Validierung von Reaktionsmechanismen für biogene Kraftstoffkomponenten

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden die Verbindungen Butanol, 2-Butanol, iso-Butanol und 2,5-Dimethylfuran bei Bedingungen, die für die technische Verbrennung relevant sind, untersucht (p=8.20 bar, T=1190-1520 K). Diese Verbindungen sind mögliche Komponenten zukünftiger Kraftstoffe. Die Experimente werden in Abwesenheit von Sauerstoff (Pyrolyse) in einem speziell für diese Untersuchungen konfigurierten Single-Pulse-Stoßrohr hinter reflektierten Stoßwellen durchgeführt. Die Experimente werden mit der Simulationsumgebung Chemkin II und kinetischen Reaktionsmodellen aus der Literatur simuliert, um die Produktverteilungen aus Experiment und Simulation gegenüber zu stellen. Zur besseren Charakterisierung der Unterschiede zwischen den Modellen werden Reaktionsfluss- und Störungsanalysen durchgeführt. Mit Hilfe dieser Daten kann Verbesserungspotential in den Mechanismen identifiziert werden und Ansätze für eine Optimierung können aufgezeigt werden. Bei der Pyrolyse der Butanolisomere wurden die Hauptprodukte Ethen, Ethin, Ethan, Methan und Propen quantifiziert. In geringeren Konzentrationen wurden die Produkte Ethanal, 1,3-Butadien, 1,3-Butadiin, 2-Buten, iso-Buten, Propen, Propin und Allen nachgewiesen. Bei den Simulationen zeigten sich einerseits teils erstaunlich gute Vorhersagen der experimentellen Daten, andererseits bei einigen Produktspezies auch eine große Diskrepanz der Vorhersagen der Mechanismen untereinander sowie zum Experiment. Bei der Pyrolyse von 2,5-Dimethylfuran wurden die Hauptprodukte Kohlenstoffmonoxid, Ethan, Ethen, Ethin und 1,3-Butenin nachgewiesen. Weitere quantifizierte Produkte sind Allen, Benzol, 1,3-Butadien, 1,3-Butadiin, 2-Buten, Butin, Cyclopentadien, 2-Methylfuran, Propen, Propin und Toluol. Die Mechanismen zeigen in den Hauptprodukten eine gute Übereinstimmung untereinander und mit den experimentell gewonnenen Daten. Bei den Nebenprodukten kommt es jedoch auf Grund der Unterschiede in den Mechanismen zu unterschiedlichen Vorhersagen. Neben den Untersuchungen im Single-Pulse-Stoßrohr wurde in einem weiteren Stoßrohr hinter reflektierten Stoßwellen zeitaufgelöst die Bildung von Kohlenstoffmonoxid bei der Pyrolyse von 2,5-Dimethylfuran gemessen. Kohlenstoffmonoxid wurde dabei mittels Absorptionsmessungen bei einer Wellenlänge von 151,0 nm detektiert. Das ebenfalls auf dieser Wellenlänge absorbierende Edukt 2,5-Dimethylfuran und das Produkt Ethin wurden bei der Vorhersage der Absorption berücksichtigt. Im Rahmen der Messgenauigkeit decken sich die gefundenen Absorptionen mit den von den Modellen vorhergesagten Werten, so dass die Messungen die Reaktionsmodelle unterstützen.