Thermal Decomposition Mechanism of Aqueous Hydroxylammonium Nitrate (HAN): Molecular Simulation and Kinetic Modeling

动能 热分解 水溶液 分解 机制(生物学) 硝酸盐 化学 材料科学 物理化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Kaiqiang Zhang,Stefan T. Thynell
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:122 (41): 8086-8100 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.8b05351
摘要

A detailed mechanism has been developed for thermal decomposition of hydroxylammonium nitrate (HAN) solutions, based on quantum mechanical calculations using the SMD-ωB97X-D method. The mechanism describes multiple kinetic processes, including nitration and nitrosation of hydroxylamine, HNO dimerization, and HONO-regeneration pathways involving H-abstraction reactions. Rate constants of elementary reactions were estimated using transition state theory with consideration of species' diffusion effect. Kinetic modeling was performed to predict species' evolutions in 0.1 m HAN in the temperature range of 463–523 K, and results show reasonable agreement with the experimental data from flow reactor studies. For more concentrated solutions, strong autocatalytic behaviors were predicted with the late emergence of NO2 and HONO, whose regeneration was previously considered as the major autocatalytic pathway. Sensitivity analysis results suggest an acid-catalyzed nitration–nitrosation pathway, based on which the autocatalysis should be caused by the rise of solution acidity. A linear correlation can be observed in the previously reported apparent Arrhenius parameters, which may be reconciled via a kinetic compensation effect.
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