연료의 연소 화학: 양적 Speciation 데이터와 대기 고 열 흐름 반응 기에서 얻은 결합 분자 빔 질량 분석기

Chemistry

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Summary

새로운 바이오 연료, 연료 구성 요소, 또는 비교 데이터를 제시 하는 양적 speciation의 제트 연료의 산화 연소 화학의 수사. 데이터 운동 모델 유효성 검사에 사용 될 수 있다 고 연료 평가 전략을 수 있습니다. 이 원고는 대기 열 흐름 반응 기를 설명 하 고 그 기능을 보여 줍니다.

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Köhler, M., Oßwald, P., Krueger, D., Whitside, R. Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer. J. Vis. Exp. (132), e56965, doi:10.3791/56965 (2018).

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Abstract

이 원고는 강력한 분자 빔 질량 분석 (MBMS) 기술을 결합 하 여 고온 흐름 반응 기 실험을 설명 합니다. 이 유연한 도구 잘 제어 된 조건 하에서 반응 흐름 속도 론 화학 가스 위상의 상세한 관찰을 제공합니다. 층 류 흐름 반응 기에서 사용할 수 있는 작동 조건의 광대 한 범위는 일반적으로 불꽃 실험에 의해 달성 하는 특별 한 연소 응용 프로그램을 액세스할을 수 있습니다. 가스 화 공정, 저온 산화 정권 또는 복잡 한 기술 연료의 조사 peroxy 화학 관련 높은 온도에서 풍부한 조건 포함 됩니다. 제시 설치 반응 화학의 체계적인 일반적인 이해 하면서 연소, 가스 화 및 열 분해 과정의 반응 모델 검증에 대 한 양적 speciation 데이터의 측정을 허용 한다. 운동 반응 모델의 유효성 검사는 일반적으로 순수한 화합물의 연소 프로세스를 조사 함으로써 수행 됩니다. 흐름 반응 기 검 댕 선구자 또는 오염 물질 발생 연소 중간체의 현상 학적 분석에 대 한 수 있도록 기술 연료 (예: 제트 a-1 처럼 다 성분 혼합물)에 적합 하도록 향상 되었습니다. 제어 및 유사한 경계 조건 실험 설계에 의해 제공 오염 물질 형성 추세의 예측을 허용 한다. 차가운 반응 premixed 자립 연소 반응을 억제 하기 위해 (아칸소에서 약 99 vol %)에서 높은 희석 하는 원자로에 먹인 다. 층 류 흐름 반응 혼합물 원자로 배기 가스 구성 오븐 온도의 기능으로 결정 되는 동안 알려진된 온도 필드를 통해 전달 합니다. 최대 1800 K. 흐름 반응 기는 대기 온도와 압력에서 운영 스스로 측정-200 K/h의 속도로 일정 하 게 온도 감소 하 여 수행 됩니다. 민감한 MBMS 기술로 자세한 speciation 데이터는 인수 하 고 급진적인 종 등 반응 과정에서 거의 모든 화학 종에 대 한 계량.

Introduction

현대의 여파로 연소 프로세스 이해, 낮은 방출 연료 재생 가능 자원에서 오늘날의 사회 생태 적이 고 및 경제 주제에 대 한 도전 이다. 그들은 화석 연료에 대 한 의존도 줄이기 위해, CO2 배출량, 오프셋 및 그을음 등의 독성 선구자1유해한 오염 물질 배출량에 긍정적인 영향을 미칠 가능성이 있다. 그들의 이용을 가진이 빠르게 성장 하는 분야를 결합 하 여 현대 연소 시스템에서, 관리 화학 및 물리적 프로세스의 기본적인 이해에 대 한 수요는 극적으로 증가2. 오늘날에, 과격 한 연쇄 반응에서 발생 하는 복잡 한 화학 반응 네트워크 아직도 완전히 이해 하 고. 분석 또는 심지어 오염 물질 형성 또는 (자동) 점화 프로세스 같은 현상 제어, 화학 반응 네트워크의 상세한 지식을 퍼즐3의 중요 한 부분 이다.

조사 하 고 그 화학 반응 네트워크 이해, 실험 및 수 치적 접근은 필수입니다. 실험적으로, 구체적인 질문을 대상으로 단순 하 고 잘 제어 흐름 환경 실험을 적용 하 여 연소 화학을 공부 했다 일반적으로. 높은 복잡성과 개별 하위 프로세스의 역학 기본적인 실험 온도, 압력, 열 지정 된 주요 특징의 추적을 허용 하면서 기술에서는 약관의 정확한 복제 방지 릴리스, 또는 화학 종입니다. 초기에, 다른 실험 방법에 대 한 필요가 되었다, 각 연소 화학의 전반적인 글로벌 그림에 기여 하는 정보의 후속 집합을 제공 하 고 특정 질문을 태 클. 조건의 전체 범위를 커버 하 고 다양 한 접근 방법을 기술 시스템에서 발생 하는 복잡 한 조건을 설명 하기 위해 그 후속 정보 집합을 수집 하려면 개발 성공적으로 되었습니다. 잘 설립 된 기술을 다음과 같습니다.

