Chemical structure of methane and ethane flames

Laboratoire de Cinétique et Chimie de la Combustion, UMR 8522 du CNRS, Centre d'Études et de Recherches sur les Lasers et Applications, Université des Sciences et Technologies de Lille, 59655 Villeneuve-d'Ascq cedex, France

Abstract

Premixed laminar CH₄/O₂/Ar (Φ=0.69; 1; 1.18) and C₂H₆/O₂/Ar (Φ=1) flat flames have been studied at low-pressure. The experimental results were compared with predictions from a deatiled kinetic mechanism including 65 species involved in 454 reactions. Particular attention was given for the key intermediate species intermédiaires CH₃, CH₂O, C₂H₅, C₂H₄, C₂H₂, C₃H₈ and C₃H₆. In methane flames, the fraction of methyl radicals leading to the C₂ oxidation route is found to be very low. The C₁/C₂ coupling is mainly via CH₃ + CH₃ ↦ C₂H₅ + H reaction and less significantly via CH₃ + CH ↦ C₂H₄ + H₂ and CH₃ + CH ↦ C₂H₆. In an ethane flame, the linkage between the C₂ and C₁ oxidation routes occurs muchmore easily, mainly via C₂H₅ + H ↦ 2 CH₃. However, the reaction of vinyl radicals with molecular oxygen in C₂H₃ + O₂ ↦ CH₂O + HCO contributes significantly to the formation of CH₂O and HCO. Finally, the C₃ chemistry begins with the formation of both C₃H₆ anc C₃H₈ via C₂H₃ + CH ↦ C₃H₆ and C₂H₅ + CH₃ + M ↦ C₃H₈ + M.

Résumé

Des flammes plates prémélangées CH₄/O₂/Ar (Φ=0.69 ; 1 ; 1,18) et C₂H₆/O₂/Ar (Φ=1) ont été étudiées à basse pression. Les résultats expérimentaux sont comparés à ceux obtenus par modélisation à partir d'un mécanisme chimique détaillé comprenant 65 espèces impliquées dans 454 réactions. Les espèces intermédiaires CH₃, CH₂O, C₂H₅, C₂H₄, C₂H₂, C₃H₈ et C₃H₆ ont été étudiées de façon plus approfondie. Dans les flammes de méthane, les radicaux méthyle influencent peu la voie d'oxydation en C₂. Le couplage C₁/C₂ est dû principalement à la réaction CH₃ + CH₃ ↦ C₂H₅ + H, les réactions CH₃ + CH ↦ C₂H₄ + H₂ et CH₃ + CH ↦ C₂H₆ jouant un rôle moins important. Dans la flamme d'éthane, le lien entre les voies d'oxydation en C₂ et C₁ se fait par la réaction C₂H₅ + H ↦ 2 CH₃. Cependant, la réaction des radicaux vinyle avec O₂, C₂H₃ + O₂ ↦ CH₂O + HCO contribue de façon significative à la formation de CH₂O et HCO. Finalement, la voie en C₃ a lieu principalement par formation de C₃H₆ et C₃H₈ selon les réactions C₂H₃ + CH ↦ C₃H₆ et C₂H₅ + CH₃ + M ↦ C₃H₈ + M.