Определение состава продуктов детонации и теплового эффекта взрыва по полуэмпирическому методу Г.А. Авакяна

Методические указания

Определение состава продуктов детонации и теплового эффекта взрыва по полуэмпирическому методу Г.А. Авакяна

 

Общие сведения

 

Одной из важнейших термодинамических характеристик взрывчатых веществ (ВВ) является теплота взрыва - теплота взрывчатого превращения ВВ (его компонент) , определяющая как взрывчатые, так и детонационные характеристики ВВ.

Теплота взрыва представляет собой суммарный тепловой эффект первичных химических реакций, протекающих во фронте детонационной волны, и вторичных равновесных реакций, происходящих при расширении продуктов взрыва после завершения детонации.

В термодинамике (термохимии) ВВ различают следующие тепловые эффекты:

· теплота образования - тепловой эффект (экзотермический или эндотермический) при образовании 1 грамм-моля химического соединения из свободных элементов при стандартных условиях (25°С и 1 атм = 760 мм рт. ст.);

· теплота сгорания - количество тепла, выделяемое при сгорании единицы массы вещества в среде чистого кислорода;

· теплота взрыва - количество тепла при взрыве 1 грамм-моля ВВ или 1 кг ВВ. Последнее чаще используется для практического сравнения энергии взрыва смесевых многокомпонентных ВВ.

Теплота взрыва некоторых ВВ может быть определена опытным путем с помощью калориметрических бомб. Однако экспериментальным путем можно определить теплоту взрыва ВВ, способных детонировать в небольших количествах (50-100 г.) от теплового импульса или штатных электродетонаторов (ЭД). Большинство же современных промышленных ВВ не детонируют в небольших количествах, и поэтому определение  в калориметрических бомбах невозможно. Вследствие этого теплоту взрывчатого превращения таких ВВ определяют расчетным путем.

Теплота же сгорания может быть определена экспериментально для любого ВВ с помощью калориметрической бомбы. Кроме того, ее можно вычислить теоретически по методу Караша и на ее основе определить теплоту образования ВВ [8].

Основной сложностью расчета теплоты взрыва является определение истинного состава продуктов взрыва, который значительно изменяется от некоторого начального в самой детонационной волне до конечного состава продуктов взрыва (ПВ) послезавершения процесса их расширения.

При расчете теплоты взрыва необходимо определиться с некоторым конечным состоянием ПВ. Обычно рассматриваются два возможных значения , отвечающих следующим состояниям ПВ:

· в начальный момент взрыва, т.е. в самой детонационной волне после завершения реакций взрывчатого превращения ВВ (точка Чепмена-Жуге);

· при расширении ПВ до момента уравнивания их давления с давлением окружающей среды (воздушная, водная, горные породы).

Соответствующие этим состояниям ПВ теплоты условно называются «детонационная» и «фугасная» −  (Апин А.Я., Лебедев Ю.А.). Вместе с тем значения этих теплот не являются некоторыми константами, характеризующими энергетику ВВ - детонационная теплота зависит от давления в детонационной волне, а фугасная - от условий протекания процесса расширения ПВ, т.е. от давления внешней среды.

Поэтому в термодинамике ВВ в качестве критерия теплового эффекта взрыва ВВ рассматривается теплота взрыва , соответствующая максимально возможному тепловому эффекту, который достигается при образовании высших окислов горючих элементов в составе ВВ: углерода (C), водорода (H), металлов (Al).  является величиной постоянной, определяемой только химическим составом ВВ и не зависящей от начального и конечных параметров состояния ПВ.

Пример 2.

Рассчитать состав продуктов взрыва смеси АС-ДТ (гранулита игданита). Состав смеси АС-ДТ приведен в табл. 1.

 

Таблица 1

Компоненты	Содержание, %
Аммиачная селитра (АС)	94,5
Дизельное топливо (ДТ)	5,5

 

Брутто-формула смеси АС-ДТ приведена в табл. 2.