  • 충격 튜브4,,56 고 빠른 압축 기계7. 이 소자는 넓은 범위 압력 및 온도의 높은 제어를 제공 한다. 그러나, 접근 가능한 반응 시간 및 적합 한 분석 기법 제한 됩니다.
  • 층 류 premixed 불길3,,89,10,11 얻을 간단한 흐름 필드와 함께에서 높은 온도 조건에 이상적입니다. 이후 반응 영역의 공간 차원 압력 증가 함께 감소, premixed 불길은 speciation 목적 저압 조건에서 일반적으로 조사 됩니다.
  • 특히 확산 화 염12,13,,1415 난 류 연소에 flamelet 정권 조사에 이상적입니다. 그들은 진짜 난 류 흐름에 이질성으로 인해 긴장을 모방 왔지만, 다시, 높은 종 형성 분석 기법.
  • 다양 한 반응 기 실험16,,1718 (정적, 촉발 및 플러그 흐름) 환경, 온도 일반적으로 낮은 고압에 대 한 액세스 환경 화 염에 비해 제공. 일반적인 접근은:
    • 정적 원자로 예: 펄스 photolysis 실험을 위해 널리 이용 된다 그러나 일반적으로 긴 거주 시간과 낮은 온도 의해 제한 됩니다.
    • 제트-흔들 원자로, 가스 버전 완벽 하 게 촉발된 원자로 (PSR)의 효율적인 가스 위상의 혼합에 의존 하 고 일정 한 체류 시간, 온도와 압력, 모델을 쉽게 정상 상태에서 작동 될 수 있다. 그러나, 분자 시간이 뜨거운 표면에 이동 하 고 이기종 반응을 받을 수 있다.
    • 수많은 흐름 반응 기 접근으로 알려져 있습니다, 플러그 흐름 반응 기 (PFR) 원통형 형상의 연속, 흐르는 시스템에서 화학 반응을 설명 하기 위한 가장 인기 있는 방법 중 하나. 플러그 흐름 조건 정상 상태에서 이상적인 PFRs에 대 한 위치로의 기능으로는 플러그의 고정된 체류 시간으로 간주 됩니다.

실험적인 연소 활동의 분야에 그 귀중 한 기술 보완, 높은-온도 층 흐름 반응 기 실험19,20 추적에 대 한 분자 빔 질량 분석 (MBMS) 기술 채용 자세하게에서 종 개발21,22 여기 표시 됩니다. 층 류, 대기압 및 액세스할 수 온도 최대 1800 K 작업 조건이 흐름 반응 기의 주요 특성 민감한 MBMS 기술 수 종의 거의 모든 화학 연소에 검출 프로세스입니다. 이 포함 되지 않은 기 반응성이 매우 높은 종 또는 거의 다른 검출 방법으로 추적. MBMS 기술 전통과 현대적인 대체 연료, 알콜 또는 에테르23,,2425 등의 화 염에 반응 네트워크의 상세한 조사를 위해 널리 사용 되 고의 것 보여주었다 현대 운동 모델 개발에 대 한 큰 값입니다.

그림 1 샘플링 프로브 (A)의 확대 된 프레임 높은 온도 흐름 반응 기의 회로도 보여준다 고 두 그림 전체 실험 (B) 및 프로브 설치 (C). 시스템은 두 개의 세그먼트에 분할 될 수 있다: 첫째, 가스 공급 및 기화 기 체계 및 초 고온 흐름 반응 기, MBMS 비행 시간 검출 시스템. 작업 흐름 관의 출구는 MBMS 시스템의 샘플링 노즐에 직접 장착 됩니다. 가스는 반응 기 출구에서 직접 샘플링 이며 높은 진공 검출 시스템으로 전송. 여기, 이온화 후속 비행 시간 검출 전자 이온화에 의해 수행 됩니다.

