Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте сущность взрыва и его типы.

2. Что называется взрывчатым веществом? По каким признакам классифицируют взрывчатые вещества?

3. Дайте определение кислородного баланса ВВ.

4. Какие ядовитые газы образуются при взрыве ВВ при различном значении кислородного баланса? Назовите их предельно-допустимую концентрацию.

5. Перечислите основные компоненты взрывчатого вещества. Объясните принцип выбора состава промышленных ВВ.

Список источников

1. Корнилков М.В Разрушение горных пород взрывом: конспект лекций / М.В. Корнилков; Урал. гос. горный ун-т. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. – 202 с.

2. Латышев О.Г., Петрушин А.Г., Азанов М.А. Промышленные взрывчатые материалы: учебное пособие / О.Г. Латышев, А.Г. Петрушин, М.А. Азанов; Урал. гос. горный ун-т; под редакцией О.Г. Латышева. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. – 221 с.

Практическая работа № 2 Определение теплоты, объема, температуры и давления газов при взрыве заряда взрывчатых веществ

Цель работы: изучение методики расчета параметров взрывчатого разложения ВВ и определения теплоты, объема, температуры и давления газов при взрыве.

Общие сведения

Теплота, объем, температура и давление газов при взрыве ВВ зависят от состава образующихся продуктов взрыва и их количества.

Состав продуктов взрыва и реакции превращения промышленных ВВ в значительной мере определяются их кислородным балансом.

С точки зрения построения реакций взрывчатого превращения ВВ делятся на три группы.

1. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного окисления горючих элементов. ВВ этой группы имеют нулевой или положительный кислородный баланс. Например, реакция разложения нитроглицерина:

2C₃H₅(ONО₂)₃ → 6С0₂ + 5Н₂О + 3N₂ + 0,5О₂.

2. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. Кислород, входящий в состав ВВ, сначала окисляет водород в воду, углерод в окись углерода, оставшаяся часть кислорода образует с окисью углерода углекислый газ.

Такова реакция разложения тэна:

C(CH₂ONO₂)₄ → 4Н₂О + 3CО₂ + 2CO + 2N₂.

При взрыве ВВ этой группы образуются элементарный водород, метан и другие углеводороды, однако подсчет их требует усложненных расчетов.

3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород окисляется в воду, а часть углерода в окись углерода и выделяется свободный углерод. Например, реакция разложения тротила:

C₇H₅(NО₂)₃ → 2,5Н₂О + 3,5СО + 3,5С + 1,5N₂.

Более детальные расчеты показывают, что при взрыве таких ВВ образуются также СО₂, Н₂, СН₄, NH₃ и другие соединения.

Теплота взрыва — количество тепла, которое выделяется при взрывчатом разложении одного моля или 1 кг ВВ.

Теплота взрывчатого превращения может быть вычислена и определена экспериментально. В качестве стандартных условий принимают температуру 18 °С (иногда 25°) и давление 1,01 •10⁵ Па.

Вычисление теплоты взрыва основано на законе Гесса, согласно которому тепловой эффект реакции не зависит от пути реакции, а зависит только от начального и конечного состояний системы. В этом случае теплота взрыва равна алгебраической сумме теплоты образования ВВ и теплоты продуктов взрыва.

Рассмотрим три состояния (треугольник Гесса).

Первому начальному состоянию отвечают свободные элементы, из которых состоит ВВ, второму — само ВВ, а третьему конечному состоянию — продукты взрыва.

Реакция может идти по двум направлениям.

1. Из свободных элементов образуется ВВ, эта реакция характеризуется положительным или отрицательным тепловым эффектом Q_1-2, ВВ взрывается и выделяется теплота взрыва Q_2-3.

2. Из свободных элементов образуются продукты взрыва ВВ и выделяется теплота их образования Q_1-3.

Отсюда

Q_1-2 + Q_2-3= Q_1-3

и теплота взрыва

Q_2-3= Q_1-3 - Q_1-2

Следовательно, для расчета теплоты взрыва необходимо знать уравнение взрывчатого превращения ВВ.

Пример 1. Определить теплоту взрыва нитроглицерина, взрывчатое превращение которого протекает Следующим образом:

С₃H₅(ONО₂)₃→3CO₂+ 2,5Н₂О + l,5N₂ + 0,25О₂.

Теплота образования нитроглицерина Q_1-2 = 351 кДж/моль (табл. 2.1).

Теплота образования продуктов взрыва

Q_1-3 = Qco₂ + Qн₂о = 3qсо₂ + 2,5qн₂о = 3* 396 + 2,5*241 =1790 кДж/моль,

где qсо₂ = 396 кДж/моль и qн₂о = 241 кДж/моль.

Теплота взрыва

Q_2-3=Q_1-3 – Q_1-2=1790 - 351=1439 кДж/моль.

Она характеризует теплоту взрыва при постоянном давлении Q_p.

Если охлаждение продуктов взрыва идет до температуры окружающей 15°С (288 К), теплота взрыва при постоянном объеме Q_v связана с Q_p следующими выражениями:

Q_v = Q_p + 0,572n;

если до температуры 25 °С (298 К), то

Q_v = Q_p + 0,592n,

где n – число молей газообразных продуктов взрыва.

