كيمياء احتراق الوقود: انتواع كمية البيانات المتحصل عليها من على مفاعل الغلاف الجوي درجات حرارة عالية تدفق مع اقتران مطياف كتلة جزيئية شعاع
Summary
تحقيق في كيمياء الاحتراق الأكسدة رواية الوقود الأحيائي، ومكونات الوقود، أو وقود الطائرات بمقارنة كمية انتواع يتم تقديم البيانات. البيانات يمكن استخدامها للتحقق من صحة نموذج الحركية وتمكن استراتيجيات تقييم الوقود. يصف المفاعل الغلاف الجوي درجات الحرارة المرتفعة تدفق هذه المخطوطة ويوضح قدراته.
Abstract
ويصف هذه المخطوطة تجربة مفاعل تدفق الحرارة العالية بالإضافة إلى تقنية قوية الشعاع الجزيئي الكتلي (مبمس). ويقدم هذا أداة مرنة مراقبة مفصلة لحركية الكيميائي في المرحلة الغازية في التدفقات في رد الفعل تحت ظروف خاضعة للرقابة جيدا. مجموعة واسعة من ظروف التشغيل المتوفرة في مفاعل الاندفاق الصفحي تمكن من الوصول إلى تطبيقات الاحتراق غير العادية التي عادة ما لا يمكن تحقيقه بتجارب اللهب. وتشمل هذه الشروط الغنية في درجات حرارة عالية ذات الصلة لعمليات تغويز، كيمياء أكسي تحكم نظام الأكسدة درجة الحرارة منخفضة أو التحقيقات الوقود التقنية المعقدة. يسمح الإعداد عرض قياسات البيانات الكمية انتواع لرد فعل نموذج التحقق من صحة الاحتراق، التغويز وعمليات انحلال حراري، بينما تسمح لفهم عام منهجي للكيمياء رد فعل. يتم إجراء التحقق من صحة نماذج ردود الفعل الحركية عموما بالتحقيق في عمليات الاحتراق للمركبات النقية. تم تحسين المفاعل تدفق لتكون مناسبة للوقود التقنية (مثل خليط متعدد العناصر مثل Jet A-1) للسماح بتحليل الظواهر التي تحدث الاحتراق وسيطة مثل السناج السلائف أو الملوثات. تسمح شروط الحدود التي تسيطر عليها وقابلة للمقارنة المقدمة من التصميم التجريبي للتنبؤات المتعلقة بالملوثات تشكيل الاتجاهات. ويتم تغذية كواشف مختبر الباردة خلط في المفاعل التي هي الغاية المخفف (في حوالي 99% المجلد في Ar) بغية قمع ردود فعل احتراق مكتفية ذاتيا. خليط مادة التفاعل التدفق الصفحي يمر عبر حقل درجة حرارة معروفة، في حين يتحدد تكوين الغاز في عوادم المفاعلات كدالة لدرجة حرارة الفرن. يتم تشغيل المفاعل تدفق في الضغط الجوي مع درجات حرارة تصل إلى 1,800 ك. وتجري القياسات نفسها بتقليل درجة الحرارة بمعدل إخفاق-200 كيلو/ساعة. مع تقنية MBMS الحساسة، يكتسب انتواع تفصيلاً البيانات وقياسها كمياً لما يقرب من جميع الأنواع الكيميائية في عملية رد الفعل، بما في ذلك الأنواع المتطرفة.
Introduction
فهم عمليات الاحتراق في أعقاب الحديث، الوقود منخفضة الانبعاثات من المصادر المتجددة يمثل تحديا للمواضيع الاقتصادية والإيكولوجية في مجتمعات اليوم. لديهم إمكانات لخفض اعتمادنا على الوقود الأحفوري وموازنة انبعاثات أول أكسيد الكربون2 ويكون لها تأثير إيجابي على انبعاثات الملوثات الضارة مثل السناج والسلائف السامة1. الجمع بين هذا المجال المتنامي بسرعة مع الاستفادة منها في النظم الحديثة combustor، على فهم أساسي للعمليات الكيميائية والفيزيائية الحاكمة قد ازداد الطلب كبير2. وحتى اليوم، شبكات معقدة من التفاعلات الكيميائية الناتجة سلسلة من ردود الفعل المتطرفة التي لا تزال غير مفهومة تماما. لتحليل أو حتى السيطرة على ظواهر مثل تشكيل المواد الملوثة أو عمليات الإشعال (تلقائي)، المعرفة التفصيلية لشبكات التفاعل الكيميائي قطعة حاسمة ل لغز3.
للتحقيق، وفهم تلك الشبكات تفاعل كيميائي، إلزامية النهج التجريبية والعددية. تجريبيا، هو دراسة كيمياء الاحتراق عادة بتطبيق التجارب مع بيئات تدفق مبسطة ومنضبطة توجيه أسئلة محددة. عالية من تعقيد وديناميات العمليات الفرعية الفردية منع الاستنساخ الدقيق لظروف تقنية غرف من التجارب الأساسية، بينما يسمح لتعقب الميزات الرئيسية المعينة مثل درجة الحرارة والضغط والحرارة الإصدار، أو الأنواع الكيميائية. فجر اليوم، أصبحت الحاجة إلى نهج تجريبية مختلفة الظاهر، كل معالجة مسألة محددة، وتوفير مجموعة لاحقة من المعلومات التي تسهم في الصورة العالمية الشاملة لكيمياء الاحتراق. بنجاح وقد وضعت لتغطية النطاق الكامل للأوضاع وجمع تلك مجموعات المعلومات اللاحقة لوصف الظروف المعقدة التي تحدث في النظم التقنية نهج مختلف. وتشمل تقنيات راسخة:
- صدمة أنابيب4،،من56 و آلات الضغط السريع7. توفر هذه الأجهزة مراقبة ارتفاع الضغط ودرجة الحرارة على نطاق واسع. ومع ذلك، موجوداً وقت رد الفعل وتقنيات تحليلية مناسبة محدودة.
- الصفحي لهيب خلط3،،من89،10،11 تعتبر مثالية للحصول على ظروف الحرارة العالية في تركيبة مع حقل تدفق بسيطة. نظراً للبعد المكاني لمنطقة رد الفعل يتناقص مع تزايد الضغوط، لهيب خلط عادة التحقيق في ظروف الضغط المنخفض لأغراض انتواع.
- كونتيرفلوو انتشار النيران12،13،،من1415 تعتبر مثالية للتحقيق في نظام فلاميليت في الاحتراق المضطرب. تحاكي السلالة بسبب إينهوموجينيتيس في تدفق المضطرب حقيقية، ولكنها محدودة جداً، مرة أخرى، في التقنيات التحليلية انتواع.
- مفاعل مختلف تجارب16،،من1718 (ثابت، المقلبة والتوصيل-تدفق) توفر الوصول إلى الضغط العالي بيئات، بينما تكون درجات الحرارة عادة أقل بالمقارنة مع بيئات اللهب. النهج المشتركة:
- مفاعلات ثابتة تستخدم على نطاق واسع لمثل نبض التحلل الضوئي التجارب، ولكن بصورة عامة محدودة بأوقات الإقامة الطويلة ودرجات الحرارة المنخفضة.
- تعتمد على كفاءة خلط الطور الغازي حركت جت المفاعلات، أي غاز في صيغة مفاعل المقلبة تماما (PSR)، ويمكن أن تعمل في حالة مستقرة مع الوقت الإقامة المستمرة، ودرجة الحرارة والضغط، مما يجعل من السهل لنموذج. ومع ذلك، جزيئات لديهم الوقت لترحيل للسطوح الساخنة وتفاعلات غير متجانسة.
- العديد من النهج مفاعل تدفق معروفة، مع المفاعل تدفق التوصيل (فر) كواحدة من الأساليب الأكثر شعبية لوصف التفاعلات الكيميائية في أنظمة المستمر، تتدفق من الهندسة أسطواني. قم بتوصيل التدفق يفترض الشروط في حالة مستقرة مع الوقت الإقامة الثابتة للمكونات كدالة لموقفه بفرس المثالي.
مكملة لتلك التقنيات القيمة في مجال حركية الاحتراق التجريبية، مفاعل الاندفاق الصفحي درجة الحرارة العالية تجربة19،20 توظيف تقنية الشعاع الجزيئي الكتلي (مبمس) للبحث عن المفقودين وتقدم التنمية الأنواع بالتفصيل21،22 هنا. ظروف التدفق الصفحي، العامل في الضغط الجوي ودرجات الحرارة موجوداً حتى 1,800 ك هي الخصائص الرئيسية للمفاعل التدفق، بينما تسمح تقنية MBMS الحساسة في الكشف عن ما يقرب من جميع الأنواع الكيميائية الموجودة في احتراق عملية. وهذا يشمل الأنواع عالية التفاعل مثل الجذور التي لا أو لا يكاد يمكن تتبعها بالكشف عن أساليب أخرى. تقنية MBMS يستخدم على نطاق واسع للتحقيق مفصلة في رد فعل شبكات في السنة اللهب من أنواع الوقود البديلة التقليدية والحديثة، مثل الكحول أو الاثير23،،من2425 وقد أثبتت أن الحصول على قيمة كبيرة لتطوير النماذج الحركية الحديثة.
ويبين الشكل 1 التخطيطي مفاعل تدفق الحرارة العالية مع إطار التكبير للتحقيق أخذ العينات (A) وإعداد اثنين من صور تبرز التجربة الشاملة (ب) والتحقيق (ج). يمكن تقسيم النظام إلى جزأين: الأول، مفاعل تدفق الحرارة العالية مع نظام المبخر وإمدادات الغاز والثانية، ونظام الكشف عن وقت الطيران MBMS. في العملية، شنت خروج أنبوب تدفق مباشرة إلى فوهة أخذ العينات للنظام مبمس. الغاز أخذ عينات مباشرة من مخرج المفاعل ونقلها إلى نظام الكشف عن فراغ عالية. هنا، يقوم التأين تاين الإلكترون مع الكشف عن وقت الطيران اللاحقة.
وقد المفاعل أنابيب قطرها داخلي 40 ملم (Al2O3) سيراميك طول مم 1,497 توضع في فرن درجة حرارة مرتفعة (مثلاً، جيرو، “نوع هتره” 40-1000). المقطع ساخنة إجمالي 1000 مليمتر في الطول. الغازات تغذيها خلط ويتبخر مسبقاً في المفاعل شفة خفف (عادة خفف إلى ~ 80 درجة مئوية). الغاية المخفف (ca. 99 المجلد % في Ar)، خليط مادة التفاعل التدفق الصفحي يمر من خلال ملف تعريف درجة حرارة معروفة (سوف يعطي تفاصيل بشأن توصيف درجة الحرارة أدناه). ويجري الكشف عن تكوين الغاز عند مخرج المفاعل كدالة لدرجة حرارة الفرن. تتم القياسات في مدخل ثابت التدفق الجماعي، بينما منحدر درجة حرارة تناقص إخفاق (-200 ك/ح) يتم تطبيقها على الفرن في نطاق ك 1,800 إلى 600 ك. علما أنه يمكن الحصول على نتائج مماثلة عندما يتم قياس درجات حرارة مميزة في ويعتبر فرن متحاور درجات الحرارة والخمول الحراري بشكل صحيح. الاستقرار الحراري للنظام لا يزال يحتاج إلى بعض الوقت، ويتم تحديد منحنى درجة الحرارة كحل وسط لمتوسط الوقت زيادة درجة الحرارة الصغيرة (تافهة) وقياس مجموع الوقت كل سلسلة. متوسط الوقت (45 ثانية) من MBMS يناظر 2.5 ك. أوقات الإقامة الناتجة هي حوالي 2 s (في 1,000 ك) لظروف معينة. وأخيراً، نظراً لإمكانية تكرار نتائج في درجة الحرارة، يمكن القول قريب الدقة لقياس درجات الحرارة لدقة ± 5 ك أو أفضل للتجربة المفاعل الحالي.
ويبين الشكل 2 التخطيطي للنظام فابوريزينج، الأمثل للتحقيق في المزائج الهيدروكربونية حتى المعقدة مثل وقود الطائرات التقنية. جميع تيارات الإدخال هي أجهزة الاستنشاق في عالية الدقة (دقة ± 0.5%) بعدادات التدفق الجماعي كوريوليس. يتحقق تبخر الوقود بنظام تجاري المبخر في درجات حرارة تصل إلى 200 درجة مئوية. هي يسخن جميع خطوط الإمداد بالوقود قبل يتبخر مع درجات الحرارة عادة 150 درجة مئوية لمنع تكثيف الوقود السائل، مع تجنب التدهور الحراري في الوقت نفسه. يتم فحص روتيني التبخر كاملة ومستقرة وقد تحدث حتى في درجات حرارة أقل من نقطة الغليان عادي للوقود الخاصة بكل منها. التبخر كاملة مكفولة بجزء صغير من الوقود وانخفاض الضغط الجزئي (عادة أقل من 100 Pa) المطلوبة.
الغازات هي عينات من مخروط كوارتز في خط الوسط لخروج المفاعل في الضغوط المحيطة (حوالي 960 hPa) كما ينظر إليها بمزيد من التفصيل في إطار التكبير من الرقم 1. وقد طرف فوهة من فوهة 50 ميكرومتر، الذي يقع تقريبا 30 مم داخل أنبوب السيراميك في نهاية منطقة رد الفعل. ملاحظة، أن موقع أخذ العينات هو ثابت فيما يتعلق بالمدخل. التمدد الحراري لأنابيب الفرن تأخذ مكان على المعبر، الذي لا يرتبط ميكانيكيا لنظام أخذ العينات الناتجة في درجة حرارة طول مستقلة من الجزء المتعلق برد فعل فقط. هي تطفئ جميع ردود الفعل فورا بسبب تشكيل شعاع الجزيئية، عندما يتم توسيع الغازات في التفريغ العالي (مرحلتين الضخ التفاضلية؛ 10-2 و 10-4 باسكال)25،26. ويسترشد العينة لمصدر أيون إلكترون تأثير (الصناعات الاستخراجية) وقت الطيران (TOF) مطياف كتلة (كتلة القرار R = 3,000) قادرة على تحديد الشامل الدقيق للأنواع الحالية في الدقة مناسبة لتحديد تكوين عنصري داخل ح ج/ &/O النظام. يتم تعيين طاقة الإلكترون إلى قيم منخفضة (عادة 9.5-10.5 eV) للتقليل من تشتت نتيجة عملية التأين. ملاحظة أن الأرجون الأنواع مخفف والإشارة لا تزال قابلة للكشف بسبب توزيع الطاقة واسعة النطاق من الإلكترونات المؤينة (1.4 eV فوهم). بينما يمكن أن يقاس ع مع حسن S/N, الإلكترونات منخفضة الطاقة لا تسمح لتصميم كافية للأنواع الرئيسية (ح2س، أول أكسيد الكربون2CO، ح2، س2، والوقود) الملامح، وحاليا في تركيزات أقل هامة .
بالإضافة إلى الكشف عن طريق TOF، يوضع غاز المتبقي محلل (رجا)، أي مطياف كتلة الرباعي، في قاعة التأين لرصد الأنواع الستة أعلاه مع طاقة إلكترون أعلى (70 eV) في نفس الوقت للقياسات MBMS TOF.
Protocol
Representative Results
Discussion
عرض تركيبة على مفاعل الغلاف الجوي درجات حرارة عالية التدفق مع تمكن نظام كشف الجزيئي شعاع الطيف الكتلي انتواع كمية بيانات لطائفة من ظروف التشغيل. أظهرت عدة دراسات21،،،من2223،27 مرونة التجربة بدءاً من الميثان الغنية الشروط…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأجريت التجارب في إدارة الطيف الكتلي في معهد “التكنولوجيا الاحتراق”، Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) في شتوتغارت، ألمانيا. العمل وأيد بالطاقة-التحالف هلمهولتز “الهيدروكربونات السائلة الاصطناعية”، المركز التميز من “أنواع الوقود البديلة” ودلر المشروع “وقود المستقبل”. الكتاب أود أن أشكر باتريك لو كليرك واوفه ريدل لمناقشات مثمرة بشأن وقود الطائرات.
Materials
| 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 |
References
- Moore, R. H., et al. Biofuel blending reduces particle emissions from aircraft engines at cruise conditions. Nature. 543 (7645), 411-415 (2017).
- Braun-Unkhoff, M., Kathrotia, T., Rauch, B., Riedel, U. About the interaction between composition and performance of alternative jet fuels. CEAS Aeronautical Journal. 7 (1), 83-94 (2016).
- Egolfopoulos, F. N., et al. Advances and challenges in laminar flame experiments and implications for combustion chemistry. Prog Energ Combust. 43, 36-67 (2014).
- Lynch, P. T., Troy, T. P., Ahmed, M., Tranter, R. S. Probing combustion chemistry in a miniature shock tube with synchrotron VUV photo ionization mass spectrometry. Anal Chem. 87 (4), 2345-2352 (2015).
- Pelucchi, M., et al. An experimental and kinetic modeling study of the pyrolysis and oxidation of n-C3C5 aldehydes in shock tubes. Combust. Flame. 162 (2), 265-286 (2015).
- Hanson, R. K., Davidson, D. F. Recent advances in laser absorption and shock tube methods for studies of combustion chemistry. Prog Energ Combust. 44, 103-114 (2014).
- Sung, C. -. J., Curran, H. J. Using rapid compression machines for chemical kinetics studies. Prog Energ Combust. 44, 1-18 (2014).
- Kohse-Höinghaus, K., et al. Cover Picture: Biofuel Combustion Chemistry: From Ethanol to Biodiesel. Angw Chem Int Edit. 49 (21), 3545 (2010).
- Köhler, M., et al. 1-, 2- and 3-Pentanol combustion in laminar hydrogen flames – A comparative experimental and modeling study. Combust. Flame. 162 (9), 3197-3209 (2015).
- Li, Y., et al. Experimental Study of a Fuel-Rich Premixed Toluene Flame at Low Pressure. Energ Fuel. 23 (3), 1473-1485 (2009).
- Yang, B., et al. Identification of combustion intermediates in isomeric fuel-rich premixed butanol-oxygen flames at low pressure. Combust. Flame. 148 (4), 198-209 (2007).
- Reuter, C. B., Won, S. H., Ju, Y. Flame structure and ignition limit of partially premixed cool flames in a counterflow burner. P Combust Inst. 36 (1), 1513-1522 (2017).
- Reuter, C. B., et al. Experimental study of the dynamics and structure of self-sustaining premixed cool flames using a counterflow burner. Combust. Flame. 166, 125-132 (2016).
- Bufferand, H., Tosatto, L., La Mantia, B., Smooke, M. D., Gomez, A. A. 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. Combust. Flame. 156 (8), 1594-1603 (2009).
- Lefkowitz, J. K., et al. A chemical kinetic study of tertiary-butanol in a flow reactor and a counterflow diffusion flame. Combust. Flame. 159 (3), 968-978 (2012).
- Dryer, F. L., Haas, F. M., Santner, J., Farouk, T. I., Chaos, M. Interpreting chemical kinetics from complex reaction-advection-diffusion systems: Modeling of flow reactors and related experiments. Prog Energ Combust. 44, 19-39 (2014).
- Zhao, H., Yang, X., Ju, Y. Kinetic studies of ozone assisted low temperature oxidation of dimethyl ether in a flow reactor using molecular-beam mass spectrometry. Combust. Flame. 173, 187-194 (2016).