반응 기는 고온 오븐 (예를 들어, 게로, 유형 HTRH 40-1000)에 배치 1,497 m m 길이 40 m m 내경 세라믹 (알루미늄2O3) 파이프. 총 열된 섹션 길이 1000 m m 이다. 가스는 강화 플랜지 (~ 80 ° C에 일반적으로 단련 된)에 의해 premixed 및 반응 기에 미리 증발을 먹인 다. 높은 희석 (ca. 99 vol %ar에서), 층 류 흐르는 반응 혼합물 (온도 특성에 대 한 내용은 아래를 주어질 것 이다) 알려진된 온도 프로 파일을 통해 전달. 가스 성분의 검출 반응 기 출구에 오븐 온도의 기능으로 일어난다. 단순하게 감소 온도 램프 (-200 K/h) 뚜렷한 온도에서 측정 될 때 비슷한 결과 얻을 수 있습니다 1800 K 600 K. 메모의 범위에서 오븐에 적용 하는 동안 지속적인 유입 유량에서 측정 수행 됩니다. 등온선 오븐 온도 및 열 관성 제대로 간주 됩니다. 시스템의 열 안정화 아직도 몇 시간이 고 온도 램프 (무시할 수) 작은 온도 증가 대 한 시간 및 시리즈 당 총 측정 시간 평균의 타협으로 선택 됩니다. 평균 시간 (45 s)는 MBMS의 2.5 공화국에 해당 결과 거주 시간 약 2는 주어진 조건 (에서 1000 K) s. 마지막으로, 온도 재현성 때문 현재 원자로 실험에 대 한 정밀 측정된 온도의 ± K 5의 또는 더 나은 상대를 진술 될 수 있다.

그림 2 기술 제트 연료 등도 복잡 한 탄화수소 혼합물을 조사 하기 위해 최적화 된 기화 시스템의 회로도 보여준다. 모든 입력된 스트림이 코리올리 스 질량 흐름 미터 높은 정밀도 (정확도 ± 0.5%)에 metered 있습니다. 연료의 증발 온도에서 상업 기화 기 시스템에 의해 실현은 최대 200 ° c. 미리 증발된 연료와 모든 공급 라인은 동시에 열 저하를 피하고 있는 동안 액체 연료의 응축을 방지 하기 위해 일반적으로 150 ° C의 온도 가진 preheated. 완벽 하 고 안정적인 증발은 정기적으로 확인 하 고 해당 연료의 정상적인 비등 점의 밑에 온도에 발생할 수 있습니다. 완전 한 증발 연료 작은 분수와 낮은 부분 압력에 의해 보장 되었다 (일반적으로 100 아래 Pa) 필요.

그림 1의 확대 된 프레임에서 자세히 본 가스 주위 압력 (약 960 hPa)에서 반응 기 출구의 중심선에서 석 영 콘에 의해 샘플링 됩니다. 노즐 팁은 대략 반응 영역의 끝에 세라믹 튜브 내부 30 mm 50 μ m 구멍이 있다. 유의 하십시오, 샘플링 위치는 입구에 관하여 고정 됩니다. 오븐의 열 확장 반응 세그먼트의 온도 독립적인 길이에 따른 샘플링 시스템에 기계적으로 연결 되지 않은 콘센트에만 일어난다. 모든 반응 가스는 높은 진공 (2 개의 차동 펌핑 단계; 10-2 와 10-4 Pa)25,26으로 확장 될 때 분자 빔 형성 때문 침묵 즉시 있다. 샘플 전자 영향 (EI) 시간의 비행 (TOF) 질량 분석기의 이온 소스에 가이드 (해상도 연구 질량 = 3000) C/H 내 원소 구성 결정에 적합 한 정밀도에 현재 종의 정확한 질량을 결정 할 수 /O 시스템입니다. 전자 에너지는 이온화 과정으로 인해 조각화를 최소화 하기 위해 낮은 값 (일반적으로 9.5-10.5 eV)로 설정 됩니다. 희석제 및 참조 종 아르곤 이온화 전자 1.4 eV (FWHM)의 광범위 한 에너지 분포 때문에 여전히 감지는 note. 동안 아칸소 낮은 전자 에너지 주요 종 (H2O, CO2, CO, H2와 O2, 연료)의 충분 한 결정에 대 한 허용 하지 않습니다 좋은 S/n, 측정 될 수 있다는 프로필 중요 한 낮은 농도에서 현재 .

TOF에 의해 검출 이외 즉, 사중 극 자 질량 분석기는 잔류 가스 분석기 (RGA), MBMS TOF 측정을 동시에 더 높은 전자 에너지 (70 eV)와 위에 6 종 모니터링 이온화 챔버에 배치 됩니다.

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Protocol

1. 분자 빔 질량 분석기 (MBMS)과 흐름 반응 기 시스템의 설치

  1. 열 오븐을 지정 시작 온도, 지정된 측정 시리즈에 가장 높은 온도 이다. 제트 a-1와 Φ의 일반적인 조건에 대 한 = 1, 850 ° c (~ 1100 K) 총 산화는 관찰. 조사 연료와 산출할 (Φ)의 화학 특성에 따라 적절 한 시작 온도 선택 합니다.
  2. 중간 종 탐지를 위한 시간의 비행 (TOF) 분석기를 준비 합니다. TOF 분석기 분자 빔에 정렬 되 고 따라서 불안정의 신뢰할 수 있는 검색을 제공 합니다.
    참고: 대량 해상도 C/H/O 시스템에 원소 구성의 결정에 대 한 적합 이다. 선택 부드러운 이온화 조건 조각화 방지를 위해. 일반적으로 9.5에서 10.5 eV 값 연소 중간체의 일반적인 조사를 위해 적당 한 입증 되었습니다.
  3. 4 극 자 분석기 주요 종 탐지에 대 한 준비.
    참고: (잔류 가스 분석기, RGA 라고도 함)는 4 극 자 분석기는 분자 빔 근처 MBMS 시스템의 이온화 챔버 내부 배치 됩니다, 때문에 그냥 벽에 흩어져 배경 가스 측정 됩니다. 주요 종 안정적 이기 때문에, 배경 압력 샘플링 끝에 그들의 농도 잘 반영 합니다. 더 나은 신호 대 잡음 비율에 대 한이 경우 70 eV의 높은 이온화 에너지를 선택 했다.

