Склонность к сажеобразованию различных углеводородов при пиролизе за ударными волнами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Экспериментально изучено сажеобразование при пиролизе смесей линейных и циклических углеводородов с различным количеством С–С-связей: метана CH4, ацетилена C2H2, этилена C2H4, бензола C6H6, метанола CH3OH, н-бутанола C2H5OH, этанола C4H9OH, диметилового эфира CH3OCH3, диэтилового эфира C2H5OC2H5, диметокисметана CH3OCH2OCH3, фурана C4H4O и тетрагидрофурана C4H8O. Исследования проведены в условиях ударно-трубного пиролиза за отраженными ударными волнами (ОУВ) в диапазонах температур ТОУВ = 1330–2500 К и давлений РОУВ = 2.9–7.7 бар в смесях, разбавленных аргоном. Для диагностики сажеобразования применяли методы лазерной экстинкции и лазерно-индуцированной инкандесценции. Получены температурные зависимости выхода сажи и размера образующихся углеродных наночастиц, а также измерены периоды индукции появления конденсированной фазы углерода и значения эффективной энергии активации начальных реакций пиролиза смесей выбранных углеводородов. Помимо этого, с помощью анализа отобранных образцов сажи на просвечивающем электронном микроскопе, определены размеры и структура углеродных наночастиц, образующихся при пиролизе смесей ацетилена C2H2, этилена C2H4 и фурана C4H4O. С использованием современных кинетических механизмов выполнено моделирование пиролиза смесей исследованных веществ. В случае метана CH4, этилена C2H4, фурана C4H4O и тетрагидрофурана C4H8O выход сажи и рассчитанное значение эффективной энергии активации начальных реакций пиролиза хорошо согласуются с экспериментальными данными. В случае пиролиза ацетилена C2H2 и бензола C6H6 кинетическое моделирование сильно недооценивает выход сажи. Рассчитанное значение эффективной энергии активации при пиролизе бензола не согласуется с полученным экспериментально значением. Этот факт может свидетельствовать о неполноте рассматриваемого механизма сажеобразования, а именно отсутствии полиинового пути в механизме сажеобразования.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Дракон

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Email: mr.korshunova.95@gmail.com
Россия, ул. Ижорская, 13, стр. 2, Москва, 125412

А. В. Еремин

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Email: mr.korshunova.95@gmail.com
Россия, ул. Ижорская, 13, стр. 2, Москва, 125412

В. Н. Золотаренко

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН; ФГАОУ ВО Московский физико-технический институт

Email: mr.korshunova.95@gmail.com
Россия, ул. Ижорская, 13, стр. 2, Москва, 125412; Институтский пер., 9, Долгопрудный, 141701

М. Р. Коршунова

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mr.korshunova.95@gmail.com
Россия, ул. Ижорская, 13, стр. 2, Москва, 125412

Е. Ю. Михеева

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Email: mr.korshunova.95@gmail.com
Россия, ул. Ижорская, 13, стр. 2, Москва, 125412

Список литературы

  1. Bond T.C., Doherty S.J., Fahey D.W., Forster P.M., Berntsen T., DeAngelo B.J., Flanner M.G., Ghan S., Kärcher B., Koch D., Kinne S., Kondo Y., Quinn P.K., Sarofim M.C., Schultz M.G., Schulz M., Venkataraman C., Zhang H., Zhang S., Bellouin N., Guttikunda S.K., Hopke P.K, Jacobson M.Z., Kaiser J.W., Klimont Z., Lohmann U., Schwarz J.P., Shindell D., Storelvmo T., Warren S.G., Zender C.S. // J. Geophys. Res. Atmos. 2013. V. 118. P. 5380.
  2. Niranjan R., Thakur A.K. // Front. Immunol. 2017. V. 8. P. 763.
  3. Schwartz J., Laden F., Zanobetti A. // Environ. Health Perspect. 2002. V. 110. P. 1025.
  4. Schulz F., Commodo M., Kaiser K., De Falco G., Minutolo P., Meyer G., D’Anna A., Gross L. // Proc. Combust. Inst. 2019. V. 37. P. 885.
  5. Liu W., Zhai J., Lin B., Lin H., Han D. // Front. Energy. 2020. V. 14. P. 18.
  6. Mannazhi M., Torok S., Gao J., Bengtsson P.-E. // Proc. Combust. Inst. 2021. V. 38. P. 1217.
  7. Drakon A.V., Eremin A.V., Gurentsov E.V., Mikheyeva E., Kolotushkin R. // Appl. Phys. B. 2021. V. 127. P. 81.
  8. Bauerle St., Karasevich Y., Slavov St., Tanke D., Tappe M., Thienel Th., Wagner H.Gg. // Symp. (Int.) Combust. 1994. V. 25. P. 627.
  9. Ishii K., Ohashi N., Teraji A., Kubo M. / Proc. of the 22nd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS), Minsk-Belarus, July 27–31, 2009. Paper 184.
  10. Agafonov G.L., Bilera I.V., Vlasov P.A., Zhiltsova I.V., Kolbanovskii Y.A., Smirnov, V.N., Tereza A.M. // Kinet. Catal. 2016. V. 57. P. 557.
  11. Olson D.B., Pickens J.C., Gill R.J. // Combust. Flame 1985. V. 62. P. 43.
  12. Lemaire R., Le Corre G., Nakouri M. // Fuel. 2021. V. 302. Art. 121104.
  13. McEnally C.S., Pfefferle L.D. // Environ. Sci. Technol. 2011. V. 45. P. 2498.
  14. Barrientos E.J., Lapuerta M., Boehman A.L. // Combust. Flame. 2013. V. 160. P. 1484.
  15. Johansson K.O., Dillstrom T., Monti M., Gabaly F., Campbell M.F., Schrader P.E., Popolan-Vaida D.M., Richards-Henderson N.K., Wilson K.R., Violi A., Michelsen H.A. // PNAS USA. 2016. V. 113. P. 8374.
  16. Liu P., Chen B., Zepeng L., Bennet A., Sioud S., Sarathy S.M., Roberts W.L. // Combust. Flame. 2019. V. 209. P. 441.
  17. Savic N., Rahman M.M., Miljevic B., Saathoff H., Naumann K.H., Leisner T., Riches J., Gupta B., Motta N., Ristovski Z.D // Carbon. 2016. V. 104. P. 179.
  18. Verma P., Pickering E., Jafari M., Guo Yi., Stevanovic S., Fernando J., Golberg D., Broooks P., Brown R., Ristovski Z. // Combust. Flame. 2019. V. 205. P. 206.
  19. Verma P., Jafari M., Ashrafur Rahman S.M., Pickering E., Stevanovic S., Dowell A., Brown R., Ristovski Z. // Fuel. 2020. V. 259. P. 116167.
  20. Nativel D., Peukert S., Herzler J., Drakon A., Korshunova M., Mikheyeva E., Eremin A., Fikri M., Schulz C. // Proc. Combust. Inst. 2023. V. 39. P. 1099.
  21. Thangavelu S.K., Ahmed A.S., Ani F.N. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2016. V. 56. P. 820.
  22. Esarte C., Peg M., Ruiz M. P., Millera A., Bilbao R., Alzueta M.U. // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 4412.
  23. Camacho J., Lieb S., Wang H. // Proc. Combust. Inst. 2013. V. 34. P. 1853.
  24. Li Zh., Qiu L., Cheng X., Li Y., Wu H. // Fuel 2018. V. 211. P. 517