 

Таблица 2

Составляющая	Доля	C	H	O	N
АС (NH4NO3)	0,945	-	47,25	35,46	23,64
ДТ (C13H20)	0,055	4,06	6,28	-	-
Итого:	1,0	4,06	53,53	35,46	23,64

 

Откуда получают условную (брутто) формулу смеси АС-ДТ:

Проверяется масса условной (брутто) формулы ВВ

М _ас-дт =12×4,06+53,53+16×35,46+14×23,64=48,72 +53,53+ 567,36 + 330,96 =1000 г.

Определяется кислородный баланс и кислородный коэффициент:

 

;

А = .

 

Значению кислородного коэффициента А = 101,63% соответствует коэффициент реализации:

K =0,32× А ^0,24 = 0,32×101,63^0,24 = 0,97.

Так как А >100%, то рассматриваемая смесь АС-ДТ относится к ВВ первой группы.

Откуда получаем:

= = 25,97;

= = 0,8;

Реакция взрывчатого превращения смеси АС-ДТ по методике Г.А. Авакяна:

C_4,06H_53,53O_35,46N_23,64 = 3,89CO₂ + 0,17CO + 25,97H₂O + 0,8H₂ + 0,77О₂ + 11,82N₂.

Проверка суммарной массы ПВ: å М _пв = 1000,58 г.

Количественное определение объема продуктов взрыва на основании уравнения взрывчатого превращения смеси осуществляется по формуле: V _пв = 22,42× n_i (л/кг). Здесь n_i - число грамм-молей газа.

В табл. 3 приведено количество продуктов взрыва в единицах объема на 1 кг ВВ (л/кг ВВ).

 

Таблица 3

CO2	CO	H2 О	H2	O2	N2	Общее количество ПВ в л/кг.
87,21	3,81	582,25	17,94	17,26	265	973,47

 

В табл. 4 приведено количество ПВ в единицах массы на 1 кг ВВ (кг/кг ВВ). Данный расчет является проверкой суммарной массы ПВ. Очевидно, что по закону сохранения массы (материальный баланс)

 

å М _вв = å М _пв

 

Таблица 4

CO2 М =44	CO М =28	С М =12	H2O М =18	H2 М =2	O2 М =32	N2 М =28	Итого
0,1712	0,00476	0	0,46684	0,0016	0,02464	0,33096	1,0

Пример 3.

Расчет по Г.А. Авакяну теплового эффекта взрывчатого превращения гранулита игданита (смесь АС-ДТ).

Пример 4.

Расчет теплоты взрыва и объема ПВ для реакции взрывчатого превращения смеси АС-ДТ по принципу Бринкли-Вильсона.

Реакция взрывчатого превращения имеет вид:

 

0,3125C₁₃H₂₀+11,8125NH₄NO₃ 4,06CO₂+26,765H₂O+0,2875О₂+11,75N₂.

 

В табл. 8. приведен расчет суммарной теплоты образования ПВ.

 

Таблица 8

Продукты взрыва	qv, ккал / моль	Ч исло молей ПВ	å qv, ккал
СО2	94,4	4,06	381,64
СО	26,7	0	0
H20	57,5	26,77	1538,99
C	0	0	0
N2	0	11,75	0
O2	0	0,29	0

Итого

42,86 1920,63

 

Откуда:

Теплота взрыва смеси АС-ДТ

, ккал/кг.

Объем газообразных продуктов взрыва

, л/кг.

Из приведенных расчетов видно, что разница расчетной теплоты взрыва, определенной по трем методам, не превышает 5¸10%.

 

Исходные данные для расчета

 

Варианты заданий для самостоятельной работы приведены в табл. 9.

Результаты расчета оформляются в виде таблицы (см. табл. 10).

