Химия горения топлива: количественные видообразования данные, полученные из атмосферы высокой температуры потока реактора с сочетании молекулярно лучевой масс-спектрометр

Понимание процессов горения в свете современной, низким уровнем выбросов топлива из возобновляемых ресурсов является проблемой для современного общества экологической и экономической тематике. Они имеют потенциал, чтобы уменьшить нашу зависимость от ископаемых видов топлива, компенсировать выбросы CO₂ и иметь положительное влияние на выбросы вредных загрязнителей например сажи и токсичных прекурсоров¹. Сочетание этой быстро развивающейся области с их использования в системах современные камеры сгорания, на фундаментальное понимание химических и физических процессов, управляющих увеличился спрос резко². Даже сегодня еще не полностью понимаются сетей комплекс химической реакции, результатом радикальных цепных реакций. Для анализа или даже контролировать такие явления, как формирования загрязняющих веществ или процессов зажигания (auto), детальное знание сетей химической реакции является важной частью головоломки³.

Чтобы исследовать и понять те сети, химическая реакция, экспериментальные и численные подходы являются обязательными. Экспериментально химия горения обычно изучается, применяя эксперименты с упрощенной и хорошо контролируемых потока сред ориентироваться на конкретные вопросы. Высокий уровень сложности и динамики процессов отдельных суб предотвратить точное воспроизведение условий технических камер сгорания, фундаментальных экспериментов, позволяя отслеживание назначенных ключевых функций, таких как температура, давление, тепла релиз, или химических веществ. На раннем этапе различные экспериментальные подходы стала очевидной необходимость, каждый решения конкретного вопроса и обеспечение последующего набор информации, вклад в общую глобальную картину химии горения. Охватить весь спектр условий и собирать эти наборы последующей информации для описания сложных условий, происходящих в технических системах различные подходы были успешно разработаны. Хорошо установленные методы включают в себя:

• Ударной трубы^4,5,6 и быстрого сжатия машин⁷. Эти устройства обеспечивают высокий контроль давления и температуры в широком диапазоне. Однако доступных время реакции и подходящие аналитические методы ограничены.
• Ламинарный готовые пламени^3,8,9,10,11 идеальны для получения высоких температурных условий в сочетании с полем простой поток. Так как пространственного измерения в зоне реакции уменьшается с увеличением давления, готовые пламени обычно расследуются в условиях низкого давления для целей классификации.
• Противоточные распространения пламени^12,13,14,15 идеально подходит для изучения режима flamelet в турбулентных сгорания. Они имитировать нагрузку ввиду неоднородностей в реальной турбулентный поток, но опять же, весьма ограничены в видообразования аналитических методов.
• Различные реактор эксперименты^16,17,18 (статический, перемешивают и вилка поток) обеспечивают доступ к высокого давления средах, в то время как температура обычно ниже по сравнению с пламенем средах. Общие подходы являются:
  • Статические реакторов широко используются для например пульс фотолиз экспериментов, но в целом ограничивается длительного пребывания реагирующих и низких температур.
  • Джет перемешивают реакторов, т.е. газовая версия идеально перемешанный реактора (PSR), полагаются на эффективного смешивания газовой фазы и может эксплуатироваться на установившемся с постоянного места жительства времени, температуры и давления, что делает его легко для модели. Однако молекулы имеют время мигрируют к горячим поверхностям и пройти гетерогенных реакций.
  • Многочисленные подходы реактор потока известны, с вилки потока реактор (PFR) как один из наиболее популярных подходов для описания химических реакций в непрерывной, проточных систем цилиндрической геометрии. Подключите потока, принятых условий в стационарном состоянии с фиксированной время нахождения вилку как функция его позиции для идеальной PFR.

Дополнять эти ценные методы в области экспериментальной сгорания кинетики, реактор высокой температуры ламинарного потока эксперимент^19,20 , используя технику масс-спектрометрия (MBMS) молекулярного пучка для трассировки развитие видов подробно представлен^21,22 здесь. Ламинарный поток условия, работающих при атмосферном давлении и доступной температурах до 1800 K являются основными характеристиками потока реактора, в то время как чувствительных MBMS техника позволяет обнаружить почти всех химических видов в процессе горения процесс. Это включает в себя Высокореактивная видов таких радикалов, которые не являются или едва прослеживается с другими методами обнаружения. MBMS техника широко используется для детального исследования реакции сетей в огне традиционных и современных альтернативных видов топлива, таких как спирты и эфиры^23,24,25 и продемонстрировал быть большое значение для развития современной кинетической модели.

На рисунке 1 показана схема потока высокотемпературные реактора с увеличенной кадр пробоотборника (A) и две фотографии, подчеркивая общую эксперимент (B) и зонд установки (C). Система может быть разделена на два сегмента: во-первых, высокой температуры потока реактора с поставок газа и испаритель системы и второй, система обнаружения время полета MBMS. В операции выход потока труба монтируется прямо на сопло выборки системы MBMS. Газ пробы прямо из розетки реактора и переданы в систему обнаружения высокого вакуума. Здесь Ионизация осуществляется электронная ионизация с последующего обнаружения время полета.

Реактора имеет 40-мм внутренний диаметр трубы керамические (Al₂O₃) 1 497 мм длины, помещены в высокотемпературной печи (например, Геро, типа HTRH 40-1000). Общая подогревом секция — 1000 мм в длину. Газы питается готовые и предварительно испаряется в реактор закаленное фланец (обычно закаленное ~ 80 ° c). Сильно разбавленных (ОК. 99 vol % Ar), ламинарные течет реагент смесь проходит через известный температурного профиля (подробная информация о температуре характеристика будет предоставлена ниже). Определение газового состава проходит на выходе из реактора как функция температуры печи. Измерения проводятся на постоянной подачи массы потока, хотя монотонно снижение температуры рамп (K-200/h) применяется к печи в диапазоне 1800 K до 600 K. отмечают, что подобные результаты могут быть получены при различных температурах измеряется в Температура изотермической печи и тепловой инерции считается должным образом. Термостабилизации системы по-прежнему занимает некоторое время и температура пандуса выбирается в качестве компромисса усреднения для приращения (незначительное) небольшая температура и общее измерение время в серии. Время усреднения (45 s) MBMS соответствует 2,5 K. Результирующее время жительства являются около 2 s (на 1000 K) для данных условий. Наконец благодаря воспроизводимость температуры, относительная точность измерения температуры ± 5 K или лучше можно отметить для настоящего эксперимента реактор.

Рисунок 2 показывает схему испарения системы, оптимизированные для расследования даже сложных углеводородных смесей, таких как технические реактивного топлива. Все входные потоки дозированных в высокой точностью (погрешность ±0, 5%), массовые кориолисовые расходомеры. Испарения топлива реализуется системой коммерческого испаритель при температурах до 200 ° C. Все линии снабжения с предварительно испаряется топлива разогретую с температурой как правило 150 ° c для предотвращения конденсации жидкого топлива, избегая в то же время термической деструкции. Полное и стабильное вапоризация регулярно проверяется и даже может произойти при температурах ниже точки кипения нормальной соответствующих видов топлива. Полное испарение обеспечивалось небольшой топлива дроби и низкое парциальное давление (обычно ниже 100 Па) необходимо.

Газы отбираются по кварц конуса на осевой выход реактора на атмосферного давления (около 960 гПа) как показано более подробно в рамках увеличенный Рисунок 1. Кончик насадки имеет отверстия 50 мкм, которая расположена примерно 30 мм внутри керамическая труба в конце зоны реакции. Обратите внимание, что расположение выборки устанавливается относительно всасывающего. Тепловое расширение трубки печи происходит только на выходе, который не связан механически системы отбора проб, в результате чего температуры независимых длину сегмента реакции. Все реакции немедленно закаленном вследствие образования молекулярного пучка, когда газы расширяются в высоком вакууме (двухступенчатый дифференциальный насосных; 10^-2 и 10^-4 ПА)^25,26. Образец руководствуется Ионный источник электронов воздействия (EI) время полета (TOF) масс-спектрометр (масса резолюции R = 3000) способны определить точные массы нынешних видов в подходящую точность для определения элементного состава в пределах C/Ч / O системы. Для того, чтобы минимизировать фрагментацию из-за процесса ионизации энергии электронов имеет значение низкого значения (обычно 9,5-10,5 eV). Обратите внимание, что разбавителя и справочник видов аргона до сих пор обнаружить из-за распределения широкого энергии ионизирующего электронов (1,4 эВ FWHM). В то время как Ar может быть измерена с хорошим S/N, энергии электронов низких не позволяют достаточно определения основных видов (H₂O, CO₂, CO, H₂O₂и топлива) профили, которые представляют в значительных концентрациях ниже .

Помимо обнаружения TOF остаточная газоанализатор (ПГА), т.е. квадрупольный масс-спектрометр, помещается в ионизационная камера для наблюдения за шесть видов выше с более высокой энергией электронов (70 eV) одновременно с MBMS-TOF измерений.