2입니다. 연료 샘플의 준비

  1. 연료 공급을 위한 금속 주사기를 준비 합니다.
    주의: 적절 한 개인 보호 장비를 사용 하 여 연료 처리에 대 한.
    1. 기화 금속 주사기를 연료 샘플의 30 mL를 입력 합니다.
    2. 밸브를 열고 있지만 시스템에 가압된 공기를 추가 하 여 연료 공급 시스템 (금속 주사기) 5 바 기 압.
    3. 연료 공급 라인에는 밸브를 열어 연료 라인 및 코리올리 질량 유량 계를 환기.
  2. 기화 기 및 가스 공급 라인이 열. 특정된 설치에 온도 정상 압력 비등 점 보다 훨씬 높은 희석 때문 적용할 수 있습니다. 연료의 높은 끓는 화합물의 지정 된 온도에서 증기 압력 가스 시내에서 그것의 부분 압력 보다 높은 있는지 확인 합니다. 일반적으로, 200 ° C 제트 a-1에 대 한 적절 한입니다.
  3. 시스템에서 추운 자리는 오븐에 강화 입구 플랜지는 note. 이 자리에서 희석된 연료 recondense 수 없습니다 다는 것을 확인 하십시오. 일반적인 제트 a-1 (99% 희석) 설정에 대 한 냉각 시스템을 80 ° C 물 적절 한입니다.

3. 측정 및 데이터 수집

  1. 오븐 샘플링 위치에 배치 합니다. 샘플링 콘 오븐의 세라믹 튜브 내부에 배치 되어야 합니다. 현재에서 실험, 샘플링 위치는 오븐의 공간 온도 프로 파일의 고원 값에 가깝다.
    참고: 그림 1 에서 그림 원추와 원자로 보여 줍니다. 열띤된 반응 기 (블루) 석 영 콘으로 레일에 이동 합니다.
  2. 코리올리 스 질량 유량 계를 통해 가스를 추가 하 여 선택의 희석제를 시작 합니다.
    참고: 질량 흐름 미터는 원래 소프트웨어 패키지에 의해 제어 됩니다. 여기, 질량 유량 값을 설정할 수 있습니다. 일반적으로, 99% 아르곤이 사용 됩니다. 일반적으로, 액체 연료에 대 한 희석제 흐름 수 있습니다를 추가 코리올리 스 질량 유량 계를 사용 하 여 병렬 Cori 흐름 2 온수 라인을 통과 하 여 기화 기 및 산화 제 가스 스트림을 분할 되며 Cori 흐름 3에서 산화 제 스트림에 직접 연결.
  3. 지정 된 경 음악 소프트웨어를 사용 하 여 연속 데이터 기록 (TOF 및 4 중 극)을 시작 합니다.
    참고: 클릭 시작-단추 4 극 자 소프트웨어. TOF 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭 합니다.
    1. 코리올리 유량 계 소프트웨어의 적절 한 흐름 상태를 설정 하 여 산화 제 O2 를 추가 합니다. 질량 스펙트럼에서 새로운 피크로 들어오는 산화 제를 관찰 합니다.
  4. 코리올리 스 질량 유량의 적절 한 흐름 상태를 설정 하 여 연료를 추가 합니다.
    1. 스펙트럼을 확인 합니다. 상체와 화학 량 론 조건의 경우 완전 한 산화를 달성, 안정 된 CO2 대량 신호를 관찰 합니다.
  5. 신호 강도 4 ~ 5 측정에 대 한 안정, 안정화 기간이 끝납니다. 안정화 기간 후 오븐에 일반적으로-200 K/h의 지속적인 온도 치 램프를 적용 합니다. 일반적인 측정 측정 실행 당 2 h의 시간을이 끈다.
    1. 경사로 동안 특정 오븐 온도에서 질량 스펙트럼의 급속 한 변화를 관찰 합니다. 단독 연소 제품 (H2O, CO2 와 CO, H2 풍부한 경우에) 사라지기 시작 하 고 작은 연소 중간체 감지 될.
      참고: 추가 온도 감소, 보이는 중간체 될 큰. 차가운 오븐 온도에서 연료와 산소의 신호에만 관찰 될 수 있다; 아무 반응 원자로의 현재 체류 시간 내에서 일어나는.
  6. 최종 온도 안정 때 (일반적으로 500 ° C, 10 분)는 산화 제를 끄고.
    1. 기록 측정을 계속 합니다. 산화 제 없이 조건에서 (조각의 구성) 측정을 연료 특성을 가져옵니다.
  7. 0 값을 설정 하 여 코리올리 스 질량 유량 계 소프트웨어에 연료 전환. 데이터는 여전히 기록 될 것 이다; 이러한 스펙트럼을 사용 하 여 배경 측정에 대 한.
  8. 데이터는 소프트웨어의 중지 단추를 클릭 하 여 녹음을 중지 합니다.

