Высококонцентрированная перекись водорода: свойства и применение.

Введение

Высококонцентрированный раствор перекиси водорода. Высокопроцентная перекись водорода (HTP) — это высококонцентрированный (85–98%) раствор перекиси водорода, в котором остальная часть состоит преимущественно из воды. При контакте с катализатором она разлагается на высокотемпературную смесь пара и кислорода, не образуя жидкой воды. Она использовалась в качестве топлива для ракет и торпед на высокопроцентной перекиси водорода, а также для высокопроизводительных корректирующих двигателей.

Свойства

Перекись водорода наиболее эффективно работает в качестве ракетного топлива в чрезвычайно высоких концентрациях (примерно свыше 70%). Хотя любая концентрация перекиси выделяет некоторое количество горячего газа (кислород и пар), при концентрациях выше примерно 67% тепло, выделяющееся при разложении перекиси водорода, становится достаточным для полного испарения всей жидкости при нормальном давлении. Это является критической точкой с точки зрения безопасности и эффективности, поскольку разложение любой концентрации выше этого порога способно полностью превратить жидкость в перегретый газ (чем выше концентрация, тем горячее газ). Эта очень горячая смесь пара и кислорода может быть использована для создания максимальной тяги, мощности или полезной работы, однако это также значительно повышает опасность взрывного разложения вещества. Поэтому стандартные концентрации ракетного топлива обычно варьируются от 70 до 98%, наиболее распространенными являются 70, 85, 90 и 98%. Изменение объема перекиси при замерзании зависит от процентного содержания. Перекись низких концентраций (45% и ниже) расширяется при замерзании, а перекись высоких концентраций (65% и выше) сжимается. Перекись водорода становится более стабильной с увеличением содержания перекиси. Например, 98% перекись водорода стабильнее, чем 70% перекись водорода. Вода выступает в роли примеси, и чем выше концентрация воды, тем менее стабильна перекись. Срок хранения перекиси зависит от отношения площади поверхности к объему материалов, с которыми она контактирует. Для увеличения срока хранения это отношение следует минимизировать.

Приложения

При использовании с подходящим катализатором, HTP может использоваться в качестве монопропеллента или с отдельным топливом в качестве бипропеллента. HTP использовался безопасно и успешно во многих областях применения, начиная с немецкого использования во время Второй мировой войны и продолжая по сей день. Во время Второй мировой войны высокотестовый пероксид использовался в качестве окислителя в некоторых немецких двухкомпонентных ракетных конструкциях, таких как ракетный двигатель Walter HWK 509A, который приводил в действие истребитель-перехватчик Messerschmitt Me 163 в конце Второй мировой войны, составляя 80% стандартизированной смеси T Stoff, а также в немецкой подводной лодке типа XVII. К значительным программам в Соединенных Штатах относятся реактивные рулевые двигатели программы X-15 и ракетный пояс Белла. NASA Lunar Lander Research Vehicle использовал его для создания ракетной тяги, имитируя лунный посадочный модуль. Королевский флот экспериментировал с HTP в качестве окислителя в экспериментальных высокоскоростных торпедных/учебных подводных лодках в период с 1958 по 1969 год. Первая российская торпеда на HTP имела строго функциональное название 53-57, где 53 обозначает диаметр торпедного аппарата в сантиметрах, а 57 – год ее принятия на вооружение. Подстегиваемые конкуренцией времен Холодной войны, они заказали разработку более крупной торпеды на HTP, предназначенной для запуска из 65-сантиметровых торпедных аппаратов. 12 августа 2000 года торпеда Типа 65, содержащая HTP, взорвалась на борту и затонула вместе с подводной лодкой К-141 «Курск». Британские эксперименты с использованием HTP в качестве топлива для торпед были прекращены после пожара, вызванного пероксидом, в результате которого подводная лодка была потеряна в 1956 году. Британские эксперименты с HTP продолжились в области ракетных исследований и завершились созданием ракет-носителей Black Arrow в 1971 году. Ракеты Black Arrow успешно вывели спутник Prospero X-3 на орбиту с космодрома Вумера (Южная Австралия), используя HTP и керосин. Ракета British Blue Steel, устанавливаемая на бомбардировщики Vulcan и Victor в 1960-х годах, производилась компанией AVRO. Она использовала 85% концентрацию HTP. Для воспламенения двухкамерной ракеты Stentor HTP пропускался через каталитический экран. Затем в обе камеры впрыскивался керосин, создавая тягу в 20 000 и 5 000 фунтов соответственно. Большая камера предназначалась для набора высоты и ускорения, а меньшая – для поддержания крейсерской скорости. Дальность полета ракеты составляла 100 морских миль при запуске с большой высоты и около 50 морских миль при запуске с низкого уровня (от 500 до 1000 футов). Ее скорость достигала примерно Маха 2.0. После запуска с большой высоты ракета поднималась на высоту от 70 000 до 80 000 футов. При запуске с низкого уровня она поднималась только до 40 000 футов, но ее скорость все равно составляла около Маха 2.0.

