Расчет кислородного баланса и кислородного коэффициента

Содержание

1. Введение                                                                                                                          2
2. Расчет кислородного баланса и кислородного коэффициента                                  3
3. Определение теплоты взрывного превращения по Гессу                                         4
4. Определение температуры взрывного превращения по Касту                                6
5. Заключение                                                                                                                  8
6. Список литературы                                                                                                     9
7. Приложение 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Взрывчатыми веществами называются химические соединения или их смеси, склонные под влиянием внешнего воздействия к очень быстрому химическому превращению с выделением большого количества энергии и большого объема газов с высокой температурой. Сжатые газообразные продукты, мгновенно расширяясь, способны производить механическую работу по перемещению или разрушению окружающей среды и образовывать в окружающей среде ударные волны.

Взрывчатые вещества являются концентрированными источниками энергии, их широко применяют в военном деле и различных отраслях техники. В настоящее время ВВ широко используют в горной промышленности, при строительстве, на гидромелиоративных работах, в сельском хозяйстве, при борьбе с пожарами; они находят применение при резке, штамповке, сварке, упрочнении металлов взрывом и в других областях техники.

Тротил получают нитрованием толуола. Известно шесть изомеров тринитротолуола, имеющих одну и ту же общую формулу С6Н2(NО2)3СН3, но отличающихся различным положением нитрогрупп в бензольном ядре, а вследствие этого и различными физико-химическими свойствами. Применяемый в практике тротил состоит в основном из симметричного, или α-изомера тринитротолуола.     2,4,6- или α-тринитротолуол представляет собой желтое вещество, имеющее две полиморфные кристаллические формы. Температура затвердевания 2,4,6 – тринитротолуола – 85°С; уд. вес 1,663, расплавленного (при 82°С) 1,467. Гравиметрическая плотность кристаллического тринитротолуола 0,9–1,0 Скрытая теплота плавления α-тринитротолуола 21,41 кал/г, теплота кристаллизации 5,6 ккал / моль, теплопроводность при 25° 0,0005 ккал/сек/см°С. Гигроскопичность α-тринитротолуола составляет около 0,05%, поэтому при его хранении не требуется герметической укупорки. Растворимость α-тринитротолуола в воде низкая. Так, при 15° в 100 частях воды растворяется 0,02 частей, а при 100°С в 100 частях воды растворяется 0,15 частей α-тринитротолуола. В органиченных растворителях α-тринитротолуол растворяется достаточно хорошо, лучшими растворителями его являются: пиридин, ацетон, бензол, толуол, хлороформ. Плохо растворяется а-тринитротолуол в эфире и сероуглероде. Основные взрывчатые свойства тротила:                                          Чувствительность к удару по русской пробе – 4–8% взрывов                                           Температура вспышки – 290°С;    расширение в бомбе Трауцля – 285 мл ;     скорость детонации – 7000 м/с .                                                                                                      

Аммиачная селитра- представляет собой кристаллический порошок или гранулы белого цвета с желтоватым оттенком, соль азотной кислоты. Хорошо растворяется в воде, аммиаке, пиридине, метаноле, этаноле. В обычных атмосферных условиях разлагается медленнее. 
Плотность 1,725 г/см³. Температура плавления - 169,6° C, температура кипения - 235° C, температура разложения - 210° C.  Химическая формула: NH4NO3

Аммиачная селитра - сильный окислитель, в сухом виде взрывается от детонаторов. К механическим воздействиям (удар, трение) не чувствительна. При воздействии огня и искры на аммиачную селитру загорания не происходит. При пожарах она разлагается, выделяя кислород, что усиливает горение легковоспламеняющихся предметов. При сильных пожарах складов, содержащих большое количество селитры, возможны взрывы вследствие ее бурного термического разложения и интенсивного газообразования.

Расчет кислородного баланса и кислородного коэффициента.

Нам дано  тротил и аммиачная селитра в соотношении 60/40.

