Development of a hierarchically detailed chemical reaction mechanism from C₃ to C₅ hydrocarbons

Entwicklung eines hierarchisch detaillierten chemischen Reaktionsmechanismus von C₃- bis C₅-Kohlenwasserstoffen

  • The oxidation of fuel molecules can be described by using a reaction mechanism, a tool that combines thermodynamic and transport properties with reaction rates to predict the behavior and sub-products at different temperatures, pressures and equivalence ratios. A detailed reaction mechanism helps to understand the fuel-specific pollutant formation process. The aim of this doctoral thesis is to generate a hierarchically-detailed chemical reaction mechanism from C3 to C5 hydrocarbons that can be used to understand the reaction decomposition pathways for different fuels at high temperature regime, e.g. propene, propane, butane isomers, butene isomers and pentene isomers. A new nomenclature based in the IUPAC rules, has been developed and implemented as part of this work. The naming follows the order of priority for choosing a principal characteristic group. These naming rules and some examples are explained here. As starting point for this investigation, the chemical model presented in Schenk et al. (2013) has been used. ThermodynamicThe oxidation of fuel molecules can be described by using a reaction mechanism, a tool that combines thermodynamic and transport properties with reaction rates to predict the behavior and sub-products at different temperatures, pressures and equivalence ratios. A detailed reaction mechanism helps to understand the fuel-specific pollutant formation process. The aim of this doctoral thesis is to generate a hierarchically-detailed chemical reaction mechanism from C3 to C5 hydrocarbons that can be used to understand the reaction decomposition pathways for different fuels at high temperature regime, e.g. propene, propane, butane isomers, butene isomers and pentene isomers. A new nomenclature based in the IUPAC rules, has been developed and implemented as part of this work. The naming follows the order of priority for choosing a principal characteristic group. These naming rules and some examples are explained here. As starting point for this investigation, the chemical model presented in Schenk et al. (2013) has been used. Thermodynamic data for sensitive species from C3 chemistry were revised and updated. Updates in reaction rates for n-butane (C4H10) and iso-butane (C4H10-Me2) are shown. The chemistry of the butene (C4H8) isomers have been revised and a correction taking into account the H-atom allyl abstraction is implemented. Laminar flame speeds and ignition delay times for the different isomers are presented and discussed together with experiments in similar conditions for burner-stabilized flame for the three butene and butane isomers. The high-temperature chemistry for branched and linear C5H10 species is implemented in the model. 2-Methyl-2-butene (C5H10-D2Me2) is the most interesting isomer because 9 of its 10 C-H atoms are in allylic position and it is compared to n-Pentane as an example of a linear molecule. The validation of a burner-stabilized flame, ignition delay time, and laminar flame speed experiments for these fuels are presented and discussed. The compilation strategy was used and it aims to continuously increase the number and type of targets for mechanism validation.show moreshow less
  • Die Oxidation von Brennstoffmolekülen kann mit Hilfe eines Reaktionsmechanismus beschrieben werden, einem Werkzeug, das thermodynamische und Transporteigenschaften mit Reaktionsraten kombiniert, um das Verhalten und die Nebenprodukte bei verschiedenen Temperaturen, Drücken und Äquivalenzverhältnissen vorherzusagen. Ein detaillierter Reaktionsmechanismus hilft den Prozess der brennstoffspezifischen Schadstoffbildung zu verstehen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, einen hierarchisch-detaillierten chemischen Reaktionsmechanismus von C3- bis C5-Kohlenwasserstoffen zu erstellen, der zum Verständnis der Reaktionsabbaupfade für verschiedene Brennstoffe im Hochtemperaturbereich führt, z. B. Propen, Propan, Butanisomere, Butenisomere und Pentenisomere. Eine neue Nomenklatur, die auf den IUPAC-Regeln basiert, wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und eingeführt. Die Benennung erfolgt in der Reihenfolge der Priorität für die Wahl einer charakteristischen Hauptgruppe. Diese Benennungsregeln und einige Beispiele werden hier erläutert. AlsDie Oxidation von Brennstoffmolekülen kann mit Hilfe eines Reaktionsmechanismus beschrieben werden, einem Werkzeug, das thermodynamische und Transporteigenschaften mit Reaktionsraten kombiniert, um das Verhalten und die Nebenprodukte bei verschiedenen Temperaturen, Drücken und Äquivalenzverhältnissen vorherzusagen. Ein detaillierter Reaktionsmechanismus hilft den Prozess der brennstoffspezifischen Schadstoffbildung zu verstehen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, einen hierarchisch-detaillierten chemischen Reaktionsmechanismus von C3- bis C5-Kohlenwasserstoffen zu erstellen, der zum Verständnis der Reaktionsabbaupfade für verschiedene Brennstoffe im Hochtemperaturbereich führt, z. B. Propen, Propan, Butanisomere, Butenisomere und Pentenisomere. Eine neue Nomenklatur, die auf den IUPAC-Regeln basiert, wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und eingeführt. Die Benennung erfolgt in der Reihenfolge der Priorität für die Wahl einer charakteristischen Hauptgruppe. Diese Benennungsregeln und einige Beispiele werden hier erläutert. Als Ausgangspunkt für diese Untersuchung wurde das chemische Modell in Schenk et al. (2013) vorgestellt. Thermodynamische Daten für sensible Spezies aus der C3-Chemie wurden überarbeitet und aktualisiert. Aktualisierungen der Reaktionsgeschwindigkeiten für n-Butan (C4H10) und iso-Butan (C4H10-Me2) werden dargestellt. Die Chemie der Buten (C4H8)-Isomere wurde überarbeitet und eine Korrektur unter Berücksichtigung der Allylabstraktion des H-Atoms wurde vorgenommen. Laminare Flammengeschwindigkeiten und Zündverzögerungszeiten für die verschiedenen Isomere werden vorgestellt und zusammen mit Experimenten unter ähnlichen Bedingungen für brennerstabilisierte Flamme für die drei Buten- und Butan-Isomere diskutiert. Die Hochtemperaturchemie für verzweigte und lineare C5H10-Spezies ist in das Modell implementiert. 2-Methyl-2-buten (C5H10-D2Me2) ist das interessanteste Isomer, da sich neun seiner zehn C-H-Atome in allylischer Stellung befinden und es mit n-Pentan als Beispiel für ein lineares Molekül verglichen wird. Die Validierung einer brennerstabilisierten Flamme, der Zündverzögerungszeit und der laminaren Flammengeschwindigkeit für diese Brennstoffe werden vorgestellt und diskutiert. Es wurde eine Kompilationsstrategie verwendet, die darauf abzielt, die Anzahl und Art der Ziele für die Validierung des Mechanismus zu erhöhen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Larisa León de SyniawaORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61575
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6157
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß, Apl. Prof. Dr. Thomas Zeuch, Dr. George Skevis
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Date of final exam:2022/03/17
Release Date:2022/12/08
Tag:IUPAC-Regeln; Kinetik; Reaktionsmechanismus; Thermochemie
IUPAC nomenclature; Kinetics; Reaction mechanism; Thermochemistry
GND Keyword:Thermochemie; Brennstoffverarbeitung; Kohlenwasserstoffe; Reaktionsmechanismus; IUPAC-Regel; Chemische Nomenklatur
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Thermodynamik / Thermische Verfahrenstechnik
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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