Untersuchungen von ferrocen-dotierten Propenflammen

Duisburg, Essen (2011), X, 97 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Verbrennung und Gasdynamik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Seit einiger Zeit besteht ein erneutes Interesse an dem Einfluss eisenhaltiger Additive, wie z.B. Ferrocen, auf das Verhalten von Flammen. Diese Additive werden als Brandschutzmittel untersucht, haben einen Einfluss auf die Rußbildung in der Flamme und werden insbesondere in jüngster Zeit als Vorläufer für die Flammensynthese von Eisennanopartikeln eingesetzt sowie als Katalysator für die Synthese von Kohlenstoffnanoröhren aus Flammen untersucht. Trotzdem ist der Einfluss von Eisen auf die Flammenchemie noch nicht vollständig verstanden. In der Literatur werden Reaktionsmechanismen für Eisen in Flammen vorgeschlagen, bisher fehlten jedoch Konzentrationsmessungen von Eisen und eisenhaltigen Spezies sowie Verläufe der Flammentemperatur, die notwendig sind, um die Modelle zu validieren und weiterzuentwickeln. Das Ziel dieser Arbeit war Daten für diese Validierung zur Verfügung zu stellen. Hierfür wurden laminare, vorgemischte Propen/Sauerstoff/Argon-Flammen bei 70 mbar mit unterschiedlichen Ferrocenkonzentrationen im Brenngas und einer Reihe von Stöchiometrien untersucht. Zudem wurden Flammensimulationen durchgeführt und die Ergebnisse mit den Messungen verglichen. Zunächst wurden Messungen mit einem Molekularstrahl-Massenspektrometer durchgeführt. Anhand von Konzentrationsverläufen der Majoritätenspezies sowie einiger Intermediate konnte eine Verringerung der Flammengeschwindigkeit aufgrund des Ferrocens nachgewiesen werden. Zudem wurde gezeigt, dass die Dotierung von brennstoffreichen Flammen mit Ferrocen auch einen Einfluss auf Intermediate hat, die für die Rußbildung relevant sind. Mit dieser Methode konnten keine Konzentrationen von Eisen oder eisenhaltigen Spezies gemessen werden, da Eisen bzw. Eisenoxide an der Probeentnahmedüse kondensiert sind, was ihre Konzentration in der Gasphase bis unterhalb der Nachweisgrenze reduziert hat. Komplexe Gleichgewichtsberechnungen stützen diese These. Flammentemperaturen wurden mit OH Laser-induzierter Fluoreszenz (LIF) gemessen. Der Einfluss von Ferrocen auf die Flammentemperatur hat sich sowohl bei den Messungen als auch bei den Modellierungen als minimal erwiesen, nur bei \phi=1,25 war eine leichte Erhöhung der Flammentemperatur durch Ferrocenzugabe zu erkennen. Die gemessenen Flammentemperaturen liegen 100 - 250 K unterhalb der adiabaten Flammentemperatur. Die in der Simulation berechneten Flammentemperaturen lag bei allen Flammen rund 450 K unter den Messwerten. Der Grund hierfür wird in der vom Mechanismus inkorrekt wiedergegebenen Flammengeschwindigkeit vermutet. Systematische Fehler in den LIF-Messungen konnten weitestgehend ausgeschlossen werden. Eisenatomkonzentrationen wurden ebenfalls mit LIF gemessen. Die Ergebnisse zeigen den Einfluss der Stöchiometrie auf die Eisenatomkonzentrationen, der auch vom Modell reproduziert wird. Der Großteil des in Form von Ferrocen zugegebenen Eisens existiert in der Flamme als atomares Eisen. Je höher der Sauerstoffanteil in der Gasmischung ist, desto mehr FeO wird gebildet und die Eisenatomkonzentration wird geringer. Der Effekt unterschiedlicher Ferrocendotierungen auf die Eisenkonzentrationsverläufe konnte mit der hier verwendeten Methode nur bedingt gezeigt werden. Auf der Basis der aufgetretenen Schwierigkeiten bei der Messung von geringen Eisenatomkonzentrationen werden Anregungen für zukünftige Versuche gegeben.