Характеристика взрывчатого превращения ВВ

Руководство для решения некоторых видов задач

по взрывному делу (по Ассонову В.А.)

Зная начальное и конечное состояние взрывчатой системы, можно определить количество освобождающейся энергии, что необходимо для оценки ожидаемого действия взрыва. Кроме того, изучение конечных продуктов взрыва дает возможность судить о наличии или отсутствии ядовитых газов в продуктах взрыва для решения вопроса о возможности допуска ВВ в подземные выработки.

Уравнение реакции взрывчатого превращения строится на допущениях, выражающихся в следующем. При наличии достаточного количества кислорода в ВВ углерод сгорает в двуокись углерода, а водород окисляется с образованием воды. При незначительном недостатке кислорода вначале весь углерод окисляется до окиси углерода (СО), а оставшееся неиспользованное количество кислорода распределяется поровну на доокисление окиси в двуокись (СО₂) и водорода в воду. Оставшийся после этого водород выделяется в свободном виде. Если же кислорода недостаточно даже для окисления углерода до окиси (СО), то в продуктах взрыва будет содержаться элементарный углерод в виде сажи.

Нужно при этом иметь в виду, что конечные продукты реакции превращения ВВ образуются не сразу. Первоначальнопроисходят разрыв связей в молекулах и образование промежуточных соединений и свободных радикалов. Затем продукты первичного распада реагируют между собой или с частицами невзрывчатых материалов, или с продуктами газификации последних (вторичные реакции).

Подсчет, сделанный по указанным принципам, дает представление о продуктах превращения, достаточное для практических целей. При уточненных расчетах учитываются диссоциация двуокиси углерода и воды при высоких температурах, вторичные реакции продуктов взрыва между собой и с веществом обертки. Но даже уточненные расчеты не могут дать полного представления о конечных продуктах взрыва, особенно применительно к условиям взрывных работ, так как они не учитывают возможных реакций между продуктами первичного или конечного распада и распыляемой горной породой, а также частичной незавершенности реакций в конденсированной и газовой фазах. При взрыве некоторое количество частиц ВВ разлетается и реагирует вне заряда; при столкновении их с частицами разрушаемой породы они охлаждаются и происходит обрыв реакции. Поэтому чаще всего оценка ВВ дается на базе теоретического построения реакции взрывчатого превращения. При этом характер уравнения зависит в основном от характера и величины кислородного баланса.

Случай нулевого кислородного баланса можно показать на реакции взрывчатого превращения динитрогликоля

С₂Н₄(ONO₂)₂ = 2СО₂ + 2H₂O.+ N₂. (1)

Как видно из уравнения, при взрыве образуются углекислый газ, пары воды и выделяется элементарный азот.

При положительном кислородном балансе реакция проходит с выделением свободного кислорода, что видно на примере построения уравнения взрывчатого превращения нитроглицерина

4С₃Н₅(ONO₂)₃.= 12СО₂.+ 10H₂0 + 6N₂. + О₂. (2)

Реакция взрывчатого превращения при отрицательном кислородном балансе идет с образованием окиси углерода и иногда с выделением элементарного углерода, что видно на примере уравнения взрывчатого превращения тротила

2С₇Н₅ (NO₂)₃ = 12CO + 2C + 5H₂ + 3N₂. (3)

В действительности, помимо реакций

С + O₂ = СО₂ + 94 ккал/моль; (4)

С + О = СО + 26 ккал/моль; (5)

Н₂ + О = Н₂О + 58 ккал/моль, (6)

могут иметь место следующие обратимые вторичные реакции, протекающие при диссоциации или взаимодействии образовавшихся первичных газовых продуктов взрыва:

2СО + О₂ ↔ 2СО₂ +2∙68 ккал/моль; (7)

2СО ↔ СО₂ +С + 41,3 ккал/моль; (8)

СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂ + 9,8 ккал/моль;. (9)

СО + Н₂ ↔ Н₂О + С + 31,4 ккал/моль; (10)

СО₂ + 2Н₂ ↔ 2Н₂О + С + 2∙10,8 ккал/моль, (11)

а также реакция образования окиси азота

N₂ + О₂ ↔ 2NO — 21,6 ккал/моль. (12)

Из перечисленных реакций большое значение при высоких температурах взрыва имеет реакция (12), которая может протекать в случаях избытка кислорода в составе ВВ, а также в случаях выгорания ВВ. Эта реакция не зависит от давления и может протекать как при высоких, так и при низких его значениях.

