Experimental and Modeling Study of the Oxidation of Synthetic Jet Fuels

International audienceStudies on combustion of synthetic jet fuels is of growing importance because of their potential for addressing security of supply and air transportation sustainability. The oxidation of a 100% naphthenic cut (NC) that fits with typical chemical composition of biomass or coal liquefaction products, gas-to-liquid fuel (GtL), and a GtL-NC mixture were studied in a jet-stirred reactor under the same conditions (550-1150 K; 10 bar; equivalence ratio of 0.5, 1, and 2; initial fuel concentration of 1000 ppm). Surrogate model-fuels were designed based on fuel composition and chemical properties for simulating the kinetics of oxidation of these fuels. We used model-fuels consisting of mixtures of n-decane, decalin, tetralin, 2-methylheptane, 3-methylheptane, n-propyl cyclohexane, and n-propylbenzene. The proposed detailed chemical kinetic reaction mechanism was validated using the full experimental database obtained for the oxidation of pure GtL, GtL-NC mixture, and pure NC. Kinetic reaction pathway analyses and sensitivity analyses were used for interpreting the results

Kinetics of Jet Fuel Combustion Over Extended Conditions: Experimental and Modeling

International audienceThe oxidation of kerosene (Jet-A1) has been studied experimentally in a jet-stirred reactor at 1 to 40atm and constant residence time, over the high temperature range 800–1300K, and for variable equivalence ratio 0.5<φ<2. Concentration profiles of reactants, stable intermediates, and final products have been obtained by probe sampling followed by on-line and off-line GC analyses. The oxidation of kerosene in these conditions was modeled using a detailed kinetic reaction mechanism (209 species and 1673 reactions, most of them reversible). In the kinetic modeling, kerosene was represented by four surrogate model fuels: 100% n-decane, n-decane-n-propylbenzene (74%∕26%mole), n-decane-n-propylcyclohexane (74%∕26%mole), and n-decane-n-propylbenzene-n-propylcyclohexane (74%∕15%∕11%mole). The three-component model fuel was the most appropriate for simulating the JSR experiments. It was also successfully used to simulate the structure of a fuel-rich premixed kerosene-oxygen-nitrogen flame and ignition delays taken from the literature

Kinetics of Kerosene Combustion Over Extended Conditions: Experimental and Modeling

International audienceThe oxidation of kerosene (Jet-A1) and that of surrogate mixtures have been studied experimentally in a jet-stirred reactor at 1 to 40 atm and constant residence time, over the high temperature range 800–1300 K, and for variable equivalence ratio 0.5<φ<2). Concentration profiles of the reactants, stable intermediates, and final products have been obtained by probe sampling followed by on-line and off-line GC analyses. The oxidation of kerosene in these conditions was modeled using a detailed kinetic reaction mechanism (209 species and 1673 reactions, most of them reversible). In the modeling, kerosene was represented by four surrogate model fuels: 100% n-decane, n-decane-n-propylbenzene (74% / 26% mole), n-decane-n-propylcyclohexane (74% / 26% mole), and n-decane-n-propylbenzene-n-propylcyclohexane (74% / 15% / 11% mole). The 3-components model fuel was the most appropriate for simulating the JSR experiments. It was also successfully used to simulate the structure of a fuel-rich premixed kerosene-oxygen-nitrogen flame and ignition delays taken from the literature

Etude experimentale et modelisation de l'oxydation de l'ethylene, du propane et du propene en reacteur auto-agite par jets gazeux

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Elucidation des mécanismes cinétiques d'oxydation d'hydrocarbures, de leurs dérivés oxygénés et interactions avec les oxydes d'azote

