Experimentelle und numerische Untersuchungen der chemischen Kinetik von Brennstoffgemischen in homogenen Niedertemperaturreaktoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Katharina Kohse-Höinghaus; Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch, seit 7/2015
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268814985

Bei der Selbstzündung von Brennstoff-Gemischen im Niedertemperaturbereich zwischen 500 K und 1200 K kann es zu einer Interaktion der unterschiedlichen Reaktionsketten der Brennstoffe kommen. Dies soll anhand charakteristischer binärer Gemische der langkettigen aliphatischen Kohlenwasserstoffe iso-Oktan und n-Heptan mit Ethanol bzw. Dimethylether (DME) in homogenen Reaktoren untersucht werden. Für iso-Oktan und n-Heptan existiert eine langsame Kettenverzeigung im Niedertemperaturbereich, jedoch nicht für Ethanol. DME weist zwar eine Niedertemperaturkinetik auf, es wird jedoch verstärkt Formaldehyd gebildet, das als Inhibitor wirken kann. In Gemischen dieser Brennstoffe ist daher zu erwarten, dass die langsame Kettenverzweigung des aliphatischen Brennstoffes durch die Anwesenheit des anderen Brennstoffs beeinflusst wird, da beide Brennstoffe um chemische Radikale konkurrieren. Da in fast allen technischen Anwendungen Gemische unterschiedlicher chemischer Komponenten verwendet werden, ist die Untersuchung der Niedertemperaturkinetik solcher Brennstoffgemische im Hinblick auf die Selbstzündung von entscheidender Bedeutung. Im vorliegenden gemeinsamen Projekt der Antragsteller Kohse-Höinghaus (Bielefeld) und Peters (Aachen) soll die Interaktion der Reaktionsketten kinetisch unterschiedlicher Brennstoffe im Niedertemperaturbereich untersucht werden. Mehrere binäre Gemische sollen anhand von Experimenten und durch numerische Rechnungen analysiert werden. Dabei soll der Schwerpunkt der numerischen Rechnungen in Aachen liegen und der Schwerpunkt der Experimente in Bielefeld. Die kinetischen Mechanismen sollen schrittweise reduziert werden, um die geschwindigkeitsbestimmenden Reaktionen zu identifizieren. Die Experimente werden an zwei verschiedenen Prüfständen durchgeführt: am homogenen Rührreaktor in Aachen sowie am homogenen Strömungsreaktor in Bielefeld. Im Rührreaktor werden chemische Oszillationen untersucht, da diese sehr sensibel auf Details der chemischen Kinetik reagieren. Dabei werden die stabilen Komponenten mittels Gaschromatographie und eines schnellen Kohlenwasserstoff-Sensors analysiert. Weiterhin wird ein Flugzeitmassenspektrometer eingesetzt, um semi-stabile Moleküle wie Ketohydroperoxide nachzuweisen, die während der Oszillationen in relativ hohen Konzentrationen auftreten. Demgegenüber liegen im Strömungsreaktor stationäre Bedingungen vor. Hier verläuft die Reaktion entlang einer Temperaturrampe. Dabei können prinzipiell alle Spezies einschließlich Radikale entlang des Reaktionspfades mittels der Molekularstrahl-Massenspektrometrie (MBMS) und gekoppelter Gaschromatographie nachgewiesen werden. Zur Unterstützung sollen Absorptionsspektroskopie mit Quantenkaskadenlasern sowie MBMS-Experimente mit Photoionisation dienen. Auf der Basis aller experimentellen Ergebnisse soll eine Verbesserung detaillierter kinetischer Reaktionsmodelle erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Norbert Peters, bis 7/2015 (†)