Proposta e avaliação do mecanismo de reação para a mistura bipropelente hipergólica N2H4/NO2

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Cruz, Tamires de Almeida
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFRRJ
Texto Completo: https://rima.ufrrj.br/jspui/handle/20.500.14407/15762
Resumo: Apesar de a mistura bipropelente hipergólica hidrazina/dióxido de nitrogênio (N2H4/NO2) ser muito utilizada como combustível pelo setor aeroespacial, muitos de seus parâmetros cinéticos e termodinâmicos ainda são desconhecidos, devido ao grande interesse político e militar envolvido. Alguns modelos cinéticos do mecanismo de combustão dessa mistura vêm sendo propostos ao longo das últimas décadas, mas ainda encontra-se grande dificuldade de acesso a alguns dados. Neste trabalho foi feita uma extensa pesquisa bibliográfica para compilar todas as informações cinéticas e termodinâmicas disponíveis a fim de construir um modelo detalhado. Parâmetros termodinâmicos para as espécies químicas c-N2H2, t-N2H2, H2NN, N2H3NO, N2H3NO2, N2H3O, N2H3ONO, N2O4 e t-N2O4 foram calculados através de cálculos de otimização de geometria e frequências vibracionais em nível CCSD(T)/aug-cc-pVTZ//M06-2x/aug-cc-pVTZ e cálculos de funções de partição translacional, rotacional, vibracional e eletrônica e das propriedades termodinâmicas na faixa de temperatura de 300 – 5000K. Uma validação do programa e do método foi feita comparando-se os resultados da espécie N2O4 com os disponíveis nos bancos termodinâmicos da NASA, onde se obteve excelente concordância. Também foram feitas estimativas dos parâmetros cinéticos ausentes na literatura, utilizando-se a Teoria do Funcional da Densidade (M06-2x/aug-cc-pVTZ) para a otimização das geometrias e para os cálculos das frequências vibracionais de reagentes e produtos. Os coeficientes de velocidade das reações N2H3ONO⇆N2H3+NO2; N2H3+NO2⇆N2H3ONO; N2H3ONO⇆N2H3O+NO, N2H3O+NO ⇆ N2H3ONO e N2H3+NO2⇆N2H3O+NO foram calculados e são, respectivamente, k(T)=2.5780x1015exp(22,2067/RT); k(T)=4.2983x10-21T2.4891exp(-0,5415/RT); k(T)=7,60x1012T0,8708exp(-15744/RT), k(T)= 4.1542x10-16 T 0.9894 exp(-1,5421/RT) e k(T)=2,61x104xT2,16exp(-785/RT). Para a solução do sistema de equações ordinárias provenientes do mecanismo, utilizou-se o software Kintecus. O mecanismo proposto por este trabalho conta com 202 reações reversíveis e 37 espécies. Foram realizadas cinco etapas para a validação deste mecanismo: avaliação da combustão de hidrogênio, da pirólise e da combustão da amônia, da pirólise da hidrazina e da ignição da mistura hipergólica N2H4/NO2. A análise de velocidades também foi realizada. Todas as etapas de validação apresentaram boa concordância com os trabalhos experimentais usados como referências. Atenta-se para a etapa de validação da combustão da amônia, que apresentou bons resultados para a pressão de 11 atm em todas as razões de equivalência (0,5; 1,0 e 2,0) e observou-se que o aumento da razão de equivalência melhorou o acordo para todas as condições de pressão (1,4; 11 e 30 atm). Sendo assim, o melhor resultado obtido nesta etapa foi em ϕ = 2,0. Dessa forma, conclui-se que o modelo tem um potencial enorme de descrever todas as etapas reacionais do mecanismo de combustão da hidrazina, pois responde bem aos dados experimentais disponíveis na literatura.
