[AR] Re: RP-1 versus ethanol for a student rocket?

  • From: Henry Vanderbilt <hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Wed, 14 Oct 2020 20:22:50 -0700

It's been twelve years since I bought my last batch of Exxsol D40, so I can't remember the specific vendor.  At the time, I looked around the net for industrial chemicals and solvents vendors, then checked prices till I found the best deal and ordered a few 55 gallon drums.  I have no reason to doubt Doug's recollection that it also could be had in 1 and 5 gallon containers, but at the time we were feeding intensive X-Racer ops so drums it was.  The price was fairly strongly linked to current oil market prices, thus likely on a low swing right now.  I dimly recall price may have been on the very rough order of 2-3X the current $/gallon price of regular gasoline?  It's been 12 years.

Hmm.  And, searching for US Exxsol vendors, I came across Brenntag's US branch https://www.brenntag.com/en-us/products/aliphatic-hydrocarbons/ which rings loud, loud bells.  I'm moderately sure that's where I ordered it from, back in the day.

Henry

On 10/14/2020 12:44 PM, Tyler Adkison wrote:

Interesting. I've done some tests with kerosene in an ablative chamber where we used K1 lamp grade, which was perfectly satisfactory for our application and easy to source from a local hardware store.
I've never heard of Exxsol D40 before. Do you order it directly from the manufacturer? What sort of price does it go for and what are the minimum order quantities?

On Wed, Oct 14, 2020 at 10:29 AM Doug Jones <rocketplumber@xxxxxxxxx <mailto:rocketplumber@xxxxxxxxx>> wrote:

    I also agree that IPA is an excellent fuel for all the reasons
    listed above. We used it in four engine designs, and since I used
    it to clean the kerosene combustion sludge from the Rotary Rocket
    high pressure LOX-cooled kerosene engines I suggested it in 2000
    because I was damn tired of cleaning up sludge. (The LOX cooling
    condensed partial pyrolysis products out of the 2.6:1 O:F main
    combustion remarkably well, resulting in several millimeters of
    undoubtedly carcinogenic black slimy crud. In later
    kerosene-cooled engines the crud didn't occur, but IPA is simply
    MUCH easier to work with.)

    If you must use kerosene, use Exxsol.

    On Wed, Oct 14, 2020 at 5:49 AM Ben Brockert <wikkit@xxxxxxxxx
    <mailto:wikkit@xxxxxxxxx>> wrote:

        Thirding the arguments to use Shellsol/Exssol D40 or isopropyl
        alcohol. I’ve used both and had good results. I’ve also used
        liquid methane, denatured ethanol, and RP-1 and don’t think
        they are as suitable.

        If you add a small percentage (~1%) of PDMS to isopropyl you
        get a similar/better thermal effect to the char layer of
        kerosenes; about 50% reduction in heat flux across the wall.
        Sold as 50cst silicone oil. It’s not soluble in ethanol though.

        In general alcohol rockets are easier (fuel spills are
        forgiving, it purges easier, there’s more volume of fuel for
        coolant, you need it on hand for LOX cleaning anyway) but
        kerosenes are more relevant to future industry work.

        Both work fine in spark torch igniters running off tank
        pressure, which is the most effective way to make a reusable
        rocket engine. And even if the rocket is expendable it’s best
        practice to build the engine to be reusable because you want
        to test it easily. Pyro igniters are a pain in the ass and
        TEA-TEB is a big hurdle for a student or amateur group.

        Both competitors that won prizes in the NASA-funded Lunar
        Lander Challenge a decade ago were running spark torch ignited
        lox/alcohol rockets.

        Ben

        On Wednesday, October 14, 2020, Robert Watzlavick
        <rocket@xxxxxxxxxxxxxx <mailto:rocket@xxxxxxxxxxxxxx>> wrote:

            One thing I will mention is that for a regen engine using
            kerosene-type fuels (kerosene, Jet A, RP-1),  you get a
            benefit from the carbon deposits in the combustion
            chamber.  There are some plots in NASA SP-125 as it acts
            as an insulator and reduces the heat transfer to the
            walls.  Obviously people have made LOX/alcohol work but
            just thought I'd point it out as it could potentially help
            your cooling problem converge, especially at smaller
            thrust levels.  It does make  it harder to clean up
            afterwards as you have to use an abrasive (scotchbrite) to
            clean it off.  Other than the potential for coking in the
            cooling passages on long runs, Jet A, RP-1,  and kerosene
            should be equivalent.  I've never seen any coking in the
            cooling passages for runs < 30 seconds.  However, if I was
            doing a new engine, I would try to make LOX/alcohol work
            before I went with kerosene, just from the cleanup
            factor.  I will say one thing though, you know when you've
            cleaned all the kerosene out as it has a strong smell so
            maybe it's less likely that you'll leave some fuel in a
            place where it shouldn't be.