  25. Khan A., Hellier P., Ladommatos N., Almaleki A. // J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2024. V. 177. P. 106346.
  26. Cepeda F., Di Liddo L., Serwin M., Karatas A.E., Dworkin S.B. // Proc. Combust. Inst. 2023. V. 39. P. 1997.
  27. Hidaka Y., Sato K., Yamane M. // Combust. Flame 2000. V. 123. P. 1.
  28. Jeon M.-K., Kim N.I. // Math. Model. Nat. Phenom. 2018. V. 13. P. 56.
  29. Doan Q.B., Nguyen X.P., Pham V.V., Dong T.M. H., Pham M.T., Le T.S. // Int. J. Renew. Energy Dev. 2022. V. 11. P. 255.
  30. Paul A., Bose P.K., Panua R., Debroy D. // J. Energy Inst. 2015. V. 88. P. 1.
  31. Ibrahim A. // Eng. Sci. Technol. Int. J. 2018. V. 21. P. 1024.
  32. Sinha A., Thomson M.J. // Combust. Flame 2004. V. 136. P. 548.
  33. Sirignano M., Conturso M. and D’Anna A. // Proc. Combust. Inst. 2015. V. 35. P. 525.
  34. Wu Ya., Zhang X., Zhang Zh., Wang X., Geng Zh., Jin Ch., Liu H., Yao M. // Fuel. 2020. V. 271. P. 117633.
  35. Drakon A.V., Eremin A.V., Korshunova M.R. and Mikheyeva E.Yu. // Combust. Explos. Shock Waves 2022. V. 58. P. 430.
  36. Nativel D., Herzel J., Kryzwdziak S., Peukert S., Fikri M., Shultz C. // Combust. Flame 2022. V. 243. Art. 111985.
  37. Eremin A., Gurentsov E., Mikheyeva E. // Combust. Flame 2015. V. 162. P. 207.
  38. Eremin A., Gurentsov E., Popova E., Priemchenko K. // Appl. Phys. B. 2011. V. 104. P. 285.
  39. Daun K.J. // Int. J. Heat Mass Transf. 2009. V. 52. P. 5081.
  40. Gurentsov E.V., Drakon A.V., Eremin A.V., Kolotushkin R.N., Mikheyeva E.Yu. // High Temp. 2022. V. 60. P. 335.
  41. Schneider C., Rasband W., Eliceiri K. // Nat. Methods. 2012. V. 9. P. 671.
  42. Cuoci A., Frassoldati A., Faravelli T., Ranzi E. // Comput. Phys. Commun. 2015. V. 192. P. 237.
  43. Saggese C., Ferrario S., Camacho J., Cuoci A., Frassoldati A., Ranzi E., Wang H., Faravelli T. // Combust. Flame. 2015. V. 162. P. 3356.
  44. Yasunaga K., Gillespie F., Simmie J.M., Curran H.J., Kuraguchi Y., Hoshikawa H., Yamane M., Hidaka Y. // J. Phys. Chem. A. 2010. V. 114. P. 9098.
  45. Marrodan L., Royo E., Millera A., Bilbao R., Alzueta M.U. // Energy Fuels. 2015. V. 29. P. 3507.
  46. Pelucchi M., Cavallotti C., Ranzi E., Frassoldati A., Faravelli T. // Energy Fuels. 2016. V. 30. P. 8665.
  47. Tran L., Verdicchio M., Monge F., Martin R., Bounaceeur R., Sirjean B., Glaude P.-A., Alzueta M., Battin-Leclerc F. // Combust. Flame. 2015. V. 162. P. 1899.
  48. Alexiou A., Williams A. // Combust. Flame. 1996. V. 104. P. 51.
  49. Frenklach M., Wang H. // Proc. Combust. Inst. 1991. V. 23. P. 1559.
  50. Krestinin A.V. // Symp. (Int.) Combust. 1998. V. 27. P. 1557.
  51. Vlasov P.A., Warnatz J. // Proc. Combust. Inst. 2002. V. 29. P. 2335.
  52. Gurentsov E.V., Drakon A.V., Eremin A.V., Kolotushkin R.N., Mikheyeva E.Yu. // High Temp. 2022. V. 60. P. 335.
  53. Eremin A.V. // PECS. 2012. V. 38. P. 1.
  54. Commodo M., Kaiser K., de Falco G., Minutolo P., Schulz F., d’Anna A., Gross L. // Combust. Flame. 2019. V. 205. P. 154.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема оптической диагностики. Голубые элементы относятся к методу лазерной экстинкции, а темно-серые – к методу ЛИИ.