4. 교정 측정

  1. 교정 문제에 대 한 샘플링 콘 앞 닫힌된 챔버를 탑재 합니다.
    참고: 닫힌된 챔버는 튜브, 노즐 앞 손으로 배치 됩니다.
  2. 오픈 밸브 펌프입니다. 실로 대피.
  3. 이진 혼합물 (관심와 Ar의 탄화수소) 또는 교정에 대 한 상업적인 교정 가스를 적용 합니다. 데모, CO와 CO2 와 아르곤 사용자 정의 가스 혼합 여기 사용 됩니다.
  4. 신호 강도 신호 대 잡음 비율 위와 채도 제한 아래를 니 들 밸브에 의해 교정 챔버에 압력을 조정 합니다.
  5. 데이터 기록 TOF 소프트웨어에서 시작 단추를 클릭 하 여 3.5에서 개별 측정 수행을 시작 하 여 교정 측정을 시작 합니다.

5입니다. 데이터 처리

참고: 다시 코딩 스펙트럼에서 기록 각 오븐 온도에 일치 해야 합니다.

  1. 각 기록 된 온도에, 선택한 각 종족에 대 한 해당 신호에서의 몰 분수를 계산 합니다. 오븐 온도 (그림 3) 대 두더지 분수 프로필을 플롯 합니다.

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Representative Results

샘플된 가스 구성의 일반적인 질량 스펙트럼은 그림 3에 표시 됩니다. 약 3000, m/z까지 종 대량 해상도의 주어진 설정 = 260 C/H/O 시스템 내에서 검출 될 수 있다. 대량 교정 절차 후 봉우리 아래 해결 신호를 평가 하기 위한 deconvolution 알고리즘 각 질량 대 전 (m/z) 비에 대 한 통합 됩니다. 배경 및 조각화 수정 후 신호 알려진된 concertation (일반적으로 불활성 가스 아르곤)의 참조 종 대 적절 한 보정 요소를 사용 하 여 측정할 수 있습니다. 교정 요소를 얻기 위한 몇 가지 복잡 한 전략 직접 찬 가스 측정 (같이), 내부로 잘 교정 전략으로 크로스 섹션 또는 추정 절차 문학 이온화를 포함 하 여 사용할 수 있습니다. 적절 한 선택은 개별 종, 측정 조건 및 사용 가능한 데이터에 따라 달라 집니다. 적용 방법 및 전략에 대 한 자세한 설명에 대 한 참조18,,2829,30을 참조 하십시오. 흐름 반응 기에 대 한 구체적인 절차 참고 21의 보충 자료에 사용할 수 있습니다. 첩 자 분수 전형적인 두더지 분수 vs 오븐 온도 플롯 그림 3 (C)에 표시 된 결과 해당 2.5 K 간격의 평균 온도 대 한 마지막으로 플롯 됩니다.

검토, 이해 하 고 연소에 복잡 한 반응 네트워크를 분석, 상세한 운동 모델링 귀중 한 상호 보완적인 도구로 자체을 입증 했다. 층 류 흐름 반응 기의 제시 실험 방법을 여러 번20,27 운동 모델 개발을 위한 기초로 유효를 설명 했다. A 플러그 흐름 근사 (즉, 확산, 레이디얼, 뿐만 아니라 축 무시 하 고 균일 한 시선 속도 가정) 층 흐름의 필드 실험 조건에 대 한 적당 한 표현을 주고 표시 되었습니다. 이 근사 허용 공간 위치의 직접 변환에 대 한 뚜렷한 반응 (거주) 시간 τ와 반응 시간의 기능으로 종 및 온도 진화의 간단한 0 D 고려 x만 적용 될 수 있다. 따라서, 공간 온도 프로 파일 원자로 축 참여 종의 공간 진화를 반응 기 모델에 대 한 입력된 매개 변수로 사용 됩니다.

