Experimental and Kinetics Studies of Nitric Oxide Interactions with Methane, Ethylene, and Ethane Using Laser Absorption Spectroscopy. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis 2026 L3.pdf Restricted to Repository staff only until 14 May 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

تُعدّ تفاعلات الهيدروكربونات مع أكاسيد النيتروجين (NOx) من الموضوعات ذات الأهمية البالغة في أنظمة الاحتراق، ولا سيما في سياق استراتيجيات الحد من الانبعاثات، مثل إعادة تدوير غازات العادم وإعادة الاحتراق. وعلى الرغم من ذلك، لا تزال آليتات الإحتراق التي تحكم التفاعلات المباشرة بين الهيدروكربونات وأكسيد النيتريك (NO) في الأوساط الخالية من الأكسجين غير مفهومة بصورة كافية، الأمر الذي أدى إلى وجود قدرٍ من عدم اليقين في آليتات الإحتراق التفصيلية المعتمدة حاليًا. تهدف هذه الرسالة إلى إجراء دراسة منهجية تجمع بين الجانبين التجريبي والحركي لتفاعلات كل من الميثان (CH4) والإيثيلين (C2H4) والإيثان (C2H6) مع أكسيد النيتريك (NO) خلف موجات الصدمة المنعكسة. وقد أُجريت التجارب باستخدام مخاليط مخففة بدرجة عالية من الوقود و NO في غاز الأرجون، وذلك ضمن مدى واسع من درجات الحرارة وعند ضغوط قريبة من الضغط الجوي. كما تم قياس التاريخ الزمني لتكوّن أول أكسيد الكربون (CO) باستخدام مطيافية الامتصاص بليزر الشلال الكمومي عند طول موجي قدره 4.85 ميكرومتر، من خلال رصد الانتقال P(20) قرب العدد الموجي 2059.91 سم-1، مما أتاح وسيلة تشخيصية عالية الحساسية لمتابعة تطور التفاعل الكيميائي. وقد جرى تحليل البيانات التجريبية ومقارنتها بعدد من أليات الإحتراق الحديثة، حيث أظهرت النتائج وجود فروق جوهرية بين القيم المقاسة وتنبؤات تلك الآليات فيما يتعلق بتكوّن أول أكسيد الكربون في جميع أنظمة الوقود المدروسة. كما بينت التحليلات الحركية والحساسية أن الكيمياء المتحكمة في التفاعل تعتمد اعتمادًا كبيرًا على نوع الوقود المستخدم. ففي نظامي CH4/NO وC2H6/NO، تبين أن مسارات تفاعل CH3 + NO هي المسارات المهيمنة، في حين أن تكوّن C2H وتفاعلاته مع NO يمثل العامل الرئيس المتحكم في السلوك العام لنظام C2H4/NO. كذلك أظهرت الدراسة أن إجراء تعديلات على معاملات سرعات بعض التفاعلات الرئيسة، استنادًا إلى ما ورد في الأدبيات العلمية، قد أسهم في تحسين مستوى التوافق بين نتائج المحاكاة والبيانات التجريبية. ويمثل هذا العمل أول مجموعة بيانات شاملة مستمدة من أنبوب الصدمة بشأن التفاعلات المباشرة بين الهيدروكربونات و NO في ظروف خالية من الأكسجين. وتقدّم هذه النتائج فهمًا أعمق لكيمياء تفاعلات الهيدروكربونات مع NO ، كما توفر قاعدة بيانات جديدة تدعم تطوير آليات إحتراق أكثر دقة لتقنيات الاحتراق منخفضة الانبعاثات في المستقبل.

English Abstract

The interaction between hydrocarbons and nitrogen oxides (NOx) plays a critical role in combustion systems, particularly in low-emission strategies such as exhaust gas recirculation and reburning. However, the fundamental combustion kinetics governing direct hydrocarbon–NO interactions under oxygen-free conditions remains insufficiently understood, leading to persistent uncertainties in the current detailed kinetic mechanisms. This thesis presents a systematic experimental and kinetic investigation of methane (CH4), ethylene (C2H4), and ethane (C2H6) interacting with nitric oxide (NO) behind reflected shock waves. Experiments were conducted using highly diluted fuel/NO mixtures in argon over wide temperature ranges at near-atmospheric pressure. Time-resolved carbon monoxide (CO) time histories were measured using quantum cascade laser (4.85 µm) absorption spectroscopy by probing the P(20) transition near 2059.91 cm-1, providing a sensitive diagnostic of reaction progress. The experimental data were compared with several recent kinetic mechanisms, revealing significant discrepancies in predicting CO formation across all fuel systems. Kinetic and sensitivity analyses demonstrated that the controlling chemistry is strongly fuel dependent. For CH4/NO and C2H6/NO systems, CH3 + NO reaction pathways dominate, whereas for the C2H4/NO system, C2H formation and its reactions with NO govern the overall behavior. Targeted modifications to key reaction rate coefficients, based on literature data, improved agreement between simulations and experiments. This work provides the first comprehensive shock-tube dataset for direct hydrocarbon–NO interactions under oxygen-free conditions with time-resolved diagnostics. The findings offer new insights into hydrocarbon–NO chemistry and provide a new dataset that supports the future development of more accurate kinetic mechanisms for low-emission combustion technologies.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Sulaiman Alturaifi,
Thesis Committee Members:	Awad Alquaity, Ali Elkhazraji,
Depositing User:	KHAIR GHUNAIM (g202401360)
Date Deposited:	17 May 2026 06:18
Last Modified:	17 May 2026 06:18
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144298