Zurück

VersendenDrucken

Design von Modellbrennstoffen für technisch relevante Treib- und Kraftstoffe

Technische Brennstoffe wie Erdgas, Kerosin, Benzin oder Diesel bestehen aus vielen verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Das Erstellen eines Modellbrennstoffs für technische Brennstoffe (Modellbrennstoffdesign) bedeutet, aus den unzähligen Möglichkeiten diejenigen 5-8 Komponenten sowie deren Mischung so auszuwählen, welche repräsentativ für den realen Kraftstoff sind. Der Anteil der verschiedenen Komponenten ist so zu bestimmen, daß der entwickelte Modellbrennstoff die physikalischen und chemischen Eigenschaften des technischen Brennstoffes beschreibt. Die Aufstellung eines Modellbrennstoffes ist ein iterativer Prozess, der aus 2 globalen Schritten besteht (Abb.1).

Abb. 1: Iterativer Prozess zur Entwicklung eines Modellbrennstoffes

I. Schritt

Bei der Zusammenstellung eines Modellbrennstoffs ist darauf zu achten, dass aus jeder der drei Hauptgruppen (Paraffine, Aromaten und Cyclo-Paraffine) Spezies in entsprechendem Umfang in den Modellbrennstoff integriert werden. Anschließend erfolgt die Modellierung der physikalischen Eigenschaften des Erzatzbrennstoffes im Hinblick auf Bildungsenthalpie, Verbrennungsenthalpie, Destillationskurve, 2-Phasendiagramm, kritische Temperatur und Druck.
Die Destillationskurve, das 2-Phasendiagramm und die kritischen Parameter werden mit einem eigens entwickelten numerischen Code gerechnet (Abb. 2, 3).

Abb. 2: Destillationskurve

Abb. 3: Zwei-Phasendiagramm für eine 9 - Spezies Mischung

Nach der Modellierung der physikalischen Eigenschaften werden die gewonnen Ergebnisse mit experimentellen Werten von Erdgas, Kerosin, Benzin oder Diesel verglichen. Die Zusammensetzung eines derart optimierten Modellbrennstoffes für Kerosin ist in Tab. 1 dargestellt. Das Zweiphasengleichgewicht dieses Ersatzbrennstoffmischung ist in Abb. 4 zu sehen.

Zusammensetzung eines optimierten Modellbrennstoffes

11%	Propylcyclohexan C9H18
14%	iso-Oktan i-C8H18
22%	Dodecan C12H26
28%	1-Methylnaphtalin C11H10
24%	Hexadekan C16H34

Eigenschaften des Modellbrennstoffes

Approximative Formel	C11H19
Verbrennungsenthalpie Δ Hc	45 MJ/kg
Bildungsenthalpie Δ Hf	-160 kJ/mol
Molargewicht	145 g/mol
Rußneigung (TSI)	27

II. Schritt

Abb. 4: Zwei-Phasendiagramm für Modellbrennstoff

Modellierung der chemischen Eigenschaften der Ersatzbrennstoffsmischung mit einem Reaktionsmodell im Hinblick auf chemische Zusammensetzung (C/H-Verhältnis), Konzentrationsprofile, Flammengeschwindigkeiten, Zündverzugszeiten, Rußbildungsneigung (TSI Faktor) und Schadstoffsbildung.
Vor der Verifizierung der chemischen Eigenschaften des Surrogats muss ein Reaktionsmodell erstellt werden, das sowohl die chemischen Eigenschaften der individuellen Kohlenwasserstoffen und deren Mischungen (Submodelle A, B, C, etc., Abb. 1), als auch des jeweiligen praktischen Brennstoffes beschreibt. Nach der chemischen Modellierung erfolgt ein weiterer Vergleich mit experimentellen Werten für Erdgas, Kerosin, Benzin oder Diesel. Auf Grund der so gewonnenen Ergebnisse wird die Zusammensetzung überprüft und gegebenenfalls verbessert, im Anschluss wiederholen sich Schritt I und II bis ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht wird.