그림 4 는 포 름 알 데히드와 4 개의 선택 된 오븐 온도 화학 량 론4 채널 측정21에서 얻은 아세틸렌의 공간 두더지 분수 프로필. 운동 모델 계산 적용 플러그 흐름 반응 기 모듈 화학 작업 벤치 (CWB)의 수행 됩니다. 접근 각 오븐 온도 대 한 개별 계산 할 수 있습니다. 계산 참고 21, 실험 온도 측정에 따라 주어진 크기 조절 법에서 얻은 개별 온도 프로 파일을 적용 수행 됩니다. 반응 기 출구에서 모델 결과 비교 실험 결과에 대 한 해당 오븐 온도 대 한 다음 플롯 됩니다. 모델링 결과의 일반적인 기능을 보여 주기 위해 계산 잘 검증된 USC II 메커니즘31를 사용 하 여 수행 됩니다. 그림 4 나타냅니다, 측정된 데이터 사이의 우수한 계약 이며 주요 구성 요소 (그림 4 (A))와 중간에 대 한 운동 모델 값을 종 (그림 4 (B)).

산화 과정의 단일 구성 요소 조사에 대 한 일반적인 결과 그림 5에 나와 있습니다. 그림 5 (A)는 잠재적인 제트 연료 복합 p-menthane, 주요 종족 프로 파일을 갖춘, 그림 5(B) 에틸렌 및 포름알데히드, 그림 5(C) 선택 중간의 산출할 의존을 보여줍니다. 화학 량 론 조건 위한 종입니다. 주위 압력에와 화학 량 론에서 결과 얻을 수 있습니다 (φ = 1.0) 조건. 주요 정화, 반응 물 및 제품에 대 한 반응 순서 흐름 반응 기의이 종류에서 일반적으로 관찰 하는 구조에 대 한 대표 예제를 제공 합니다. 공칭 입구 구성 부패 연료 두더지 분수에서 특정 온도에서 관찰 될 때까지 측정 됩니다. 연료 소모 하 고 연소 중간체로 주로 변환. "점화"에 O2 와 연료 전시 농도에 그들의 가파른 감소 및 CO2 와 H2O 전시 그들의 가파른 증가 그라데이션 할 때 발생 합니다. 화학 량 론을 마른 조건 하에서 이것이 또한 중간 공동 소비 빠르게입니다. 아니 자립 반응은 발생 또는 각각 억압 주어진된 설정에서 높은 희석을 사용 하 여 때를 기억 한다. 화학 량 론 유사, 연료 분해 경로 또는 심지어 검 댕 선구자 형성의 전체 분석 중간 종;에 대 한 데이터를 사용 하 여 수행할 수 있습니다. 이 섹션의 범위에 대 한 긴 토론은 생략 됩니다. 화학 반응 모델 개발 제시 데이터를 사용할 수 있습니다.

일반적으로, 운동 반응 모델의 유효성 검사는 순수한 화합물의 연소 프로세스를 조사 함으로써 수행 됩니다. 복잡성에 다음 단계로 흐름 반응 기 설치 기술 연료 제트 연료 등 다 성분 혼합물의 구성에 대 한 사용할 수 있습니다. 그림 6 은 주요 종족 프로 파일에 대 한 화학 량 론 (a: φ = 1.0) 및 풍부한 (b: φ = 1.5) 조건. 프로 파일은 앞에 나온 사람에 게 비슷한. 그러나, 연료 분해 곡선 전형적인 연료 감퇴 동작을 보여주는 여러 단일 화합물의 조합 이다. O2 와 연료 프로필 모두 낮은 온도에서 최대 시작 하 고 원자로 온도 증가로 사용 됩니다. 그림 6(C) 심층 분석 제트 연료 및 그들의 개인 소비에 주요 구성 요소를 보여 줍니다. 일반적으로, 탄화수소 종족에 대 한 유사한 감퇴를 관찰할 수 있습니다. 흥미롭게도, 향기로운 종 약 1000 공화국의 높은 온도에 이동 험한 부패 하기 전에 뚜렷한 고원 지역으로 대부분 편차 표시

기술 연료 (예: 다 성분 혼합물)와 함께 사용 하는 실험을 강화 하 여 그을음 선구자 또는 오염 물질 발생 연소 중간체의 현상 학적 분석 가능 하다. 이 유형의 분석에 대 한 비교 조건 필수입니다. 그것은 동일한 C/H 조건, 측정 디자인에 대 한 입력된 매개 변수로이 값을 필요로 하는 수혜자를 발견 했다. 제어 및 유사한 경계 조건 같이 검 댕 선구자 벤젠 또는 propargyl는 그림 7에서 급진적인 오염 물질 형성 추세의 예측 가능 두 기능 형성 및 반응 과정에서 소모 된 전형적인 중간 프로 파일 모양. 제트 a-1, 대 두 종에 대 한 더 높은 첩 자 분수 사이클로알케인 p-메탄, 더 높은 경향이 연소 화학 오염 물질 형태를 나타내는 대 한 측정 됩니다. 급진적인 propargyl cyclohexane 연소32에서 벤젠 형성에 사소한 영향만을 있기 때문에 이것은 매우 흥미로운. 아주 반대 동작 p 메탄 및 제트기 A-1 참조 연료에 비해 두 종에 대 한 낮은 몰 분수 분기 알칸 farnesane에 대 한 측정 됩니다. 연소 과정에서 발생 하는 그을음 형성 측면에서 그 오염 물질에 대 한 감소 효과가 예상 된다.