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spelling Cruz, Tamires de AlmeidaBauerfeldt, Glauco Favilla069.023.487-23-Bauerfeldt, Glauco Favilla069.023.487-23-Meleiro, Luiz Augusto da Cruzhttps://orcid.org/0000-0002-8019-4460http://lattes.cnpq.br/0883486364645272Faria, Roberto de Barroshttp://lattes.cnpq.br/6310881885990978148.525.457-40-2024-01-17T14:06:23Z2024-01-17T14:06:23Z2021-02-04CRUZ, Tamires de Almeida. Proposta e avaliação do mecanismo de reação para a mistura bipropelente hipergólica N2H4/NO2. 2021. 87 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química). Instituto de Tecnologia, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, RJ, 2021.https://rima.ufrrj.br/jspui/handle/20.500.14407/15762Apesar de a mistura bipropelente hipergólica hidrazina/dióxido de nitrogênio (N2H4/NO2) ser muito utilizada como combustível pelo setor aeroespacial, muitos de seus parâmetros cinéticos e termodinâmicos ainda são desconhecidos, devido ao grande interesse político e militar envolvido. Alguns modelos cinéticos do mecanismo de combustão dessa mistura vêm sendo propostos ao longo das últimas décadas, mas ainda encontra-se grande dificuldade de acesso a alguns dados. Neste trabalho foi feita uma extensa pesquisa bibliográfica para compilar todas as informações cinéticas e termodinâmicas disponíveis a fim de construir um modelo detalhado. Parâmetros termodinâmicos para as espécies químicas c-N2H2, t-N2H2, H2NN, N2H3NO, N2H3NO2, N2H3O, N2H3ONO, N2O4 e t-N2O4 foram calculados através de cálculos de otimização de geometria e frequências vibracionais em nível CCSD(T)/aug-cc-pVTZ//M06-2x/aug-cc-pVTZ e cálculos de funções de partição translacional, rotacional, vibracional e eletrônica e das propriedades termodinâmicas na faixa de temperatura de 300 – 5000K. Uma validação do programa e do método foi feita comparando-se os resultados da espécie N2O4 com os disponíveis nos bancos termodinâmicos da NASA, onde se obteve excelente concordância. Também foram feitas estimativas dos parâmetros cinéticos ausentes na literatura, utilizando-se a Teoria do Funcional da Densidade (M06-2x/aug-cc-pVTZ) para a otimização das geometrias e para os cálculos das frequências vibracionais de reagentes e produtos. Os coeficientes de velocidade das reações N2H3ONO⇆N2H3+NO2; N2H3+NO2⇆N2H3ONO; N2H3ONO⇆N2H3O+NO, N2H3O+NO ⇆ N2H3ONO e N2H3+NO2⇆N2H3O+NO foram calculados e são, respectivamente, k(T)=2.5780x1015exp(22,2067/RT); k(T)=4.2983x10-21T2.4891exp(-0,5415/RT); k(T)=7,60x1012T0,8708exp(-15744/RT), k(T)= 4.1542x10-16 T 0.9894 exp(-1,5421/RT) e k(T)=2,61x104xT2,16exp(-785/RT). Para a solução do sistema de equações ordinárias provenientes do mecanismo, utilizou-se o software Kintecus. O mecanismo proposto por este trabalho conta com 202 reações reversíveis e 37 espécies. Foram realizadas cinco etapas para a validação deste mecanismo: avaliação da combustão de hidrogênio, da pirólise e da combustão da amônia, da pirólise da hidrazina e da ignição da mistura hipergólica N2H4/NO2. A análise de velocidades também foi realizada. Todas as etapas de validação apresentaram boa concordância com os trabalhos experimentais usados como referências. Atenta-se para a etapa de validação da combustão da amônia, que apresentou bons resultados para a pressão de 11 atm em todas as razões de equivalência (0,5; 1,0 e 2,0) e observou-se que o aumento da razão de equivalência melhorou o acordo para todas as condições de pressão (1,4; 11 e 30 atm). Sendo assim, o melhor resultado obtido nesta etapa foi em ϕ = 2,0. Dessa forma, conclui-se que o modelo tem um potencial enorme de descrever todas as etapas reacionais do mecanismo de combustão da hidrazina, pois responde bem aos dados experimentais disponíveis na literatura.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESEven though the hypergolic bipropellant mixture hydrazine/nitrogen dioxide (N2H4/NO2) is widely used as a fuel by the aerospace sector, many of its kinetic and thermodynamic parameters are still unknown, due to the great political and military interest. Some kinetic models for the combustion of this mixture have been proposed over the past decades, but there is still great difficulty in accessing some data. In this work, an extensive bibliographic research was done to compile all the kinetic and thermodynamic information available in order to build a detailed model. Thermodynamic parameters for the chemical species c-N2H2, t-N2H2, H2NN, N2H3NO, N2H3NO2, N2H3O, N2H3ONO, N2O4 and t-N2O4 were determined from geometry optimization and vibrational frequencies calculations at the CCSD(T)/aug-cc-pVTZ//M06-2x/aug-cc-pVTZ level and calculations of translational, rotational, vibrational and electronic partition functions and thermodynamic properties in the temperature range 300 – 5000K. A validation of the program and the method was performed by comparing the results of the N2O4 species with those available in NASA’s thermodynamic database, in which excellent agreement was obtained. Estimates of the kinetic parameters not available in the literature were also carried out, using the Density Functional Theory (M06-2x/aug-cc-pVTZ) to optimize geometries and to calculate the vibrational frequencies of reagents and products. The rate coefficients