Back from my post-doctoral internship at the NBS, I resumed my work on the kinetics of hydrocarbon oxidation, starting with the study of the combustion of methane and ethane. We then developed the first detailed kinetic mechanism for the combustion of natural gas, while methane combustion models were then used. This mechanism then served as a working basis for the modeling of higher hydrocarbons up to n-decane. At the same time, my work focused on the oxidation of unsaturated or polyunsaturated hydrocarbons (allene, propyne, acetylene, 1,3-butadiene) involved in the formation of soot and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The experimental results obtained in the laboratory have allowed the development of a detailed kinetic mechanism valid in a very large number of experimental conditions (extended ranges of richness, pressure and temperature, homogeneous reactor, shock tube, pre-mixing flame). Experimental studies carried out on the oxidation of heavy hydrocarbons (C7, C8, C10) have shown the need to explore the temperature ranges below 800K, where "low temperature" oxidation, involving peroxyl radicals, is important. These studies were carried out under pressure (10-40 atm) between 500 and 800 K. The study of the combustion of oxygenated compounds was then undertaken, these intervening in the combustion of hydrocarbons as reaction intermediates, or being used as anti-knock additive or substitute fuel. The oxidation of heavy hydrocarbons (C16 alkanes, naphthenes, aromatics and polyaromatics) was also studied in order to model the combustion of diesel fuel. Finally, the kinetics of formation and destruction of nitrogen oxides was studied, first by numerical simulation and then experimentally. More recently, a kinetic model has been developed to account for the reduction of NO by natural gas (recombustion of nitrogen oxides or reburning).Le thème principal de mes travaux concerne la cinétique d'oxydation et de combustion des hydrocarbures, initialement pour des températures supérieures à 800 K, soit dans le domaine de combustion normale. Ces travaux associent des études expérimentales, utilisant un réacteur auto-agité par jets gazeux pouvant opérer entre 1 et 40 atm, et des simulations numériques, avec la mise au point d'un mécanisme cinétique détaillé. J'ai d'abord étudié l'oxydation de l'éthylène (intermédiaire omniprésent dans la combustion des hydrocarbures) et du propane, pour lesquels j'ai tenté d'établir un mécanisme cinétique détaillé dans un large domaine de pression (1-10 atm), de richesse (0.2-4) et de température (800-1200 K). J'ai poursuivi ce travail lors de ma thèse, en le complétant par l'étude de l'oxydation du propène. Le mécanisme cinétique détaillé obtenu a servi de base aux travaux menés ensuite au LCSR sur l'oxydation du n-butane, du 1-butène et du n-heptane. Ensuite j'ai effectué un stage post-doctoral d'un an au NBS, Gaithersburg. Lors de ce stage, j'ai pu étudier la cinétique des réactions des radicaux peroxyles : RO2 + RO2 et RO2 + HO2. Ces réactions concernent à la fois la combustion des hydrocarbures dans le domaine des flammes froides, intervenant dans les phénomènes de cliquetis et d’auto-allumage, et la chimie atmosphérique. L'étude cinétique des réactions du radical OH avec des composés oxygénés (éthers, éthers cycliques, poly-éthers, esters, acides carboxyliques, ...) a aussi été entreprise lors de mon séjour au NBS. Des relations structure-réactivité ont aussi été établies lors de ces travaux, complétant et corrigeant les tabulations antérieures obtenues par Atkinson. L'étude cinétique des réactions de O(3P) avec des éthers a aussi été entreprise lors de mon séjour au NBS.De retour de mon stage post-doctoral au NBS, j'ai repris mes travaux portant sur la cinétique d'oxydation des hydrocarbures, en commençant par l’étude de la combustion du méthane et de l'éthane. Nous avons alors développé le premier mécanisme cinétique détaillé pour la combustion du gaz naturel, alors que des modèles de combustion du méthane étaient utilisés alors. Ce mécanisme a ensuite servi de base de travail pour la modélisation d'hydrocarbures supérieurs allant jusqu'au n-décane. Parallèlement, mes travaux ont porté sur l'oxydation d'hydrocarbures insaturés ou poly-insaturés (allène, propyne, acétylène, 1,3-butadiène) impliqués dans la formation des suies et des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Les résultats expérimentaux obtenus au laboratoire ont permis le développement d'un mécanisme cinétique détaillé valable dans un nombre très important de conditions expérimentales (domaines étendus de richesses, pression et température, réacteur homogène, tube à choc, flamme de pré-mélange). Les études expérimentales menées sur l'oxydation d'hydrocarbures lourds (C7, C8, C10) ont montré la nécessité d'explorer les domaines de température en-dessous de 800K, là où l'oxydation de "basse température", faisant intervenir les radicaux peroxyles, est importante. Ces études ont été menées sous pression (10-40 atm) entre 500 et 800 K. L'étude de la combustion de composés oxygénés a ensuite été entreprise, ceux-ci intervenant dans la combustion des hydrocarbures comme intermédiaires réactionnels, ou étant utilisés comme additif anti-cliquetis ou carburant de substitution. L'oxydation d'hydrocarbures lourds (alcanes C16, naphtènes, aromatiques et polyaromatiques) a aussi été étudiée afin de modéliser la combustion du gazole. Enfin, la cinétique de formation et destruction des oxydes d'azote a été étudiée, par la simulation numérique d'abord puis expérimentalement. Plus récemment, un modèle cinétique a été élaboré pour rendre compte de la réduction de NO par le gaz naturel (recombustion des oxydes d’azote ou reburning)

Etude expérimentale et modélisation de l'oxydation de l'éthylène, du propane et du propène en réacteur auto-agité par jets gazeux

233 pagesThe oxidation of ethylene, propane, and propene was studied over a wide range of temperature (900 to 1200 Kelvin), pressure (0.1 to 1 MPa), and equivalence ratio (0.15 to 4) using a jet-stirred reactor. Gas chromatography analyses of reaction samples allowed to study the kinetic of oxidation of the fuels. A detailled chemical kinetic model (278 reactions and 47 species) was proposed and validated via sensitivity analyses. It allowed to accurately model the experimental results.L'oxydation de l'éthylène, du propane et du propène a été étudiée dans un large domaine de température (900 à 1200 Kelvin), de pression (0,1 à 1 MPa) et de richesse (0,15 à 4) au moyen d'un réacteur auto-agité par jets gazeux. L'analyse chromatographique d'échantillons du milieu réactionnel permet de suivre la réaction d'oxydation dans son ensemble. Un mécanisme cinétique détaillé comportant 278 réactions et faisant intervenir 47 espèces chimiques, a été développé grâce à l'utilisation d'une technique d'analyse de sensibilité, et permet de modéliser correctement nos résultats expérimentaux

Probing combustion chemistry using devices ranging from reactors to internal combustion engines

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