Для удобства расчетов примем что исследуемой смеси у нас 1 кг. Следовательно аммиачной селитры 600г, а тротила 400г. Посчитав молекулярную массу Аммиачной селитры – 60 и тротила – 227 составим соотношения:

                                                                              

Все явления сопровождающие взрыв зависят от соотношения между горючими элементами и кислородом взрывчатого вещества или смеси т.е. от кислородного баланса.

Для вычисления кислородного баланса смеси необходимо написать реакцию взрывного превращения (то есть реакцию сгорания горючих элементов ): углерода до СО₂ и водорода до Н₂О, затем посчитать количество грамм-атомов кислорода исходной смеси и число грамм-атомов кислорода необходимое для сгорания горючих элементов.

Разность между начальным количеством кислорода и необходимым для полного сгорания  - дает избыток или недостаток кислорода.

Так же необходимо рассчитать кислородный коэффициент. Кислородным коэффициентом называется отношение количества кислорода, содержащегося во взрывчатом веществе к количеству кислорода необходимого до полного окисления содержащихся во взрывчатом веществе углерода и водорода.

Уравнение взрывного превращения для данного нам задания будет выглядеть так:

7,5NH₄NO₃ + 1,76C₆H₂(NO₂)₃CH₃  → 10,37CO₂ +1,95СО+ 10,37H₂O + 9,03N₂ + 10,13О₂

Из данного уравнения видно что число грамм-атомов кислорода в исходной смеси равняется 33,06 а необходимо для совершения реакции 44,04 грамм-атомов кислорода. Следовательно у нас недостаток атомов кислорода. Выясним сколько же кислорода не хватает :

33,06 – 44,04 = -10,98%  - недостаток атомов кислорода

Рассчитаем кислородный баланс (в процентах):

 

Кислородный баланс получился отрицательный так как кислорода не достаточно для завершения реакции.

Определим кислородный коэффициент:

 

 

Определение теплоты взрывного превращения по методу Гесса.

Теплота взрыва это то количество тепла, которое выделяется при взрыве одного моля взрывчатого вещества. Она является одной из важнейших характеристик взрывчатого вещества, знание которого необходимо при решении многих задач. Например для вычисления температуры взрыва которую нам тоже необходимо найти.

Теплота взрыва может быть определена опытным путем с помощью калориметрической бомбы Бертло, но только таких, которые способны детонировать от теплового импульса в небольших количествах.  Большинство же ВВ от теплового импульса не детонируют  и по этому определение теплоты таким образом не возможно, таким образом приходится вычислять исходя из их теплот  образования. Согласно русскому академику Гессу, суммарный тепловой эффект некоторой последовательности реакций не зависит от пути превращения исходных веществ в конечный продукты , а зависит от начального и конечного состояния системы. Он равен алгебраической сумме тепловых эффектов промежуточных реакций.

Снова приведем уравнение взрывного превращения:

8,75NH₄NO₃ + 1,76C₆H₂(NO₂)₃CH₃  → 10,37CO₂ +1,95СО+ 10,37H₂O + 9,03N₂ + 10,13О₂

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для наглядности покажем схематическое изображение закона Гесса

                                      7,5NH₄NO₃ + 1,76C₆H₂(NO₂)₃CH₃ 

 

Q обр. смеси                                                                                          Q взрыв. превр

 

 

 

 

С, О, Н₂, N₂                                                                                        10,10,37 CO₂ +1,95СО+

                                                                                          10,37H₂O + 9,03N₂ + 10,13О₂

Q обр. продукта

 

 

                                                                                                                                                        

 

Теплота образования ряда индивидуальных ВВ, компонентов ВВ и продуктов взрыва собраны в таблицы опираясь на эти данные мы можем сделать расчеты теплоты взрывного превращения.