Следовательно, приняв температуру среды в 15°С,

Q_v=1439 + 0,572 (3+ 2,5+ 1,5+ 0,25)=1439+4,2=1443,2 кДж/моль

Таблица 2.1

Вещества	Формула	Относительная молекулярная масса	Теплота образования при постоянном объеме, кДж/моль	Кислородный баланс
Вода (жидкая)	Н2О	18	283	0
Вода (газ)	Н2О	18	241	0
Углекислота (газ)	СО2	44	396	0
Окись углерода (газ)	СО	28	113	-57
Метан (газ)	СН4	16	74	-200
Окись азота (газ)	NО	30	90,5	52,2
Аммиак (газ)	NH3	17	43,5	-140
Хлодистый водород (газ)	НСl	36,5	91,7	-21,9
Окись алюминия	Аl2O3	102	1668	0
Окись кальция	СаО	56	631,8	-
Углекислый калий	К2CO3	138	1146	34,7
Аммиачная селитра	NH4NO3	80	355	20
Азотнокислый калий	KNO3	101	490	39,6
Перхлорат аммония	NH4ClO4	117,5	282	34
Тротил	C7H5(NO2)3	227	56,5	-74
Динитронафталин	C10H6O4N2	218	35,2	-
Тетрил	C7H5O8N5	287	41,8	-47,4
Гексоген	C3H6O6N6	222	87,4	-21,6
Тэн	C5H8O12N4	316	512,9	-10,1
Нитроглицерин	C3H5(ONO2)3	227	350,7	3,5
Нитрогликоль	C2H4(ONO2)2	152	233,6	0
Коллодионный хлопок (12,2%)	C22,5H28,8O36N8,7	1000	2722,2	-33,5
Гремучая ртуть	Hg(CNO)2	284,5	273,6	-11,3
Стеарат кальция	C36H70O4Ca	607	2686	-
Бумага (целлюлоза)	C10H6O5	162	946,9	-180
Древесная мука	С15H22O10	362	-	-137
Торф	-	-	-	-153
Уголь	C	12	-266,7	-
Парафин	C24H5O	338,5	-	-346
Алюминий	Al	27	-	-89
Керосин	-	-	-	-343
Сернокислый калий	K2SO4	-	1442,2	-

В расчете на 1 кг ВВ выделившаяся теплота равна

где Мвв — молекулярная масса ВВ.

Температура газов взрывания (°С) вычисляется по формуле

где Q_v – теплота взрыва ВВ, Дж/моль; С_v – средняя теплоемкость всех продуктов взрыва при постоянном объеме в интервале от 0 до Т °С, Дж/(моль• °С).

Значение теплоемкости в зависимости от температуры определяется по формуле

С_V = а + bt,

где а и b – коэффициенты, найденные опытным путем.

Решив уравнение, получим

Теплоемкости некоторых газов в зависимости от температуры определяются по формулам:

для двухатомных газов

С_V = 20,1 + 18,8 *10^-4 t Дж/(моль°С);

для четырехатомных

С_V = 41,9 + 18,8 *10^-4 t Дж/(моль°С);

для паров воды

С_V = 16,76 + 90 *10^-4 t Дж/(моль°С);

для углекислого газа

С_V = 37 ,7 + 24,3 *10^-4 t Дж/(моль °С);

для твердых продуктов

С_V = 26,8 Дж/(моль°С).

При определении теплоемкости смеси газов по приведенным формулам учитывается долевое участие каждого из составляющих и выполняется их почленное сложение для определения суммарных величин Σa и Σb.

При этом расчетная формула принимает вид

Пример 2. Вычислить температуру взрыва нитроглицерина. Теплота взрыва нитроглицерина 1443 кДж/моль. Теплоемкость всех продуктов взрыва (см. пример 1) на основе вышеприведенных формул.

Для 3СО₂:

3(37,7 + 24,3*10^-4t) = 113+ 72,9*10^-4t;

для 2,5Н₂O:

2,5(16,76+ 90*10^-4t) = 41,9+ 225*10^-4t.

Итого:

С_V = 154,9+ 297,9*10^-4t.

Следовательно,

Σа=154,9; Σb = 297,9*10^-4.

Подставив найденные значения в формулу для t, получим

Объем газов при взрыве. Объем газов при взрыве определяется по реакции взрывчатого разложения ВВ на основе закона Авогадро, согласно которому объем, занимаемый одной грамм-молекулой различных газов при 0° и давлении 1,01*10⁵ Па, равен 22,42*10^-3 м³.

Объем газов (м³/кг), образующихся при взрыве 1 кг ВВ

где n – количество молекул газообразных продуктов взрыва; m – количество молекул составных частей, ВВ; М – относительная молекулярная масса составных частей ВВ.

Пример 3. Определить объем газообразных продуктов при взрыве 1 кг нитроглицерина.

Объем газов:

при парообразном состоянии воды

при жидкой фазе воды

Давление газов при взрыве. Возникающее при взрыве давление газов (Па) определяете законом Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

где р₀ – атмосферное давление газов при температуре 0 °С, равное 1,01*10⁵ Па; V₀ – объем газов взрыва ВВ (м³) при при 0 °С и давлении 1,01*10⁵ Па; Т – температура взрыва, считая от абсолютного нуля, К; V – объем зарядной камеры, м³.

Формула действительна для идеальных газов. При фактических плотностях заряжания ВВ (0,5÷1,0 т/м³) большую роль играет собственный объем молекул (коволюм) продуктов взрыва, который принимается равным α=0,001V₀, с учетом этого формула имеет вид:

При плотности ВВ более 1 г/см³ следует принимать α =0,0006V₀.

Заменив объем зарядной камеры V на плотность заряжания ВВ (Δ = M/V), получим формулу при М=1 .(единичная масса)

Пример 4. Определить давление газов взрыва нитроглицерина, 1 кг которого образует 0,716 м³ газов при температуре 5053 К. При плотности заряжания 0,8 г/см3

а при плотности заряжания 1,2*10³ кг/м³

Теплота образования и кислородный баланс некоторых ВВ, их компонентов и продуктов взрывчатого превращения приведены в табл. 2.1.