When used with a suitable catalyst, HTP can be used as a monopropellant, or with a separate fuel as a bipropellant. HTP has been used safely and successfully in many applications, beginning with German usage during World War II, and continues to the present day. During World War II, high test peroxide was used as an oxidizer in some German bipropellant rocket designs, such as the Walter HWK 509A rocket engine that powered the Messerschmitt Me 163 point defense interceptor fighter late in World War II, comprising 80% of the standardized mixture T Stoff, and also in the German Type XVII submarine. Some significant United States programs include the reaction control thrusters on the X 15 program, and the Bell Rocket Belt. The NASA Lunar Lander Research Vehicle used it for rocket thrust to simulate a lunar lander. The Royal Navy experimented with HTP as the oxidiser in the experimental high speed target/training submarines and between 1958 and 1969. The first Russian HTP torpedo was known by the strictly functional name of 53 57, the 53 referring to the diameter in centimeters of the torpedo tube, the 57 to the year it was introduced. Driven by the Cold War competition, they ordered the development of a larger HTP torpedo, to be fired from the 65 centimeter (26 inch) tubes. HTP in one of these Type 65 torpedoes on August 12, 2000 exploded on board and sank the K 141 Kursk submarine. British experiments with HTP as a torpedo fuel were discontinued after a peroxide fire resulted in the loss of the submarine in 1956. British experimentation with HTP continued in rocketry research, ending with the Black Arrow launch vehicles in 1971. Black Arrow rockets successfully launched the Prospero X 3 satellite from Woomera, South Australia using HTP and kerosene fuel. The British Blue Steel missile, attached to Vulcan and Victor bombers, in the 1960s, was produced by AVRO. It used 85% concentration of HTP. To light the twin chamber Stentor rocket, HTP passed through a catalyst screen. Kerosene was then injected into the two chambers to produce 20,000 pounds and 5,000 pounds of thrust each. The larger chamber was for climbing and accelerating, while the small chamber was to maintain cruise speed. The missile had a range of 100 nautical miles when launched at high altitude and about 50 nautical miles launched at low level (500 to 1000 feet). Its speed was about Mach 2.0. After a high altitude launch it would climb to 70,000 to 80,000 feet. From a low level launch, it would climb to only 40,000 feet but its speed would still be around Mach 2.0

При концентрации 82% он по-прежнему используется в российской ракете «Союз» для привода турбонасосов на ускорителях и на орбитальном блоке. Ракета Blue Flame установила мировой рекорд скорости на суше 23 октября 1970 года, используя комбинацию высокотестового пероксида и сжиженного природного газа (СПГ), находящегося под давлением гелия. Перекись водорода используется в современных военных системах и в многочисленных программах исследований и разработок в области обороны и аэрокосмической промышленности. Многие частные ракетные компании используют перекись водорода, такие как Blue Origin и прекратившая свое существование Armadillo Aerospace, а некоторые любительские группы выразили заинтересованность в самостоятельном производстве перекиси как для собственного использования, так и для продажи небольшими партиями другим. HTP используется в суборбитальных ракетах ILR 33 AMBER и Nucleus. HTP планировалось использовать в попытке побить рекорд скорости на суше с автомобилем Bloodhound SSC, целью которой было достижение скорости свыше HTP должен был быть окислителем для гибридной ракеты, реагирующим с твердым топливом – гидроксил-терминированным полибутадиеном. Проект был приостановлен из-за пандемии COVID-19 и отсутствия финансирования.

