Ведение в пиротехнику (Ю.О. Ладягин) / 09 / pir-9

ГАЗООБРАЗНЫЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ ГАЗООБРАЗНЫЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Реакция горения пиротехнических составов почти всех видов сопровождается выделением определенного количества газообразных продуктов, которые могут быть как газами (CO, СО2, N2), так и парами воды, а также и парами веществ, находящихся при температуре горения в парообразном состоянии.

Примером может служить смесь хлората калия и алюминия, горение которой протекает по реакции:

KClO3 + 2Al = KCl + Al2O3

Температура реакции горения такой смеси составляет около 3000°С, а так как хлористый калий кипит уже при 1415°С, то при температуре реакции он будет находится в парообразном состоянии. Этим и объясняется тот факт, что горение подобных смесей, не выделяющих нормальных газов, может протекать взрывным образом с проявлением некоторого фугасного эффекта.

Соотношение между количеством газообразных и твердых продуктов реакции определяется назначением состава и требованиями, предъявляемыми к специальному эффекту, например, в термитных составах газообразные продукты реакции практически отсутствуют, в дымовых и имитационных звуковых составах составляют 40...50% от массы состава и, наконец, в реактивных составах практически 100%.

Количество газообразных продуктов, получающихся в результате сгорания 1г пиротехнического состава, принято выражать не по массе, а по объему, занимаемому ими при нормальных условиях. Этот объем газообразных продуктов называется удельным объемом и обозначается через V0. Обычно, при вычислениях к объему занимаемому образующимися при реакции газами, добавляется также объем, занимаемый при нормальных условиях образующимися в процессе реакции парами воды (если она выделяется при реакции или содержится в исходных веществах в виде кристаллогидратов).

Объем Vt газообразных продуктов при температуре реакции горения вычисляют по формуле Vt = V0(1 + 0,00366t), где t — температура реакции горения состава, V0 — удельный объем.

В таблице 10 указан объем, занимаемый при нормальных условиях 1граммом газов преимущественно выделяющихся при реакциях горения.

Таблица 10.Удельный объем некоторых газов при нормальных условиях

Газ

Объем [см3/г]

Газ

Объем [см3/г]

Н2

11200

N2

800

Н2O

1247

SO2

350

C O

800

НСI

614

СО2

509

СI2

315

Как видно из таблицы 10, при равной массе наибольший объем в газообразном состоянии занимает водород, а затем пары воды, азот и окись углерода.

Из этого можно сделать вывод, что для получения большего объема газов следует в качестве горючих компонентов пользоваться органическими веществами, содержащими много связанного водорода, а количество окислителя рассчитывать таким образом ,чтобы сгорание горючего происходило только до H2O и CO или, если это диктуется желанием получить больше тепла, до H2O и СО2.

Удельный объем газообразных продуктов реакции определяют по формуле:

где n — число молей газообразных продуктов реакции (сумма коэффициентов при газообразных веществах в правой части уравнения реакции),

m — масса реагирующего состава в граммах,

22,4 — число Авогадро.

Пример: рассчитать V0 для имитационного состава состоящего из хлората калия, алюминия и углерода, задавшись целью получить состав с возможно большим газовыделением и значительной теплотой горения.

Конструирование состава: зная, что наибольший объем газа в заданной смеси может дать окись углерода, запишем формулу так, чтобы входящий в состав углерод окислился только до окиси углерода:

2KClO3 + 2Al + 3C = Al2O3 + 3CO + 2KCl

Откуда:

Вычислив рецепт состава согласно заданной формуле получим:

73% -KClO3; 16% -Al; 11%-C.

Естественно, что при охлаждении газов до нормальной температуры реальное значение вычисленного удельного объема будет ниже чем расчетное, так как произойдет конденсация паров хлорида калия.

Задавшись эмпирическим значением температуры горения данного состава равным 2500°С, можно осуществить прикидочный расчет объема газов при температуре горения. Vt = 333(1 + 0,00366 • 2500) = 3380см3/г. Можно предположить наличие взрывчатых свойств у приведенного состава, учитывая значительный объем газов, выделяющихся в результате горения при данной температуре.

В таблице 11 приведены значения V0.

Таблица 11. Удельный объем газообразных продуктов реакции горения или взрыва некоторых составов.

Назначение состава

Рецепт состава [%]

Газооб-разные продукты реакции

V0 СМ3/Г

Масса газов в % от массы состава

Фотосмесь

Ba(NO3)2

68

N2

58

7

Mg

32

Фотосмесь

Ba(NO3)2

74

N2

61

8

AI

26

Термит

Fe3O4

75

нет

0

0

AI

25

Осветительный

Ba(NO3)2

75

N2, CO2, Н2О

144

21

Mg

21

Идитол

12

Зеленый сигнальный

Ba(CIO3)2 H2O

88

СО2 ,Н2O

330 

43

Идитол

12

Красный сигнальный

KCIO3

57

СО, Н2О

375

40

SrCO3

25

Шеллак

18

Красный

дымовой

KCIO3

35

СО, Н2О

365

39

Молочный сахар

25

Родамин

40

Дымный порох

KNO3

75

СО, СО2

N2, H2O

280

43

С

15

S

10

ВВ

c 6 h 3 n 3 o 7 k

К2СO3, СО, СО2 N2, Н2O,

550

61

ВВ

C6H3N3O7NH4

24

N2,H2O,

CO2

880

93

NH4NO3

76

ВВ

Пироксилин (15% влажности)

N2, H2O, СO2, СО

910

98

Следует отметить, что удельный объем газообразных продуктов для применяемых пиротехнических составов (кроме твердых коллоидных и смесевых ракетных топлив) значительно меньше, чем для основных взрывчатых веществ. Так V0 для гексогена и октогена составляет 908cм3/г, для тетрила 750см3/г, для тротила 690см3/г, для смеси НТА (94%) с дизельным топливом (6%) примерно 890см3/г.