Química de combustão de combustíveis: especiação quantitativa de dados obtidos de um reator de fluxo de alta temperatura atmosférica com acoplado a espectrômetro de massa Molecular-feixe

O objetivo geral deste experimento é obter uma visão geral das espécies químicas reativas em um processo de combustão e investigar a química de combustão de combustíveis técnicos e componentes de combustível. Este método pode ajudar a responder a perguntas no campo da química da combustão e da formação de poluentes, como a formação de fuligem. Uma das principais vantagens desta técnica é obter uma visão geral das espécies químicas e detectar até mesmo espécies radicais altamente reativas sem conhecimento prévio.

Esta ferramenta flexível nos oferece uma observação da cinética química da fase gasosa sob condições bem controladas. Os dados podem ser usados para validação de modelos cinéticos e estratégias de avaliação de combustível. A vasta gama de condições operacionais disponíveis para esse reator de fluxo laminar permite o acesso a aplicações de combustão que normalmente não são alcançáveis por experimentos com chama.

O esquema do sistema do reator de fluxo mostra todos os principais componentes. O forno é acoplado à configuração MBMS com o tempo de voo, ou Sistema de Detecção TOF, montado na direção de amostragem e em um sistema de suprimento de gás. Primeiro, aqueça o forno até a temperatura inicial designada, que é a temperatura mais alta na série de medições designada.

Preparar o espectrómetro TOF para a detecção de espécies intermédias. Agora prepare o espectrômetro quadrupolo para a detecção das principais espécies, colocando-o na câmara de ionização do sistema MBMS e iniciando o software. Para preparar o sistema de abastecimento de combustível, primeiro prepare uma seringa de metal para o abastecimento de combustível.

Em seguida, encha a seringa de metal com 30 mililitros da amostra de combustível. Em seguida, pressurize a seringa de metal até cinco bar abrindo a válvula e adicionando ar pressurizado ao sistema. Em seguida, aqueça o vaporizador e as linhas de abastecimento de combustível.

Para este projeto experimental, defina o sistema de resfriamento a água para 80 graus Celsius para que o combustível diluído não possa recondensar no ponto mais frio do sistema, que é a temperatura naquele flange para o forno. Coloque o forno na posição de amostragem próxima do valor de platô do perfil espacial de temperatura do forno. Em seguida, inicie o diluente de sua escolha adicionando gás ao medidor de fluxo de massa Coriolis.

Inicie a gravação contínua de dados clicando nos botões Iniciar no software TOF e quadrupolo. Adicione oxigênio como oxidante definindo a condição de fluxo apropriada do software do medidor de fluxo de massa Coriolis. Observe o oxidante de entrada como um novo pico no espectro de massa.

Em seguida, adicione combustível definindo a condição de fluxo apropriada do medidor de fluxo de massa Coriolis. Verifique o espectro para confirmar se a oxidação completa foi alcançada e se um sinal de massa de dióxido de carbono estável é observado. Após o período de estabilização, aplique uma rampa de decaimento contínuo de temperatura de 200 Kelvin por hora ao forno, o que leva a tempos de medição típicos de duas horas por execução.

A uma temperatura específica do forno durante a rampa, observe uma rápida mudança do espectro de massa com produtos de combustão únicos desaparecendo e pequenos intermediários de combustão aparecendo. Com a diminuição da temperatura, os intermediários visíveis tornam-se cada vez maiores. Em temperaturas de forno frio, apenas o sinal de compostos combustíveis e oxigênio pode ser observado.

Quando a temperatura final estiver estabilizada, desligue o oxidante. Continue registrando medições e obtenha medições de caracterização de combustível em condições sem oxidante. Em seguida, desligue o combustível no software do medidor de fluxo de massa Coriolis definindo o valor para zero.

Em seguida, pare a gravação de dados clicando nos botões de parada no software. Para problemas de calibração, monte uma câmara fechada na frente do cone de amostragem. Em seguida, abra a válvula da bomba para evacuar a câmara.

Aplique misturas binárias ou gases de calibração comerciais para calibração. Em seguida, inicie o software TOF novamente sem registro de dados. Ajustar a pressão na câmara de calibração por meio de uma válvula de agulha para obter uma intensidade de sinal acima da relação sinal-ruído e abaixo do limite de saturação.

Em seguida, inicie as medições de calibração e habilite o registro de dados. Em cada temperatura registrada para cada espécie escolhida, calcule sua fração molar a partir do sinal correspondente. Em seguida, tampe os perfis da fração molar em relação à temperatura do forno.

Um espectro de massa típico da composição do gás amostrado é mostrado aqui. Os picos são integrados para cada relação massa-carga para avaliar sinais não totalmente resolvidos. Os sinais são plotados em relação à temperatura média do intervalo de 2,5 Kelvin, resultando em um gráfico típico de fração molar versus temperatura do forno.

Os perfis espaciais de fração molar de formaldeído e acetileno obtidos a partir de uma medição estequiométrica de metano mostram concordância entre os dados medidos e os valores do modelo cinético para os componentes principais e espécies intermediárias. O potencial composto de combustível de aviação, p-mentano, com perfis de espécies importantes, é retratado aqui. Obtém-se a dependência estequiométrica do etileno e do formaldeído, e as espécies intermediárias selecionadas para as condições estequiométricas.

Na configuração do reator de fluxo, o perfil de oxigênio e combustível começa no máximo em baixas temperaturas e é consumido à medida que a temperatura aumenta. A análise aprofundada mostra um decaimento semelhante para as espécies de hidrocarbonetos, enquanto as espécies aromáticas mostram uma região de planalto distinta Maior fração molar para precursores de fuligem, radical propargil e benzeno, são medidas para p-metano em comparação com Jet A-1 e farnesano, indicando uma maior tendência à formação de poluentes. Para o farnesano, as frações molares mais baixas para ambas as espécies são medidas em comparação com o p-metano e o combustível Jet A-1.

Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo de futuras estratégias de design de combustível explorarem a cinética de combustão e a formação de poluentes para combustíveis e componentes convencionais e alternativos.