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

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 jest najwyższą temperaturą w wyznaczonej serii pomiarów.

Przygotować spektrometr TOF do wykrywania gatunków pośrednich. Teraz przygotuj spektrometr kwadrupolowy do wykrywania głównych gatunków, umieszczając go w komorze jonizacyjnej systemu MBMS i uruchamiając oprogramowanie. Aby przygotować układ zasilania paliwem, najpierw przygotuj metalową strzykawkę do dostarczania paliwa.

Następnie napełnij metalową strzykawkę 30 mililitrami próbki paliwa. Następnie zwiększ ciśnienie w metalowej strzykawce do pięciu barów, otwierając zawór i dodając sprężone powietrze do systemu. Następnie rozgrzej parownik i przewody doprowadzające paliwo.

W tym eksperymentalnym projekcie ustaw układ chłodzenia wodą na 80 stopni Celsjusza, aby rozcieńczone paliwo nie mogło się ponownie skondensować w najzimniejszym miejscu systemu, którym jest temperatura w tym kołnierzu do piekarnika. Umieścić piec w miejscu pobierania próbek, które jest bliskie wartości plateau przestrzennego profilu temperatury pieca. Następnie uruchom wybrany rozcieńczalnik, dodając gaz do przepływomierza masowego Coriolisa.

Rozpocznij ciągłą rejestrację danych, klikając przyciski start w oprogramowaniu TOF i kwadrupolowym. Dodaj tlen jako utleniacz, ustawiając odpowiednie warunki przepływu w oprogramowaniu przepływomierza masowego Coriolisa. Obserwuj przychodzący utleniacz jako nowy pik w widmie masowym.

Następnie dolać paliwa, ustawiając odpowiednie warunki przepływu przepływomierza masowego Coriolisa. Sprawdź widmo, aby potwierdzić, czy osiągnięto całkowite utlenienie i zaobserwowano stabilny sygnał masy dwutlenku węgla. Po okresie stabilizacji zastosuj do pieca ciągłą rampę spadku temperatury wynoszącą 200 kelwinów na godzinę, co prowadzi do typowych czasów pomiaru wynoszących dwie godziny na przebieg.

Przy określonej temperaturze pieca podczas rampy obserwuj gwałtowną zmianę widma masy, w której znikają produkty spalania soli i pojawiają się małe produkty pośrednie spalania. Wraz z dalszym spadkiem temperatury widoczne półprodukty stają się coraz większe. Przy niskich temperaturach pieca można zaobserwować tylko sygnał związków paliwowych i tlenu.

Gdy temperatura końcowa się ustabilizuje, wyłącz utleniacz. Kontynuuj rejestrację pomiarów i uzyskuj pomiary charakterystyki paliwa w warunkach bez utleniacza. Następnie wyłącz paliwo w oprogramowaniu przepływomierza masowego Coriolisa, ustawiając wartość na zero.

Następnie zatrzymaj rejestrowanie danych, klikając przyciski zatrzymania w oprogramowaniu. W przypadku problemów z kalibracją należy zamontować zamkniętą komorę przed stożkiem do pobierania próbek. Następnie otwórz zawór pompy, aby opróżnić komorę.

Do kalibracji należy zastosować mieszaniny dwuskładnikowe lub komercyjne gazy kalibracyjne. Następnie ponownie uruchom oprogramowanie TOF bez rejestrowania danych. Wyreguluj ciśnienie w komorze kalibracyjnej za pomocą zaworu iglicowego, aby uzyskać natężenie sygnału powyżej stosunku sygnału do szumu i poniżej limitu nasycenia.

Następnie rozpocznij pomiary kalibracyjne i włącz rejestrację danych. Przy każdej zarejestrowanej temperaturze dla każdego wybranego gatunku oblicz jego ułamek molowy na podstawie odpowiedniego sygnału. Następnie zatkaj profile frakcji molowej w stosunku do temperatury piekarnika.

Przedstawiono tu typowe widmo masowe składu gazu, do którego pobierana jest próbka. Piki są zintegrowane dla każdego stosunku masy do ładunku w celu oceny sygnałów nie w pełni rozdzielczych. Sygnały są wykreślane w stosunku do średniej temperatury z przedziału 2,5 kelvina, co daje typowy wykres ułamka molowego w funkcji temperatury pieca.

Przestrzenne profile frakcji molowych formaldehydu i acetylenu uzyskane z stechiometrycznego pomiaru metanu wykazują zgodność między zmierzonymi danymi a wartościami modelu kinetycznego dla głównych składników i gatunków pośrednich. Przedstawiono tutaj potencjalny związek paliwa lotniczego, p-menthan, charakteryzujący się głównymi profilami gatunkowymi. Uzyskuje się zależność stechiometryczną etylenu i formaldehydu oraz wybrane gatunki pośrednie dla warunków stechiometrycznych.

W konfiguracji reaktora przepływowego profil tlenu i paliwa zaczyna się od maksimum w niskich temperaturach i jest zużywany wraz ze wzrostem temperatury. Dogłębna analiza wykazuje podobny rozkład w przypadku węglowodorów, podczas gdy formy aromatyczne wykazują wyraźny obszar plateau Wyższa frakcja molowa dla prekursorów sadzy, rodnika propargylowego i benzenu, jest mierzona dla p-metanu w porównaniu z Jet A-1 i farnezanem, co wskazuje na większą skłonność do tworzenia zanieczyszczeń. W przypadku farnezanu mierzy się niższe frakcje molowe dla obu gatunków w porównaniu z p-metanem i paliwem Jet A-1.

Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się przyszłymi strategiami projektowania paliw do zbadania kinetyki spalania i powstawania zanieczyszczeń w paliwach i komponentach konwencjonalnych i alternatywnych.