Kinetic modeling of pressure and equivalence ratio effects on methane oxidation

CNRS, Laboratoire de Combustion et Systèmes Réactifs, 1C, avenue de la Recherches Scientifique, 45071 Orléans Cedex 2, France.

Abstract

The kinetics of methane oxidation in a jet-stirred reactor was modeled using a comprehensive kinetic reaction mechanism including the most recent findings concerning the kinetics of the reactions involved in the oxidation of C₁-C₄ hydrocarbons. The computed results are discussed in terms of pressure and equivalence ratio (ø) effects on methane oxidation. The previously validated mechanism is able to reproduce experimental data obtained in our high-pressure jet stirred reactor (concentration profiles for CH₄, CO, CO₂, H₂, C₂H₄, C₂H₆, et C₂H₂ ; 900 ≤ T/K ≤ 1300 ; 1 ≤ P/atm ≤ 10 ; 0.1 ≤ ø ≤ 2) and methane ignition delay times measured in shock tube (800 ≤ T/K ≤ 2000 ; 1 ≤ P/atm ≤ 13 ; 0.1 ≤ ø ≤ 2). It is also able to reproduce H and O atoms concentrations measured in shock tube at ≈ 2 atm. Burning velocities of methane in air between 1 and 3 atm and methane-air flame structures were also modeled. The same detailed kinetic mechanism can also be used to model the oxidation of ethane, ethylene, propene, and propane in similar conditions.

Résumé

La cinétique d’oxydation du méthane a été modélisée au moyen d un mécanisme cinétique détaillé général. Les résultats des calculs sont utilisés pour comprendre l’effet de la pression et de la stoechiométrie (ø) sur la cinétique d’oxydation du méthane. Le mécanisme cinétique détaillé utilisé ici a été validé dans des conditions très variées dans un travail antérieur. Il permet de reproduire les données expérimentales obtenues en réacteur auto-agité par jets gazeux (profils de concentration de CH₄, CO, CO₂, H₂, C₂H₄, C₂H₆, et C₂H₂ ; 900 ≤ T/K ≤ 1300 ; 1 ≤ P/atm ≤ 10 ; 0.1 ≤ ø ≤ 2) et les délais d’auto-inflammation du méthane mesurés en tube à choc (800 ≤ T/K ≤ 2000 ; 1 ≤ P/atm ≤ 13 ; 0.1 ≤ ø ≤ 2). On a aussi pu reproduire des profils de concentration des atomes H et O mesurés en tube à choc lors de l’oxydation du méthane à ≈ 2 atm. Les vitesses de flammes de pré-mélange methane-air entre 1 et 3 atm et les structures de flammes méthane-air à 1 atm ont aussi pu être reproduites. Enfin, le même mécanisme cinétique a aussi été utilisé pour modéliser la cinétique d oxydation de l’éthane, l’éthylène, le propène et le propane dans des conditions voisines.