Q обр. смеси = nNH₄NO₃ * Q NH₄NO₃  + nC₆H₂(NO₂)₃CH₃  * QC₆H₂(NO₂)₃CH₃  =

= 7,5 * 354,8 + 1,76 * 42,3 = 2661 + 74,448 = 2735,448

Q обр. Прод. = nCO₂ * Q CO₂  + nH₂O  * QH₂O+nCO*QCO  = 10,37 * 395,6 + 10,37 * 240,6+1.95*112.5 = 4102,372+ 2495,022+219.375 = 6816.796

Q взр. превр =  Q обр. прод. -  Q обр. смеси = 6816.796 -  2735,448 = 4081.321=4081

Определение температуры взрывного превращения по Касту

Температурой взрыва называют ту максимальную температуру, до которой нагревается продукт взрыва за счет теплоты выделяющейся при взрывчатом превращении ВВ. Вычисление температуры взрыва основано на предположении что взрыв есть процесс адиабатический, протекающий при постоянном объеме, и что, следовательно, выделяющаяся при взрыве теплота расходуется только на нагревание продуктов взрыва. По этому  температура взрыва может быть вычислена по формуле:

Qv = Cv*t

Где t – искомая температура взрыва

      Cv - средняя теплоемкость продуктов взрыва в интервале от 0ᵒС до tᵒС

      Qv - теплота взрыва (рассчитанная нами в предыдущем разделе)

Но теплоемкость зависит от температуры, и вид этой зависимости для средней теплоемкости выражается при помощи степенного ряда

Cv = a + b*t + c*t² + …..

При практических вычислениях температуры взрыва этот ряд обычно ограничивают двумя первыми членами и, следовательно, зависимость теплоемкости от температуры считают  линейной т.е.

Cv = a + b*t,

Откуда

Qv = (a + b*t)*t

Или

b*t² + a*t - Qv = 0

 

 

 

Зависимость средних молекулярных теплоемкостей (Дж/моль* град) от температуры в интервале от 0˚С до t˚C Г. Каст  выражает следующими формулами:

 

Для двухатомных газов – Сv = 20,1 + 0,00189t.

Для углекислого газа Сv = 37,7 + 0,0024t.

Для паров воды Сv = 16,8 + 0,009t.

Для четырехатомных газов Сv = 41,9 + 0,00189t.

Для пятиатомных газов Сv = 50,2 + 0,00189t.

Атомная теплоемкость твердых простых веществ может быть найдена по закону  Дюлонга и Пти, согласно которому при высоких температурах она равна примерно                         25,1 ДЖ/моль*град, а теплоемкость сложных соединений по правилу Неймана - Копа,  примерно равна сумме атомных теплоемкостей составляющих его элементов.

Рассчитаем температуру взрыва по Касту:

H2O: 10,37 (16,8 + 0,009t) = 174,216 + 0,0933t

CO2:  10,37(37,7 + 0,0024t) = 390,949 + 0,0248t

 N2 :  9,03(20,1 + 0,00189t) = 181,53 + 0,017t

 СО :   1,95(20,1 + 0,00189t) = 39,195 + 0,0036t

 О2 :   10,13(20,1 + 0,00189t) = 203,613 + 0,0191t

 Cv =  H2O + CO2 + N2 +СО+ О2

Cv = 989,503 + 0,1578

 

 

t = 2839,14 + 273 = 3112,14˚K

Расчет по Г. Касту дает заниженные значения Сv и, как следствие, завышенные значения

Т взрыв.

 

Исследование зависимости состава продуктов взрывного превращения от состава смесевого ВВ приводим на графиках в приложении 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В работе рассмотрены характеристики смеси тротила с нитратом аммония в диапазоне от 90/10 до 50/50. С ростом концентрации тротила в смеси уменьшается содержание кислорода и кислородный коэффициент изменяется от 122,3 до 65,5 при изменении концентрации от 10 до 50%.

В этом диапазоне концентрации на графике зависимости  Q и Т  от содержания тротила наблюдается максимум   NH₄NO₃   около 75% где кислородный коэффициент должен быть равен 1. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Талин, Д.Д. Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив: учеб. пособие / Д.Д. Талин. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та. – 274с.
2. Беляев, А.П. Физическая химия, Часть 1; Лекция 1/неофициальный сайт биотехнологического факультета СПХФА; www/fpti.ru.
3. Орлова, Е.Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ: Учебн. для вузов/ Е.Ю.Орлова. – Издательство: Л.: Химия Год издания: 1981. – 312с.