Research on Thermal Decomposition of 98%+ Hydrogen Peroxide of HTP Class

Łukasz Mężyk , Zbigniew Gut , Piotr Wolański , Grzegorz Rarata

Abstract

Highly concentrated hydrogen peroxide – known as HTP (High Test Peroxide, or RGHP - Rocket Grade Hydrogen Peroxide) – is considered as a possible alternative solution to the widely used hydrazine for satellite propulsion application. The HTP decomposition process is strongly exothermic and self-accelerating if heat is not efficiently dissipated. During the process a mixture of steam and oxygen is produced at a temperature that depends on the initial concentration of peroxide (ab. 1100 K for 95%). The high increase in temperature and volume exhibited (c. 4500 times for the highest concentrations) means that products of decomposition of HTP have many potential applications, e.g., for monopropellant or hybrid rocket thrusters. In many cases, the key issues are initiation and a rapid, effective and stable decomposition process. It can be started catalytically or thermally. During the decomposition process the catalyst material absorbs some heat and lowers the dynamics and performances of the process. Additionally, the lifetime of the catalyst bed is affected by two main factors: the catalyst’s susceptibility to melting in the high temperature of the process and poisoning of the bed by HTP stabilizers, both of which have cost implications. As catalytic decomposition is generally well understood, this paper deals with thermal decomposition of HTP. Research was focused on understanding the mechanisms of decomposition and influence of initial conditions and the flow regime on the dynamics of the process. For this purpose a research stand was built. The stand was based on a small chamber made of stainless steel and then passivated prior to use with concentrated hydrogen peroxide. It was equipped with thermocouples, pressure transducer and safety valve. The IR camera was used to measure the temperature of the research facility for safety reasons. In the initial phase of the research simple resistance wire was used as a heating element, but a few configurations were examined. Basic parameters such as initiation temperature in the isothermal mixture of HTP, initiation temperature from hot surface, minimum initiation energy and also the temperature of products of decomposition are presented as the project results. This paper presents the initial phase of research on thermal decomposition of highly concentrated hydrogen peroxide.
Author Łukasz Mężyk ITC
Łukasz Mężyk,,
- The Institute of Heat Engineering
, Zbigniew Gut ITC
Zbigniew Gut,,
- The Institute of Heat Engineering
, Piotr Wolański ITC
Piotr Wolański,,
- The Institute of Heat Engineering
, Grzegorz Rarata
Grzegorz Rarata,,
-
Journal seriesJournal of Power Technologies, ISSN 2083-4187, e-ISSN 2083-4195
Issue year2016
Vol96
No5
Pages321-327
Publication size in sheets0.5
Keywords in Polishwymiana ciepła, nadtlenek wodoru, rozkład termiczny
Keywords in Englishheat transfer, hydrogen peroxide, thermal decomposition
Abstract in PolishWysoko skoncentrowany nadtlenek wodoru H2O2 – znany jako http (High Test Peroxide) lub RGHP (Rocket Grade Hydrogen Peroxide) rozważany jest jako materiał pędny do zastosowania w napędach satelitarnych, który miałby zastąpić szeroko stosowaną obecnie hydrazynę. Rozkład HTP jest procesem silnie egzotermicznym i samo przyspieszającym jeżeli ciepło nie zostanie odebrane od strefy reakcji. Podczas rozkładu powstaje mieszanina pary wodnej i tlenu o wysokiej temperaturze zależnej od stężenia nadtlenku wodoru (ok. 1100 K dla stężenia 95%). Duży przyrost temperatury i objętości pozwala przypisać procesowi rozkładu H2O2 znaczny potencjał w wielu zastosowaniach np. satelitarnych silnikach korekcyjnych zasilanych jednoskładnikowym lub hybrydowym materiałem pędnym. W wielu przypadkach krytycznym czynnikiem z punktu widzenia potencjalnego zastosowania jest niezawodna inicjacja procesu a także jego szybki, stabilny i efektywny przebieg. Pod rozwagę mogą zostać wzięte dwa sposoby inicjacji rozkładu – katalityczny oraz termiczny. W początkowej fazie rozkładu katalitycznego, materiał łoża może absorbować znaczną ilość ciepła co prowadzi do spadku dynamiki procesu. Dodatkowo żywotność katalizatora może być ograniczona przez dwa czynniki: podatność na uszkodzenia mechaniczne w wysokich temperaturach (topnienie) oraz zatrucie katalizatora przez zanieczyszczenia lub stabilizatory nadtlenku – oba czynniki implikują dodatkowe koszty. Rozkład katalityczny jest dosyć dobrze poznany i można znaleźć wiele prac i ośrodków badawczych zajmujących się tym problemem. Poniższy artykuł skupia się więc na termicznym rozkładzie HTP. Badania skupiają się na zrozumieniu mechanizmu rozkładu a także na wpływie warunków początkowych oraz przepływowych na dynamikę procesu. Do badań zbudowane zostało stanowisko pomiarowe oparte na niewielkiej komorze dekompozycyjnej wykonanej ze stali kwasoodpornej poddanej chemicznej pasywacji. Wyposażona ona została w termopary, czujniki ciśnienia oraz zawór bezpieczeństwa. Wykonano również pomiary temperatury zewnętrznych ścianek komory przy użyciu kamery termowizyjnej. W początkowej fazie badań do celów podgrzewania HTP użyto grzałki opartej na drucie oporowym w różnych konfiguracjach. Pomierzono podstawowe parametry takie jak temperatura inicjacji rozkładu mieszaniny izotermicznej, temperatura inicjacji od gorącej ścianki, a także temperatura produktów rozkładu. W pracy zaprezentowano wyniki pochodzące z początkowej fazy projektu, który wciąż jest kontynuowany a badania nad innymi konfiguracjami trwają
Languageen angielski
Score (nominal)12
ScoreMinisterial score [Punktacja MNiSW] = 12.0, 28-11-2017, ArticleFromJournal
Ministerial score (2013-2016) [Punktacja MNiSW (2013-2016)] = 12.0, 28-11-2017, ArticleFromJournal
Citation count*0
Cite
Share Share

Get link to the record
msginfo.png


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back