Доступность

Доступными поставщиками перекиси водорода высокой концентрации, пригодной для использования в качестве ракетного топлива, являются, как правило, крупные коммерческие компании, производящие различные марки перекиси водорода, включая Solvay Interox, PeroxyChem (ранее FMC Global Peroxygens, подразделение FMC Corporation) и Evonik. XL Space Systems повышает концентрацию технической перекиси водорода до уровня HTP. Другие компании, которые в последнее время производили перекись водорода ракетного качества, включают Air Liquide и DuPont. DuPont недавно продала свой бизнес по производству перекиси водорода компании Evonik. Высококонцентрированный HTP предлагается Łukasiewicz Research Network – Institute of Aviation с концентрациями до 99,99% и Jakusz SpaceTech с концентрациями 85–98%. WEPA Technologies может поставлять как сам HTP, так и полностью автоматические установки, способные производить HTP круглосуточно и без выходных в диапазоне концентраций от 90 до 99,5%. Установки используют контейнерную технологию монтажа и могут быть возведены в любой точке мира (производительность: 25–1500 кг/день). Перекись водорода ракетного качества доступна квалифицированным покупателям. Как правило, этот химикат продается только компаниям или государственным учреждениям, обладающим возможностями для безопасной обработки и использования материала. Неспециалисты приобретают перекись водорода с концентрацией 70% или ниже (остальные 30% – это вода с незначительными примесями и стабилизирующими добавками, такими как соли олова, фосфаты, нитраты и другие химические вещества) и самостоятельно повышают ее концентрацию. Дистилляция перекиси водорода крайне опасна; пар перекиси не воспламеняется, но выделяющийся кислород может воспламенить любой материал, с которым он контактирует, детонация возможна в зависимости от конкретных сочетаний температуры и давления. Детонация является результатом быстрого реактивного испарения жидкости, приводящего к резкому повышению температуры и давления и, как следствие, к разрушению емкости. В целом, любая кипящая масса высококонцентрированной перекиси водорода при атмосферном давлении образует паровую фазу перекиси водорода, которая может детонировать. Эта опасность снижается, но не устраняется при вакуумной дистилляции. Другими методами повышения концентрации перекиси водорода являются продувка и фракционная кристаллизация. Перекись водорода в концентрации 35% и выше включена в список химических веществ, представляющих интерес для Министерства внутренней безопасности США.

The available suppliers of high concentration propellant grade hydrogen peroxide are, in general, one of the large commercial companies that make other grades of hydrogen peroxide, including Solvay Interox, PeroxyChem (formerly FMC Global Peroxygens, a division of FMC Corporation), and Evonik. X L Space Systems upgrades technical grade hydrogen peroxide to HTP. Other companies that have made propellant grade hydrogen peroxide in the recent past include Air Liquide and DuPont. DuPont recently sold its hydrogen peroxide manufacturing business to Evonik. High concentration HTP is offered by the Łukasiewicz Research Network Institute of Aviation, with concentrations up to 99.99%, and Jakusz SpaceTech, with concentrations of 85 98%. WEPA Technologies can deliver both HTP itself as well as fully automatic plants capable to produce on a 24/7 basis HTP within a concentration range between 90 – 99,5 %. The plants are using a containerized setup methodology and can be erected worldwide (capacity: 25 – 1500 kg / day). Propellant grade hydrogen peroxide is available to qualified buyers. In typical circumstances, this chemical is sold only to companies or government institutions that have the ability to properly handle and utilize the material. Non professionals have purchased hydrogen peroxide of 70% or lower concentration (the remaining 30% is water with traces of impurities and stabilizing materials, such as tin salts, phosphates, nitrates, and other chemical additives), and increased its concentration themselves. Distillation is extremely dangerous with hydrogen peroxide; peroxide vapor can not ignite but the released oxygen can ignite any material that it is in contact with, detonation is possible depending on specific combinations of temperature and pressure, the detonation is the result of rapid reactive evaporation of the liquid resulting in high temperature and pressure resulting in a violent rupture of the containing vessel. In general, any boiling mass of high concentration hydrogen peroxide at ambient pressure will produce vapor phase hydrogen peroxide, which can detonate. This hazard is mitigated, but not eliminated, with vacuum distillation. Other approaches for concentrating hydrogen peroxide are sparging and fractional crystallization. Hydrogen peroxide in concentrations of at least 35% appear on the US Department of Homeland Security's Chemicals of Interest list.

Безопасность

Поскольку многие распространенные вещества катализируют экзотермическое разложение пероксида на водяной пар и кислород, обращение с HTP требует особой осторожности и специального оборудования. Следует отметить, что обычные материалы, такие как железо и медь, несовместимы с пероксидом, однако реакция может быть замедлена на секунды или минуты, в зависимости от марки используемого пероксида. Небольшие разливы перекиси водорода легко устраняются путем затопления загрязненной области водой. Это не только охлаждает реагирующий пероксид, но и тщательно его разбавляет. Поэтому на объектах, где используется перекись водорода, часто устанавливают аварийные души, а также обеспечивают наличие шлангов и персонала, ответственного за безопасность. При контакте с кожей наблюдается немедленное побеление из-за выделения кислорода под кожей. Без немедленного смывания в течение нескольких секунд возникают обширные ожоги. Попадание в глаза может привести к слепоте, поэтому обычно используют средства защиты глаз. Катастрофа подводной лодки "Курск" была вызвана случайным выбросом HTP в торпеде, который вступил в реакцию с топливом торпеды.