 

Таблица 9

№ пп	Наименование	Химическая Формула ВВ		Молекулярная масса, М		Кислородный баланс, К б, %		Теплота образования при постоянном объеме
									ккал / моль		кДж/моль
	Нитрогликоль (этиленгликольдинитрат)	C2H4(ONO2)2		152		0		55,75		229,61
	Октоген	C4H8N8O8		296		-21,6		-17,0		-109,4
	Нитродигликоль (диэтиленгликольдинитрат)	C4H8О(ONO2)2		196		-40,8		99,3		415,7
	М-Динитробензол	C6H4(NO2)2		168		-95,24		5,7		23,9
	Гексоген	C3H6N6O6		222		-21,6		-22,3		-93,4
	Динитронафталин	C10H6(NO2)2		218		-139,4		-11,9		-49,8
	Тетрил (тринитрофенилметилнитрамин)	C6H2(NO2)4NCH3		287		-47,4		-13,3		-55,7
	Динитротолуол	С6H3(NO2)2CH3		182		-114,29		15,35		71,2
	Дина	C4H8N4O8		240		-26,67		67,7		283,5
	Гуанидинитрат	HNC(NH2)2HNO3		122		-26,2		87,0		364,3
	Тринитроанилин	C6H(NO2)4NH2		273		-32,2		-21,5		-90,0
	Тринитробензол	C6H3(NO2)3		213		-56,34		2,3		9,63
	Динитрофенол	C6H3(NO2)2OH		184		-78,26		53,3		223,2
	Тринитрофенол	C6H(NO2)3OH		228		-41,92		50,6		211,9
	Тринитрокрезол	С6H(NO2)3(OH) CH3		243		-62,55		55,1		230,7
	Стифниновая кислота (тринитрорезорцин)	С6H(NO2)3(OH)2		245		-35,92		99,2		415,3
	Тринитроанизол	С6H2(NO2)3OCH3		243		-62,55		32,1		134,4
	Тринитронафталин	C10H5(NO2)3		263		-100,4		11,8		49,4
	Пикрат аммония	С6H2(NO2)3ONH4		246		-52,03		87,3		365,5
	Пикриновая кислота	C6H2(NO2)3OH		229		-45,4		47,8		200,1
	Нитрат тринитрофенил-гликолевого эфира	С6H2(NO2)3OC2H4ONO2		318		-45,28		61,4		257,1
	Нитроцеллюлоза (пироксилин)	C24H29O9(ONO2)11		1143		-28,6		572		2391
	Тринитротриазидобензол	C6(NO2)3(N3)3		336		-28,57		-272		-1138,8
	Коллоидный хлопок	C22,5H28,8N8,7O36		998,2		-36,9		649,7		≈2700,5
	Нитрометан	CHNO2		61		-39,34		-27,03		-1132,0
	Маннитгеканитрат	C6H8(ONO2)6		452		+7,08		152,0		636,4

 

Таблица 10

№ варианта      Наименование и химическая формула ВВ (молекулярная масса) К_б, % A, %  Коэффициент реализации, К Тип ВВ (I, II, III)          Количество молей ПВ ,

л/кгТеплота взрыва Q взр, ккал / моль (кДж/моль) и ккал/кг (кДж/кг)

По Г.А. Авякану

По закону Гесса

По реакции по Г.А. Авакяну

По реакции по Бринкли-Вильсону

 

 

Литература

2. Физика взрыва. Изд. 2-е, перераб. /Под ред. К.П. Станюковича. - М.: Наука, 1975.

3. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.Р., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. - М.: Недра, 1988.

4. Светлов Б.Я., Яременко Н.Е. Теория и свойства промышленных ВВ. - М.: Недра, 1972.

5. Поздняков З.Г., Росси Б.Д. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания. Изд. 2, перераб. и доп. - М.: Недра, 1977.

6. Авакян Г.А. Расчет энергетических и взрывчатых характеристик ВВ.

- М.: ВИА им. Дзержинского, 1964.

7. Авакян Г.А., Хмельницкий Л.И. Справочник по взрывчатым веществам. - М.: ВИА им. Дзержинского, 1960.

