燃料の燃焼化学: と大気の高温流動反応器から得られる定量的な種分化データ結合分子線質量分析計

モダンなのきっかけに燃焼プロセスを理解するには、再生可能な資源から低公害燃料は今日の社会生態学的な経済的な話題の挑戦です。彼らは化石燃料への依存度を削減し、CO₂排出量をオフセットすすなどの有毒な前駆物質の¹有害な汚染物質の排出量に肯定的な影響がある可能性があります。この急成長分野利用と組み合わせることでモダンな燃焼システムで、支配の化学および物理的なプロセスの基本的な理解の需要は劇的に増加²。今日でも、ラジカル連鎖反応から生じる複雑な化学反応のネットワークはまだ完全に理解しました。分析、さらに汚染物質の形成や (自動) 自着火燃焼過程のような現象を制御するには、化学反応ネットワークの詳細な知識は、³のパズルの重要な部分です。

調査し、それらの化学反応ネットワークを理解、実験的・数値的アプローチが必須です。実験的に、燃焼化学通常適用対象とする特定の質問の簡体字とうまく制御フロー環境実験によって検討しました。高い複雑さと個々 のサブプロセスのダイナミクス、基礎実験によって技術的な燃焼の条件の正確な複製を防ぐため、温度、圧力、熱など指定のキー機能の追跡を可能にしながらリリース、または化学種。早い段階で、さまざまな実験的アプローチの必要性が明らかになるそれぞれ特定の質問に取り組むと燃焼化学の世界全体の写真に寄与する情報のそれに続くセットを提供します。条件の完全な範囲をカバーし、様々 なアプローチの技術的なシステムで発生する複雑な条件を記述するそれらの後続情報セットを収集して開発に成功しました。十分に確立された技術があります。

• ショック チューブ^4,5,6と急速圧縮機⁷。これらのデバイスは、高制御圧力および温度の広い範囲を提供します。ただし、アクセスの反応時間と適切な分析手法は、制限されます。
• 層流予混合火炎^{3,8,9,10、11}単純な流れ場との組み合わせで高温を得るために最適です。反応領域の空間の次元は、圧力の増加と共に減少、予混合火炎が種分化用低圧条件下で通常について検討した.
• 対向流拡散炎^12,13,14,15乱流燃焼の火炎政権の調査に最適です。彼らは本当の乱流流れの不均一性によるひずみを模倣がスペシエーション分析技術の高度制限、再び。
• 様々 な原子炉実験^16,17,18 (静的、攪拌とプラグ流) 炎の環境と比較して、温度が通常より低い環境を高圧へのアクセスを提供します。一般的なアプローチは次のとおりです。
  • 静的原子炉パルス光分解実験などは広く使用されるが一般に長い滞留時間と低温によって制限されます。
  • ジェット攪拌・脱珪、すなわちガス バージョン完全に攪拌反応器 (PSR) の気相の効率的な混合に依存して一定の滞留時間、温度、圧力、モデルに簡単に安定した状態で運転できます。しかし、分子は高温の表面に移行し、不均一反応を受ける時間にあります。
  • フロー炉のアプローチを多数として知られている、プラグ流リアクトル (PFR) 円筒形状の連続、流れるシステムで化学反応を記述するための最も人気のある方法の 1 つ。理想的な Pfr の位置の機能としてプラグの固定の滞留時間と前提条件は定常状態での流れを差し込みます。

燃焼実験動力学の分野でこれらの貴重な技術を補完するもの、高温層流炉実験^19,20トレース用分子線質量 (MBMS) 技術を用いた種における詳細は、^21,22本が提示されます。層流条件、大気圧およびアクセス可能な温度 1,800 K までの作業は、機密の MBMS テクニックは燃焼のほぼすべての化学種の検出ができますフロー炉の主な特徴プロセス。これはラジカルなどの反応性の高い種が含まれていますまたはその他の検出方法とほとんどトレーサブルです。MBMS 手法は広くアルコールまたはエーテル^23,24,25など、従来および現代の代替燃料の火炎における反応ネットワークの詳細な調査のため使用されであることが実証現代のキネティック モデル開発のための大きな価値。

