzez porównanie ilościowych danych specjacyjnych. Dane mogą być wykorzystane do walidacji modelu kinetycznego i umożliwiają strategię oceny paliwa. Manuskrypt ten opisuje atmosferyczny reaktor przepływowy o wysokiej temperaturze i demonstruje jego możliwości.

Chemia spalania paliw: ilościowe dane specjacyjne uzyskane z atmosferycznego wysokotemperaturowego reaktora przepływowego ze sprzężonym spektrometrem mas z wiązką molekularną

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest uzyskanie przeglądu reaktywnych związków chemicznych w procesie spalania oraz zbadanie składu chemicznego spalania paliw technicznych i komponentów paliwowych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na pytania z zakresu chemii spalania i powstawania zanieczyszczeń, takich jak powstawanie sadzy. Jedną z głównych zalet tej techniki jest uzyskanie przeglądu związków chemicznych i wykrycie nawet wysoce reaktywnych rodników bez wcześniejszej wiedzy.To elastyczne narzędzie oferuje nam obserwację chemicznej kinetyki fazy gazowej w dobrze kontrolowanych warunkach. Dane te mogą być wykorzystane do walidacji modelu kinetycznego i strategii oceny paliwa. Szeroki zakres warunków pracy dostępnych dla takiego reaktora z przepływem laminarnym umożliwia dostęp do zastosowań spalania, które zwykle nie są osiągalne w eksperymentach z płomieniem.Schemat systemu reaktora przepływowego pokazuje wszystkie główne komponenty. Piec jest sprzężony z konfiguracją MBMS z systemem wykrywania czasu przelotu lub systemem wykrywania TOF, zamontowany w kierunku pobierania próbek i do systemu zasilania gazem. Najpierw rozgrzej piekarnik do wyznaczonej temperatury początkowej, która j

combustion-chemistry-fuels-quantitative-speciation-data-obtained-from

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Pobieranie próbek gazu z płomieni na skalę laboratoryjną z analizą online wszystkich gatunków za pomocą spektrometrii mas to skuteczna metoda badania złożonej mieszaniny związków chemicznych występujących podczas procesów spalania. W połączeniu z przestrajalną miękką jonizacją za pomocą generowanego przez synchrotron promieniowania próżniowo-ultrafioletowego, technika ta dostarcza informacji o rozdzielczości izomerów i potencjalnie wolnych od fragmentów widm masowych.

Eksperymenty z płomieniem w zaawansowanym źródle światła: nowe spojrzenie na procesy tworzenia sadzy

Opisujemy użycie mikro-termopar do szacowania lokalnych gradientów temperatury w stałych laminarnych płomieniach dyfuzyjnych warstwy granicznej. Rozszerzając analogię Reynoldsa, lokalne gradienty temperatury mogą być dalej wykorzystywane do oszacowania lokalnego tempa spalania masy i strumieni ciepła w takich płomieniach z dużą dokładnością.

Metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej

Protokół tworzenia modelu spalin spalinowych bogatych w paliwo jest rozwijany poprzez charakterystykę spalania i jest stosowany do testowania i badań ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem mikrorurowym.

Charakterystyka spalania i opracowanie modelu paliwa dla mikrorurowych ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem

Przedstawiono protokół pomiaru prędkości płomienia mieszaniny reaktywnej złożonej z beztlenku tetrajodu (I4O9) i aluminium (Al). Przedstawiono również metodę określania kinetyki reakcji za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Stwierdzono, że I4O9 jest o 150% bardziej reaktywny niż inne tlenki jodu(V).

Kinetyka reakcji i dynamika spalania mieszanin I4O9 i glinu

Precyzyjne określenie szybkości przepływu wydzielanych gazów jest kluczowe do badania szczegółów reakcji. Zapewniamy nowatorską metodę analizy ilościowej równoważnej analizy widma charakterystyki dla termograwimetrycznej analizy widma masowego poprzez ustanowienie systemu kalibracji widma charakterystycznego i czułości względnej w celu uzyskania natężenia przepływu.

Analiza ilościowa za pomocą termograwimetrii-analiza widma mas dla reakcji z wydzielającymi się gazami

Tutaj prezentujemy metodę wykorzystującą dwuwymiarową chromatografię gazową i detekcję chemiluminescencji azotu (GCxGC-NCD) do szczegółowego scharakteryzowania różnych klas związków zawierających azot w oleju napędowym i paliwach do silników odrzutowych.

Charakterystyka związków azotu w paliwach metodą wielowymiarowej chromatografii gazowej

Przedstawiono technikę wykorzystującą ziarno paliwa stałego z nowatorską, zagnieżdżoną spiralną strukturą w celu poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego.

Poprawa wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowego ziarna paliwa o zagnieżdżonej strukturze spiralnej

Czas reakcji transferu protonów w locie Spektrometria mas umożliwia bardzo czułą, szybką i nieinwazyjną analizę lotnych związków organicznych. Aby pokazać jej potencjał, podajemy trzy przykłady: fermentację mlekową jogurtu (monitorowanie bioprocesów on-line), różne genotypy jabłek (badania przesiewowe na dużą skalę) oraz przestrzeń zanosową po wypiciu kawy (analiza przestrzeni nosowej).

PTR-ToF-MS w połączeniu ze zautomatyzowanym systemem pobierania próbek i dostosowaną analizą danych do badań żywności: monitorowanie bioprocesów, badania przesiewowe i analiza przestrzeni nosowej

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

W tej pracy znajduje się praktyczny przewodnik, opisujący różne kroki do ustanowienia sprzężenia systemów SMPS i ICPMS oraz jak z nich korzystać. Przedstawiono trzy przykłady opisowe.

Praktyczny przewodnik na temat sprzężenia skanera mobilności skanera i spektrometru mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (SMPS-ICPMS)

Odkryj chemię spalania paliw biologicznych w wysokotemperaturowym reaktorze przepływowym ze sprzężonym spektrometrem mas. Ta metoda umożliwia wykrywanie reaktywnych gatunków chemicznych i dostarcza dane do walidacji modeli kinetycznych oraz oceny paliw.

Chemia spalania paliw: ilościowe dane specjacyjne uzyskane z atmosferycznego wysokotemperaturowego reaktora przepływowego ze sprzężonym spektrometrem mas z wiązką molekularną (Wideo) | JoVE Journal

Chemia spalania paliw: ilościowe dane specjacyjne uzyskane z atmosferycznego wysokotemperaturowego reaktora przepływowego ze sprzężonym spektrometrem mas z wiązką molekularną

Przeglądaj więcej filmów