Скачать (175KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Временной профиль лазерной экстинкции на 633 нм и методика определения периода индукции появления конденсированной фазы в смеси бензола (смесь 4).

Скачать (115KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микрофотографии углеродных наночастиц разного разрешения (а, б) и преобразованное в скелетонизированную структуру сажевой наночастицы изображение (в).

Скачать (486KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости выхода сажи при пиролизе углеводородов от температуры за ОУВ в момент времени t, равный 0.75 (a) и 1.5 мс (б): смесь 1 – метан + аргон, смесь 2 – ацетилен + аргон, смесь 3 – этилен + аргон, смесь 4 – бензол + аргон, смесь 5 – диэтиловый эфир + аргон, смесь 6 – тетрагидрофуран + аргон, смесь 7 – фуран + аргон. Точки – эксперимент, кривые – аппроксимация.

Скачать (258KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости выхода сажи при пиролизе углеводородов от вычисленной температуры в момент времени t, равный 0.75 (a) и 1.5 мс (б): смесь 1 – метан + аргон, смесь 2 – ацетилен + аргон, смесь 3 – этилен + аргон, смесь 4 – бензол + аргон, смесь 5 – диэтиловый эфир + аргон, смесь 6 – тетрагидрофуран, смесь 7 – фуран + аргон. Точки – эксперимент, кривые – аппроксимация.

Скачать (248KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости расчетного выхода сажи при пиролизе различных углеводородов от начальной температуры расчета Т0, соответствующей температуре за ОУВ (а, б), и вычисленной температуры Твыч (в, г) для моментов времени t, равных 0.75 (а, в) и 1.5 мс (б, г): смесь 1 – метан + аргон, смесь 2 – ацетилен + аргон, смесь 3 – этилен + аргон, смесь 4 – бензол + аргон, смесь 5 – диэтиловый эфир + аргон, смесь 6 – тетрагидрофуран + аргон, смесь 7 – фуран + аргон . Точки – эксперимент, кривые – аппроксимация.

Скачать (481KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Рассчитанные зависимости выхода диацетилена C4H2 (а) и триацетилена C6H2 (б) от начальной температуры в момент времени t = 1 мс: смесь 1 – метан + аргон, смесь 2 – ацетилен + аргон, смесь 3 – этилен + аргон, смесь 4 – бензол + аргон.

Скачать (172KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости размера углеродных наночастиц, образовавшихся при пиролизе смесей с аргоном 3% С2Н2 (смесь 2), 5% C2H4 (смесь 3) и 1% С4Н4О (смесь 7) от ТОУВ (а) и Твыч (б), полученные методом ЛИИ в момент времени 1.5 мс и методом ПЭМ.

Скачать (198KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Расчетные зависимости мольной доли различных BIN в смесях, содержащих ацетилен (смесь 2), этилен (смесь 3) и фуран (смесь 7) на момент времени 1.5 мс.

Скачать (130KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимости периода индукции появления конденсированной фазы углерода от температуры за ОУВ в координатах Аррениуса: смесь 1 – метан + аргон, смесь 2 – ацетилен + аргон, смесь 3 – этилен + аргон, смесь 4 – бензол, смесь 5 – диэтиловый эфир + аргон, смесь 6 – тетрагидрофуран + аргон, смесь 7 – фуран + аргон. Точки – эксперимент, кривые – аппроксимация.

Скачать (194KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Временные зависимости расчетного выхода сажи при различных температурах за ОУВ для смеси, содержащей метан (смесь 1).

Скачать (170KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Скорости реакций расходования C4H4 при пиролизе ацетилена.

Скачать (131KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Скорости реакций расходования фенильного радикала при пиролизе бензола.

Скачать (193KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Относительная склонность к сажеобразованию исследованных углеводородов.

Скачать (185KB)
Метаданные