8. Горбонос М.Г. Руководство по практическим занятиям и выполнению самостоятельных работ по дисциплине «Разрушение горных пород взрывом». Ч. 1. Для студентов специальности 070600 «Физические процессы горного производства». - М.: МГГУ, 2003.

9. Горбонос М.Г. Промышленные взрывчатые материалы. Часть 1. Термодинамика взрывчатых веществ. - М.: МГГУ, 2003.

Методические указания

Определение состава продуктов детонации и теплового эффекта взрыва по полуэмпирическому методу Г.А. Авакяна

 

Общие сведения

 

Одной из важнейших термодинамических характеристик взрывчатых веществ (ВВ) является теплота взрыва - теплота взрывчатого превращения ВВ (его компонент) , определяющая как взрывчатые, так и детонационные характеристики ВВ.

Теплота взрыва представляет собой суммарный тепловой эффект первичных химических реакций, протекающих во фронте детонационной волны, и вторичных равновесных реакций, происходящих при расширении продуктов взрыва после завершения детонации.

В термодинамике (термохимии) ВВ различают следующие тепловые эффекты:

· теплота образования - тепловой эффект (экзотермический или эндотермический) при образовании 1 грамм-моля химического соединения из свободных элементов при стандартных условиях (25°С и 1 атм = 760 мм рт. ст.);

· теплота сгорания - количество тепла, выделяемое при сгорании единицы массы вещества в среде чистого кислорода;

· теплота взрыва - количество тепла при взрыве 1 грамм-моля ВВ или 1 кг ВВ. Последнее чаще используется для практического сравнения энергии взрыва смесевых многокомпонентных ВВ.

Теплота взрыва некоторых ВВ может быть определена опытным путем с помощью калориметрических бомб. Однако экспериментальным путем можно определить теплоту взрыва ВВ, способных детонировать в небольших количествах (50-100 г.) от теплового импульса или штатных электродетонаторов (ЭД). Большинство же современных промышленных ВВ не детонируют в небольших количествах, и поэтому определение  в калориметрических бомбах невозможно. Вследствие этого теплоту взрывчатого превращения таких ВВ определяют расчетным путем.

Теплота же сгорания может быть определена экспериментально для любого ВВ с помощью калориметрической бомбы. Кроме того, ее можно вычислить теоретически по методу Караша и на ее основе определить теплоту образования ВВ [8].

Основной сложностью расчета теплоты взрыва является определение истинного состава продуктов взрыва, который значительно изменяется от некоторого начального в самой детонационной волне до конечного состава продуктов взрыва (ПВ) послезавершения процесса их расширения.

При расчете теплоты взрыва необходимо определиться с некоторым конечным состоянием ПВ. Обычно рассматриваются два возможных значения , отвечающих следующим состояниям ПВ:

· в начальный момент взрыва, т.е. в самой детонационной волне после завершения реакций взрывчатого превращения ВВ (точка Чепмена-Жуге);

· при расширении ПВ до момента уравнивания их давления с давлением окружающей среды (воздушная, водная, горные породы).

Соответствующие этим состояниям ПВ теплоты условно называются «детонационная» и «фугасная» −  (Апин А.Я., Лебедев Ю.А.). Вместе с тем значения этих теплот не являются некоторыми константами, характеризующими энергетику ВВ - детонационная теплота зависит от давления в детонационной волне, а фугасная - от условий протекания процесса расширения ПВ, т.е. от давления внешней среды.

Поэтому в термодинамике ВВ в качестве критерия теплового эффекта взрыва ВВ рассматривается теплота взрыва , соответствующая максимально возможному тепловому эффекту, который достигается при образовании высших окислов горючих элементов в составе ВВ: углерода (C), водорода (H), металлов (Al).  является величиной постоянной, определяемой только химическим составом ВВ и не зависящей от начального и конечных параметров состояния ПВ.