- Oßwald, P., et al. Combustion of butanol isomers – A detailed molecular beam mass spectrometry investigation of their flame chemistry. Combust. Flame. 158 (1), 2-15 (2011).
- Herrmann, F., Oßwald, P., Kohse-Höinghaus, K. Mass spectrometric investigation of the low-temperature dimethyl ether oxidation in an atmospheric pressure laminar flow reactor. P Combust Inst. 34 (1), 771-778 (2013).
- Li, Y., et al. Experimental and kinetic modeling study of tetralin pyrolysis at low pressure. P Combust Inst. 34 (1), 1739-1748 (2013).
- Oßwald, P., Köhler, M. An atmospheric pressure high-temperature laminar flow reactor for investigation of combustion and related gas phase reaction systems. Rev Sci Instum. 86 (10), 105109 (2015).
- Oßwald, P., Whitside, R., Schäffer, J., Köhler, M. An experimental flow reactor study of the combustion kinetics of terpenoid jet fuel compounds: Farnesane, p-menthane and p-cymene. Fuel. 187, 43-50 (2017).
- Kathrotia, T., Naumann, C., Oßwald, P., Köhler, M., Riedel, U. Kinetics of Ethylene Glycol: The first validated reaction scheme and first measurements of ignition delay times and speciation data. Combust. Flame. 179, 172-184 (2017).
- Hansen, N., Cool, T. A., Westmoreland, P. R., Kohse-Höinghaus, K. Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of combustion chemistry. Prog Energ Combust. 35 (2), 168-191 (2009).
- Qi, F. Combustion chemistry probed by synchrotron VUV photoionization mass spectrometry. P Combust Inst. 34 (1), 33-63 (2013).
- Biordi, J. C. Molecular beam mass spectrometry for studying the fundamental chemistry of flames. Prog Energ Combust. 3 (3), 151-173 (1977).
- Köhler, M., et al. Speciation data for fuel-rich methane oxy-combustion and reforming under prototypical partial oxidation conditions. Chem Eng Sci. 139, 249-260 (2016).
- Oßwald, P., et al. In situ flame chemistry tracing by imaging photoelectron photoion coincidence spectroscopy. Rev Sci Instum. 85 (2), 025101 (2014).
- Oßwald, P., et al. Combustion Chemistry of the Butane Isomers in Premixed Low-Pressure Flames. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 225, 1029 (2011).
- Schenk, M., et al. Detailed mass spectrometric and modeling study of isomeric butene flames. Combust. Flame. 160 (3), 487-503 (2013).
- Li, W., et al. Multiple benzene-formation paths in a fuel-rich cyclohexane flame. Combust. Flame. 158 (11), 2077-2089 (2011).
- Bierkandt, T., Hemberger, P., Osswald, P., Kohler, M., Kasper, T. Insights in m-xylene decomposition under fuel-rich conditions by imaging photoelectron photoion coincidence spectroscopy. P Combust Inst. 36 (1), 1223-1232 (2017).
- Taatjes, C. A., et al. Enols Are Common Intermediates in Hydrocarbon Oxidation. Science. 308 (5730), 1887-1889 (2005).
- Li, Y., et al. An experimental study of the rich premixed ethylbenzene flame at low pressure. P Combust Inst. 32 (1), 647-655 (2009).
- Yuan, W., et al. A comprehensive experimental and kinetic modeling study of ethylbenzene combustion. Combust. Flame. 166, 255-265 (2016).
- Hansen, N., Skeen, S. A., Michelsen, H. A., Wilson, K. R., Kohse-Hoinghaus, K. Flame experiments at the advanced light source: new insights into soot formation processes. J Vis Exp. (87), e51369 (2014).
- Qi, F., et al. Isomeric identification of polycyclic aromatic hydrocarbons formed in combustion with tunable vacuum ultraviolet photoionization. Rev Sci Instum. 77 (8), 084101 (2006).
- Hansen, N., et al. 2D-imaging of sampling-probe perturbations in laminar premixed flames using Kr X-ray fluorescence. Combust. Flame. 181, 214-224 (2017).