Figure 1
그림 1: 사진과 도식 DLR 고온 흐름 반응 기. 확대 된 컷아웃 샘플링 인터페이스와 이온화 소스 (A) 구분 하 여 게이트 밸브의 상세 보기를 보여 줍니다. 높은-온도 오븐 이동식 레일에 탑재 되 고 샘플링 주위 압력 (B)에서 튜브 내부 수행 note. 석 영 노즐 및 제비 갈매기의 그림 (C)에 표시 됩니다. 이 그림은 P. Oßwald 에서 채택 되었습니다. 21 그리고 M. 쾰러 외. 27. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: 연료 기화 시스템. 액체 연료 및 상업 설치22 흐름 반응 기 설치 입구와 단일 화합물을 위한 기화 기 시스템의 회로도 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3: 원시 신호 데이터에서 추출 몰 분수 곡선. (A) 전형적인 원시 신호 MBMS 시스템에 의해 제공. 주어진된 질량 해상도 종 (B) 의 분리 및 추가 정량화에 대 한 통합 수 있습니다. 오븐 온도 대 두더지 분수 플로팅 층 흐름 반응 기 (C)에 대 한 일반적인 결과 제공 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4: USC II 메커니즘31 를 사용 하 여 화학 량 론 메탄 산화의 모델링 키네틱 . 아세틸렌 (C2H2) 및 포름알데히드 (채널2O) 선택 된 오븐 온도 및 해당 온도에서 두더지 모델 일부 프로 파일에 대 한 공간 모델 결과 (라인) 프로필 (A). 오븐의 회로도 보기 패널 위에 표시 됩니다. 주요 종 (B) 및 중간체 (C), 온도 경사로 고려 될 때의 실험 결과 (기호)를 비교 합니다. 이 수치는 P. Oßwald 에서 업데이트 되었습니다. 21. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5: 산화 프로세스의 단일 구성 요소 조사에 대 한 일반적인 결과. 주요 수 종은 잠재적인 제트 연료 복합 p-메탄 및 C2H4 및 채널2O (B)산출할 종속성의 비교에 대 한 (A)를 프로 파일링합니다. 선택 된 중간 종에 관한 반응22네트워크 정보를 얻기 위해 화학 량 론 조건에 (C) 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 6
그림 6: 제트 a-1 조사 Speciation 데이터. 화학 량 론 (A) 와 부자 (B) 조건 뿐만 아니라 연료 구성 요소 두더지 분수 고갈에서 주요 종 (C) 원자로 온도의 기능으로 표시 됩니다. 연료 구성 요소는 높은 온도 함께 사용 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 7
그림 7: 깊이 있는 검 댕 선구자 화학. 그을음 전조의 비교22propargyl 급진적인 C3H3 (A) 와 벤젠 C6H6 (B) p-메탄과 제트 a-1에 관하여 farnesane에 대 한 중간. 두 경우 모두, p-Menthane 높은 몰 분수 그을음 선구자 형성에서 감소 추세를 나타내는 낮은 몰 분수 제트 a-1, Farnesane 기능 동안에 비해 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

다양 한 작동 조건에 대 한 분자-빔 질량 분석 검출 시스템 수 양적 speciation 데이터 대기 열 흐름 반응 기의 제시 조합입니다. 여러 연구21,22,,2327 시연 부분 산화 현상에 대 한 관련 풍부한 메탄 조건에서 시작 하는 실험의 유연성 (φ = 2.5), 조사 하는 현대 제트 연료 화합물의 연소 화학 같은 farnesane. 이와 같은 연구 사용 운동 반응 더 기술 분야, 커버 모델링 예: 정제 된 에틸렌 글리콜 메커니즘 기술 가스 화 공정에 적합 합니다.

수십 년 동안 현장에서 진단 흐름 반응 기 디자인의 아이디어를 탐험 위와 같이, 그리고 여기에 소개 하는 방법은 아무것도 획기적인. 그러나, 오늘날의 기술 및 실험 가능성, 현재 연구 분야에 대 한 추가 이렇게 연소 진단에서 잘 설립 전략 혜택 이다.