В реакции образования и диссоциации углекислого газа (7) при повышении температуры равновесие смещается влево, т. е. в сторону образования окиси углерода, а при повышении давления — вправо, т. е. идет усиленное образование углекислого газа.

Реакция образования паров воды (6) весьма устойчива, так как при высоких давлениях, имеющих место при взрыве, условия для диссоциации паров воды неблагоприятны.

При реакции (8) увеличение давления смещает равновесие вправо, т.е. в сторону образования свободного углерода, а повышение температуры — влево, т. е. в сторону образования окиси углерода. К реакциям образования водяного газа относятся (9), (10), (11). Равновесие первой реакции не зависит от давления, так как она протекает без изменения числа молей. Для второй реакции с повышением давления равновесие смещается вправо, т. е. в сторону образования свободного углерода, что видно из приводимых данных:

Среднее давление при взрыве аммонита № 2 кг/см^3	17 180		26 660	31 160	35 230
Объем окиси углерода, л/кг	5,8	5,4	5,0	4,7	4,5

По результатам экспериментальных исследований продуктов взрыва различные ВВ с точки зрения построения уравнений взрывчатого превращения делятся на три группы: а) ВВ с количествомкислорода, достаточным для полного окисления горючих элементов; б) ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного окисления, но достаточным для полного газообразования; в) ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования.

Принадлежность ВВ общей формулы С_аH_bO_cN_d к первой группе определяется условием

. (13)

К этой группе относятся такие основные ВВ, как нитроглицерин, ди-нитрогликоль, а также подавляющее большинство промышленных ВВ, т.е. имеющие либо положительный, либо нулевой кислородный баланс. Для расчета смесей пользуются формулой

C_aH_bO_cN_d + х C_a1H_b1O_c1,N_d1, (14)

в которой первое вещество обладает недостатком кислорода, а второе содержит его в избыточном количестве; величина х легко находится из условия, по которому недостаток кислорода в первом веществе должен быть равен избытку его во втором, т. е.

. (15)

Для наиболее же часто встречающихся смесей органических веществ с аммиачной селитрой формула (14) приобретает вид

C_aH_bO_cN_d + xNH₄NO₃, (16)

а величина x определяется из выражения

(17)

Например, для полного окисления одной грамм-молекулы тротила, имеющего формулу C₇H₅ (NO₂)₃, потребуется (14 + 5/2— 6) = 10,5 грамм-молекул аммиачной селитры, содержащей один грамм-атом избыточного кислорода, и уравнение взрывчатого превращения примет вид

С₇Н₅ (NO₂)₃+ 10,5NH₄NO₃ = 7СО₂ + 23,5H₂O + 12N₂. (18)

Состав этого ВВ в процентном отношении выразится 78,725% аммиачной селитры и 21,275% тротила.

Практически эти соотношения округляются и соответствующий названому составу аммонит № 6 содержит 79% аммиачной селитры и 21% тротила, т.е. имеет небольшой (+0,3%) положительный кислородный баланс.

Принадлежность ВВ типа C_aH_bO_cN_d ко второй и третьей группам определяется из условия

. (19)

Разница между группами заключается в том, что ВВ второй группы в результате взрывчатого превращения полностью образуют газы, а ВВ третьей группы дают частично элементарный твердый углерод в виде сажи.

Таким образом, продукты взрыва ВВ второй группы включают продукты полного окисления (СО₂; Н₂О), частично продукты недоокисленные (СО) или элементарные газы (Н₂). В качестве примера взрывчатого превращения ВВ второй группы можно привести реакции

2С₅Н₈(ONO₂)₄ = 7Н₂О + 7СО₂ + 3CO + Н₂ + 4N₂. (20)

Типичным представителем ВВ третьей группы является тротил, реакция взрывчатого превращения которого (3) достаточно наглядна.

Простейшее определение величины кислородного баланса любого ВВ может быть произведено путем подсчета и вычисления разности между соответствующими величинами кислородного баланса по процентному содержанию данного компонента в составе этого ВВ.

Например, аммонит № 6 содержит 21% тротила (кислородный баланс -74%) и 79% аммиачной селитры (кислородный баланс +20%). Подсчет дает следующие значения: для тротила 21(-74)/100 = -15,54%; для аммиачной селитры 79(+20)/100=+15,80%. Разность составляет (15,80-15,54)+0,26% или, округленно до первого знака,+0,3%. Полученная величина и будет характеризоватьчисловое значение кислородного баланса аммонита № 6.

Дата добавления: 2014-12-29