Экспериментальное и численное исследование кинетики горения этилацетата и этилбутаноата
Дмитриев Артём Михайлович, младший научный сотрудник
Осипова Ксения Николаевна, аспирант 2-года обучения ФФ НГУ
Лаборатория Кинетики процессов горения,
науч. рук.: к.ф.-м.н. Д.А. Князьков, к.х.н. А.Г. Шмаков
1. Общая формулировка научной проблемы и её актуальность
Биодизельные топлива представляют большой интерес, прежде всего в связи с необходимостью обеспечения экологической безопасности и легкодоступности топлив для нужд транспорта. Органическое происхождение и особенности молекулярного строения делают биодизельное топливо карбонейтральным возобновляемым топливом, практически не образующим сажу и многие вредные вещества при сгорании.
Само по себе биодизельное топливо представляет собой смесь сложных эфиров жирных кислот, которую получают в ходе реакции трансэтерификации растительных масел с лёгкими спиртами. Обычно в промышленности для этого используется метанол или этанол. Поэтому в зависимости от используемого в реакции спирта различают метиловые и этиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК и ЭЭЖК, соответственно).
Для разработки новых двигателей и систем сжигания с использованием современных методов моделирования требуются данные по химической кинетике превращения топлив при горении. Таким образом, успешное использование биодизельного топлива на практике понимания химии горения МЭЖК и ЭЭЖК. Построение детальных кинетических механизмов горения МЭЖК и ЭЭЖК позволяет определить оптимальный состав топливной смеси, предсказать состав продуктов неполного сгорания и оптимизировать параметры горения в системе.
2. Конкретная решаемая в работе задача и её значение
Данная работа посвящена исследованию структуры пламён этилацетата (ЭА) и этилбутаноата (ЭБ). Особенности горения этилбутаноата исследовались в сравнении с метилпентаноатом (МП), который является метиловым изомером МЭЖК.
Экспериментальное измерение химической структуры пламён является одним из основных методов проверки кинетических механизмов горения. Однако, все представленные в литературе экспериментальные данные были получены при давлениях ~100 Торр, что значительно ниже рабочих давлений в реальных устройствах (~10 атм).
Таким образом, в работе стояли две следующие задачи:
- экспериментальное исследование структуры пламён небольших ЭЭЖК в разных соотношениях топливо/окислитель
- проверка существующих кинетических механизмов горения данных соединений, анализ и предложение методов улучшение существующих схем
3. Используемый подход, его новизна и оригинальность
В работе измерены пространственные распределения мольной доли реагентов, основных продуктов и важнейших промежуточных веществ (включая радикалы) в предварительно перемешанных ламинарных пламёнах, стабилизированных на плоской горелке при 1 атм. Подобные эксперименты являются абсолютно уникальными данными в силу особенностей молекулярно-пучковой масс-спектрометрической установки с мягкой ионизацией электронным ударом, использованной в этой работе. Пространственное распределение температуры во всех пламёнах измерялось при помощи Pt/Pt+10%Rh микротермопар.
Моделирование структуры пламён проводилось при помощи программы CHEMKIN. Для моделирования пламён были использованы три детальных кинетический механизма, представленных в литературе. Для анализа первичной деструкции топлив в пламёнах использовался интегральный анализ скоростей расходования вещества по всем возможным реакционным путям.
4. Полученные результаты, их уровень и значимость
Рис. 1. Анализ первичных путей окисления ЭА и измеренные профили мольной доли радикалов в пламёнах ЭА.
Рис. 2. Анализ первичных путей окисления ЭБ и измеренные профили мольной доли важнейших интермедиатов в пламёнах ЭБ в сравнении с аналогичными пламёнами МП.
Получены новые экспериментальные данные по структуре предварительно перемешанных пламён ЭА и ЭБ при атмосферном давлении. Измерены профили мольной доли реагентов, стабильных продуктов и важных промежуточных соединений в стехиометрических и богатых топливом смесях. Проведено численное моделирование структуры исследованных пламён. На основе анализа путей превращений показана роль пути мономолекулярного распада в окислении ЭЭЖК, были выявлены ключевые недостатки существующих кинетических моделей и предложены пути их улучшения.
5. Вклад молодого ученого в выставляемые на конкурс работы
Почти вся экспериментальная работа, моделирование и анализ механизмов выполнен молодыми учёными. Статья по ЭБ так же полностью подготовлена молодыми учёными.
6. Список статей, опубликованных в рецензируемых журналах, индексируемых ISI
1. Ksenia N. Osipova, Artem M. Dmitriev, Andrey G. Shmakov, Oleg P. Korobeinichev, Sergey S. Minaev, Denis A. Knyazkov. Combustion of ethyl acetate: the experimental study of flame structure and validation of chemical kinetic mechanisms // Mendeleev Commun., 2019, 29, 690–692. DOI: 10.1016/j.mencom.2019.11.030
2. A. M. Dmitriev, K. N. Osipova, D. A. Knyazkov, I. E. Gerasimov, A. G. Shmakov, O. P. Korobeinichev. Comparative Analysis of the Chemical Structure of Ethyl Butanoate and Methyl Pentanoate Flames // Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2018, Vol. 54, No. 2, pp. 125–135. DOI: 10.1134/S0010508218020016