            -Bob

            On 10/14/20 3:03 AM, roxanna Mason wrote:
            Everything combustible ignites easily in a pure oxygen
            atmosphere and Jet A evaporates surprisingly fast
            compared to standard kerosene or RP-1.
            Ethanol also has a volumetric O/F of unity and easily
            adjusted by biasing the mass O/F and/or water
            concentration, also the least toxic of the common alcohols,
            there are denaturing formulas that are lower
            toxicity than others just shop around. You can get a
            federal permit to make your own ethanol too w/o the
            $28/gallon excise tax. Also has a somewhat pleasant
            sweetish odor especially compared to the doctor's office
            smell of  rubbing isopropyl alcohol, but that is
            subjective. And there's tons of data on LOx/Ethanol
            systems being by far the most used alcohol in history as
            rocket fuel including the V-2 and Redstone ballistic
            rockets, the X-1 LR-11 manned rocket planes etc. See pic
            of a single chamber LR-11 captive test of one metric ton
            thrust, LOx/75% ethanol.
            Again it all depends on your requirements and cooling
            method. Performance wise you can't beat hydrocarbon fuels
            compared to the alcohols.

            K

            On Tue, Oct 13, 2020 at 11:41 PM Wyatt Rehder
            <wyatt.rehder@xxxxxxxxx <mailto:wyatt.rehder@xxxxxxxxx>>
            wrote:

                I've long maintained that Isopropyl Alcohol is the
                ideal propellant for the amateur liquid rocketeer.
                - Has a close to 1:1 volumetric O:F ratio with LOX
                which simplifies your feed system some (can use
                similar tank design for both)
                - Is easy to obtain at 99% without additives for a
                low cost (~$500 for 55 gal last I checked) and no
                regulation issues
                - Has a high vapor pressure and does not leave a
                film. So spills take care of themselves, doesn't
                leave residues in your chamber after you purge it
                - You can perform your LOX service cleaning with it
                - Has a short bio-persistance, as it readily
                biodegrades in soil and water. So regular spills at
                your test stand, or a splattered rocket isn't going
                to contaminate the ground soil unlike how kerosene
                can. Granted this isn't a huge issue at amateur scales.

                - Wyatt

                On Tue, Oct 13, 2020 at 10:01 PM Henry Vanderbilt
                <hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx
                <mailto:hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx>> wrote:

                    Alcohol is easier to source and to work with,
                    yes.  Generally easier to get to ignite reliably
                    and combust stably/efficiently than kerosene,
                    also considerably easier to purge completely from
                    small engine passages between firings too.  If
                    you do go with alcohol, you might consider
                    isopropyl rather than ethanol - it also can be
                    watered down for extra cooling at need, it's
                    generally cheaper, and there are no concerns over
                    what they may have "denatured" it with since it's
                    not drinkable in the first place.

                    One factor to keep in mind in deciding, by the
                    way, is how close to the limits of your team's
                    available time, talent, and resources will your
                    project push?  (Keep in mind the first rule of
                    projects: EVERYTHING takes longer and costs more
                    than planned.) One way to improve the odds your
                    team won't hit a wall short of useful results is
                    to simplify wherever possible at the start.

                    If you do prefer to work with kerosene for the
                    better post-graduation industry applicability,
                    one possible lower-cost easier-availability
                    substitute for RP-1 is a refined-kerosene
                    industrial solvent called Exxsol D40.  It does
                    not have RP-1's density, thus is somewhat lower
                    performance, but it is non-coking, fully
                    evaporable with no residue, is reliably
                    consistent chemically, and you can buy it by the
                    drum for a few bucks a gallon.  And it's more or
                    less as difficult to get to ignite, combust, and
                    purge cleanly as any other kerosene, so you will
                    get plenty of relevant experience.

                    FWIW XCOR used LOX/isopropyl for the EZ-Rocket
                    (before my time there) and LOX/Exxsol D40
                    kerosene for the X-Racer.  Never saw a trace of
                    coking with it in many, many firings of the
                    copper-chamber regen-cooled X-Racer engine, and I
                    was the guy who photo-documented the state of the
                    engine components every time Mike Laughlin
                    disassembled it to inspect condition and service
                    the seals.

                    good luck!

                    Henry

                    On 10/13/2020 9:42 PM, Yucca Works wrote:
                    Hello all, my team is considering RP-1 and
                    ethanol right now (to be paired with LOX) for
                    our main propellant and I was wondering if
                    anyone has any input on which fuel to use given
                    some constraints and thoughts to follow. For
                    one, we don't have an infinite budget at our
                    disposal so Ethanol becomes immediately
                    appealing because it is easy to source, this is
                    on top of the fact that Ethanol is not ITAR
                    protected and can be mixed with water for
                    "inherent" cooling. What made RP-1 appealing was
                    the fact that it is used in the industry so
                    gaining experience with it seems extremely
                    appealing and, I think, would make our work more
                    "useful/notable" but sourcing RP-1 is difficult
                    and it is expensive. A slightly tangential
                    consideration is using lower grade kerosene
                    which I have seen other college students do but
                    I am concerned with using low-grade kerosene in
                    regen cooling channels and it obviously has poor
                    performance.



Other related posts: