Technische Brennstoffe wie Erdgas, Kerosin, Benzin oder Diesel bestehen aus vielen verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Das Erstellen eines Modellbrennstoffs für technische Brennstoffe (Modellbrennstoffdesign) bedeutet, geeignete Komponenten sowie deren Mischungsanteile so zu bestimmen, dass sie repräsentativ für den realen Kraftstoff sind: Der entwickelte Modellbrennstoff muss die physikalischen und chemischen Eigenschaften des technischen Brennstoffes haben. Die Erstellung 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 berechnet (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) |
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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.