for reactions N2H3ONO⇆N2H3+NO2; N2H3+NO2⇆N2H3ONO; N2H3ONO⇆N2H3O+NO, N2H3O+NO⇆N2H3ONO e N2H3+NO2⇆N2H3O+NO were calculated and are, respectively, k = 2.5780x1015 exp (-22,2067/RT); k = 4.2983x10-21 T2.4891exp (-0,5415/RT); k11(T)=7,60x1012 T0,8708 exp (-15744/RT); k = 4.1542x10-16 T 0.9894 exp (-1,5421/RT) and k(T)=2,61 x 104 x T2,16 exp(-785/RT). For the solution of the system of ordinary equations derived from the mechanism, the Kintecus software was used. The mechanism proposed in this work has 202 reversible reactions and 37 species. Five steps were taken to validate this mechanism: evaluation of hydrogen combustion, pyrolysis and combustion of ammonia, pyrolysis of hydrazine and ignition of the N2H4/NO2 hypergolic mixture. Rate analysis was also performed. All validation steps showed good agreement with the experimental works used as references. Attention is paid to the stage of validation of ammonia combustion, which showed good results for the pressure of 11 atm in all equivalence ratios (0.5, 1.0 and 2.0) and it was observed that the increase in equivalence ratio improved the agreement for all pressure conditions (1.4, 11 and 30 atm). Therefore, the best result obtained in this step was ϕ = 2.0 Thus, it is concluded that the model has a large potential to embrace all the reaction steps of the hydrazine combustion mechanism, as it responds well to the experimental data available in the literature.porUniversidade Federal Rural do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em AdministraçãoUFRRJBrasilInstituto de TecnologiaEngenharia QuímicaAmôniaHidrazinaCombustão HipergólicaMecanismo CinéticoAmmoniaHydrazineHypergolic CombustionKinetic MechanismProposta e avaliação do mecanismo de reação para a mistura bipropelente hipergólica N2H4/NO2Proposal and evaluation of the reaction mechanism for the hypergolic bipropellant mixture N2H4 / NO2.info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisAEB. Agência Espacial Brasileira. Disponível em: <https://www.gov.br/aeb/pt-br>. AK, M. A. et al. An experimental study on the hypergolic ignition of hydrogen peroxide and ethanolamine. 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description Apesar de a mistura bipropelente hipergólica hidrazina/dióxido de nitrogênio (N2H4/NO2) ser muito utilizada como combustível pelo setor aeroespacial, muitos de seus parâmetros cinéticos e termodinâmicos ainda são desconhecidos, devido ao grande interesse político e militar envolvido. Alguns modelos cinéticos do mecanismo de combustão dessa mistura vêm sendo propostos ao longo das últimas décadas, mas ainda encontra-se grande dificuldade de acesso a alguns dados. Neste trabalho foi feita uma extensa pesquisa bibliográfica para compilar todas as informações cinéticas e termodinâmicas disponíveis a fim de construir um modelo detalhado. Parâmetros termodinâmicos para as espécies químicas c-N2H2, t-N2H2, H2NN, N2H3NO, N2H3NO2, N2H3O, N2H3ONO, N2O4 e t-N2O4 foram calculados através de cálculos de otimização de geometria e frequências vibracionais em nível CCSD(T)/aug-cc-pVTZ//M06-2x/aug-cc-pVTZ e cálculos de funções de partição translacional, rotacional, vibracional e eletrônica e das propriedades termodinâmicas na faixa de temperatura de 300 – 5000K. Uma validação do programa e do método foi feita comparando-se os resultados da espécie N2O4 com os disponíveis nos bancos termodinâmicos da NASA, onde se obteve excelente concordância. Também foram feitas estimativas dos parâmetros cinéticos ausentes na literatura, utilizando-se a Teoria do Funcional da Densidade (M06-2x/aug-cc-pVTZ) para a otimização das geometrias e para os cálculos das frequências vibracionais de reagentes e produtos. Os coeficientes de velocidade das reações N2H3ONO⇆N2H3+NO2; N2H3+NO2⇆N2H3ONO; N2H3ONO⇆N2H3O+NO, N2H3O+NO ⇆ N2H3ONO e N2H3+NO2⇆N2H3O+NO foram calculados e são, respectivamente, k(T)=2.5780x1015exp(22,2067/RT); k(T)=4.2983x10-21T2.4891exp(-0,5415/RT); k(T)=7,60x1012T0,8708exp(-15744/RT), k(T)= 4.1542x10-16 T 0.9894 exp(-1,5421/RT) e k(T)=2,61x104xT2,16exp(-785/RT). Para a solução do sistema de equações ordinárias provenientes do mecanismo, utilizou-se o software Kintecus. O mecanismo proposto por este trabalho conta com 202 reações reversíveis e 37 espécies. Foram realizadas cinco etapas para a validação deste mecanismo: avaliação da combustão de hidrogênio, da pirólise e da combustão da amônia, da pirólise da hidrazina e da ignição da mistura hipergólica N2H4/NO2. A análise de velocidades também foi realizada. Todas as etapas de validação apresentaram boa concordância com os trabalhos experimentais usados como referências. Atenta-se para a etapa de validação da combustão da amônia, que apresentou bons resultados para a pressão de 11 atm em todas as razões de equivalência (0,5; 1,0 e 2,0) e observou-se que o aumento da razão de equivalência melhorou o acordo para todas as condições de pressão (1,4; 11 e 30 atm). Sendo assim, o melhor resultado obtido nesta etapa foi em ϕ = 2,0. Dessa forma, conclui-se que o modelo tem um potencial enorme de descrever todas as etapas reacionais do mecanismo de combustão da hidrazina, pois responde bem aos dados experimentais disponíveis na literatura.
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