図 1サンプリング プローブ (A) の拡大フレーム高温流動炉の概略図、全体的な実験 (B) とプローブを強調表示 2 つの画像の設定 (C)。システムは、2 つのセグメントに分けることができる: 最初に、ガスの供給と気化器システム 2 番目と高温流動炉、MBMS 飛行時間検出システム。操作、フロー チューブの出口は MBMS 系サンプリング ノズルに直接設置します。ガスは原子炉出口から直接サンプリングし、高真空検出システムに転送します。ここでは、イオン化は、その後の飛行時間検出電子イオン化によって実行されます。

原子炉が (例えば、下呂、型 HTRH 40-1000) 高温のオーブンで配置 1,497 mm の内径 40 mm のセラミック (Al₂O₃) パイプです。合計加熱されたセクションは全長 1,000 mm です。ガスは強化フランジ (通常鍛えて ~ 80 ° C) によって予混合、反応器にあらかじめ気化を与え。非常に希釈 (ca. 99 vol %ar)、層流流れ反応混合物 (温度特性の詳細については後述します) 既知の温度プロファイルを通過。オーブンの温度の関数として炉出口ガス組成の検出の起こる。単調減少温度ランプ (-200 K/h) で異なる温度を測定する場合、同じ効果を得ることがあります 1,800 K、600 k. ノートの範囲でオーブンに適用しながら、一定の吸気質量流量で測定が実行されます。等温オーブンの温度と熱慣性が適切と見なされます。システムの熱安定化まだいくつかの時間がかかる、温度ランプが (非常に小さい) の小さい温度の増加のための時間とシリーズごとの総測定時間の平均の妥協点として選択されます。平均時間 (45 s)、MBMS 2.5 K に対応して結果の滞留時間は約 2 秒 (1,000 K) 条件を指定します。最後に、現在の原子炉実験のため、温度再現性により測定温度の ± 5 K の精度以上の相対を記述できます。

技術的なジェット燃料などのさらに複雑な炭化水素混合物を調査するために最適化された、気化システムの概略図を図 2に示します。すべての入力ストリームがコリオリ質量流量計高精度 (精度 ± 0.5%) で計量します。温商業気化器システムで燃料の気化を実現 200 ° C まで事前に気化した燃料とすべての供給ラインは同時に熱分解を回避しながら液体燃料の結露を防ぐために通常 150 ° C の温度で予熱します。完全な安定した気化が定期的にチェックし、もそれぞれの燃料の標準沸点以下の温度で発生する可能性があります。完全な蒸発は小さな燃料率および低圧によって保障された (通常 100 以下 Pa) 必要があります。

ガスは、図 1の拡大枠で詳しく見られる石英コーン周囲圧 (約 960 hPa) で原子炉出口の中心線でサンプリングされます。ノズル先端が 50 μ m 開口部、約 30 mm の反応ゾーンの終わりにセラミック チューブ内に配置されています。サンプリング位置が入口に関して固定されることに注意してください。オーブン管の熱膨張は機械的に反応のセグメントの温度独立した長さでサンプリング ・ システムに接続されていないコンセントでだけ起こる。すべての反応はすぐに分子ビームの形成による焼入れした高真空 (2 つの差動ポンプ段階; 10^-2と 10^-4 Pa)^25,26に展開するガス。このサンプルは、電子衝撃 (EI) 飛行時間 (tof 型) 質量分析計のイオン源に導かれ (質量分解能 R = 3,000) C/H 内元素組成を決定する適切な精度で本種の正確な質量を決定することができます。/O システム。電子のエネルギーは、イオン化プロセスによる断片化を最小限に抑えるために低値 (通常 9.5 10.5 eV) に設定されます。希釈剤およびリファレンス種アルゴンは依然として電離電子 (1.4 eV 半値幅) の広いエネルギー分布による検出に注意してください。プロファイルは現在大幅な低濃度で Ar 測定が可能で良い S/N と低電子エネルギーが主要種 (H₂O、CO₂CO、H₂O₂、および燃料) の十分な決意を許可しません.

TOF による検出、に加えて、残留ガス分析器 (RGA)、すなわち四重極の質量分析計は MBMS TOF 測定値と同時に高い電子エネルギー (70 eV) と上記 6 種を監視する電離箱に置かれます。