결정적으로, 제시 대기 흐름 반응 기 MBMS와 결합 방식은 연소 화학에서 설립된 기술에 가치 추가 (소개 참조). 그것은 또한 다른 방법에 대 한 사실이 같은 주요 단점은 공유: 그것은 매우 복잡 하 고 정교한 실험 설치. 적당 한 MBMS 탐지 시스템 설계 소모, 높은 과학 까다로운 작업 이며 시간과 노력이 소요 조심, 신뢰할 수 있는 데이터의 정량화를 포함 하 여 기술 습득. 참고 아무 표준 절차를 상업적으로 사용할 수 있습니다. 그러나,이 같은 사용자 지정 된 설치를 디자인 현대 과학적인 질문에 대 한 새롭고 창의적인 가능성을 제공 합니다.

성공적인 응용 프로그램 및 데이터의 해석에 대 한 중요 한 실험의 주의 특성화 및 경계 조건16의 선택 이다. 탐지 시스템은 강력 하 고 유연한, 흐름 관에 대 한 자료는 실험 조건에 무 겁 게 달려 있습니다. 제시 세라믹 튜브 입증 되었습니다 대부분의 응용 프로그램에 대 한 성공적인 입자와 큰 검 댕 선구자에 초점을 맞추고 수사 예기치 않은 결과 원치 않는 부작용 질량 스펙트럼에 표시 하는 동안. 입자 측정;에 광대 한 개선을 보이고 있다 석 영 소재 변경 그러나, 조사는 최근 테스트 실행 가스 위상 검출에 아무런 영향 나타났습니다 1400 K. 참고 아래 고유한 온도 정권 제한 됩니다.

도전 하드웨어 설치에 따라, 실험 행동 및 특히 온도 필드의 주의 특성은 데이터 평가 해석에 대 한 필수입니다. 결과 합리적 모델 수만 수 경우 각각 온도 프로 파일 각 조건에 대 한 알려져 있다. 벽/가스 단계 상호 작용, 흐름 속성, 침입 검색 및 캐리어 가스 문제 신중 하 게 조사 되었다. 고려 이러한 측면의 모든, 몇 가지 모델링 방법을 기능 및 방법의 유효성을 성공적으로 시연 있고 운동 모델 개발에 귀중 한 추가 밑줄.

가능한 응용 프로그램 시작 지점 운항 미래 기여 해야 더 탐험으로 현재 제한 극치에 언급. 한 가지 주요 한계 까지는 검출 악기의 대량 해상도입니다. 동안 Δm의 대량 해상도 = 3000은 대부분 연소 종족에 대 한 충분 한, 이성질체 종을 분리 하거나 확인 수 없습니다. 최첨단된 실험 처럼 싱크 로트 론 기반 접근28,33,34,35,36,,3738 또는 일반 이론적 연구 반응 속도 론에서 필요 미래에 더 상세한 지식을 제공 하 고 식별 기능을 향상 합니다.

복잡 한 기술 제트 연료에 간단한 메탄에서 급속 한 진화 액세스할 수 화합물의 광범위 한 범위를 다루고 있습니다. 현재, 주요 초점은 액체 단일 구성 요소 및 제트 연료와 같은 기술 응용 프로그램에 대 한 복잡 한 혼합물에 있습니다. 진화에서 다음 수준으로 경계 조건 온도, 흐름 속성 및 압력 대상 수 좋아하고 다차원 측면 그 어느 때 보다39 를 조사 하 고 가치가 있다. 그럼에도 불구 하 고, 온도 이미 열 분해 (2100 K) 낮은 온도 (약 800 K) 연소 범위를 다루고 있습니다. 높은 압력 speciation 데이터는 일반적으로 문학에서 보기 드문 기술 조건 및 모델 개발, 대상에 대 한 도움이 될 것. 현대 재료와 가용성, 고압, 높은 온도 흐름 반응 기에 의해 얻은 speciation 데이터에 대 한 새로운 실험 디자인 도달 시간입니다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

실험 질량 분석 부서에서 연구소의 연소 기술, 독일 Zentrum에 Luft-und Raumfahrt (DLR) 슈투트가르트, 독일에서에서 실시 했다. 작품 또한 헬름홀츠 에너지-얼라이언스에 의해 지원 되었다 "합성 액체 탄화수소를", 센터의 우수성 "대체 연료"와 DLR 프로젝트 "미래의 연료". 저자는 패트릭 Le Clercq과 우베 Riedel의 제트 연료에 대 한 유익한 토론 감사 하 고 싶습니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Time-Of-Flight MBMS Kaesdorf n.a. custom design
Molecular Beam Samling Interface self made n.a. custom design
Laminar Flow Reactor Gero Type HTRH 40-1000 custom design
Quadrupole MS Hiden HAL/3F 301 adapted to ionization chamber
Vaporizer Bronkhorst CEM Vaporizer
Mass Flow Meter Bronkhorst Mini Cori-Flow M12, M13, M14 Flow Controller
Jet A-1 n.a. n.a. Standard Jet fuel of interest
Metal syringe Hugo Sachs 70-2252 Fuel Supply
Heating Hoses Hillesheim HMI series Gas Preheating
Gas Linde Ar, O2 Diluent, Oxidizer

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