Газообразные продукты горения

Образование газообразных веществ тори горении наблюдается почти для всех видов пиросоставов. Из реально используемых составов совсем не дает их при сгорании, по-видимому, только железоалюминиевый термит и, возможно, некоторые безгазовые составы.

В составах осветительных, трассирующих и сигнальных огней и в фотосмесях образование газов при горении необходимо для того, чтобы при горении получить пламя и таким образом увеличить количество излучаемой световой энергии. Образование газов при горении твердых пиротехнических топлив — необходимое условие для обеспечения тяги реактивного двигателя.

В дымовых составах наличие газов необходимо для выталкивания из сферы реакции в атмосферу частичек дымообразующих веществ.

При горении зажигательных составов образование газов также желательно, так как это значительно расширяет создаваемый очаг пожара.

Вместе с тем при горении пиросоставов образуется также известное количество твердых веществ. Исключением являются газогенераторные составы, а также некоторые горючие, сгорающие за.счет кислорода воздуха. Так, бензин, керосин, нефть, употребляемые в зажигательных средствах, дают при сгорании очень мало твердых продуктов.

Соотношение между газообразными и твердыми продуктами горения определяется назначением состава и требуемым специальным эффектом. Для осветительных и трассирующих составов газообразные продукты горения составляют 15—25% от веса

Однако и для термита при температуре реакции (~2400°С) некоторая (сравнительно небольшая) часть промежуточных продуктов реакции находится в парообразном состоянии.

состава. Дымовые составы выделяют при сгорании большое количество газообразных продуктов.

Обычно вычисляется объем газообразных продуктов горения 1 г состава при 0° С и 760 мм рт. ст. (9, 81-10 4 Н/м2). Этот объем называется удельным и обозначается через V0.

Обычно при вычислениях к объему газов (С02, СО и др.) добавляют еще объем, занимаемый при нормальных условиях образовавшимися парами воды.

Объем Vt газообразных продуктов при температуре горения I вычисляется по общеизвестной формуле

Vt=Vo( 1+0, 00366 * t).

При вычислении следует принимать во внимание все вещества, находящиеся при температуре горения в парообразном состоянии.

Примером может служить смесь КС10з+2А1=КС1+А120з.

Так как температура горения этой смеси около 3000° С, а хлористый калий кипит при 1415° С, то в процессе горения он будет целиком находиться в парообразном состоянии.

Газообразные продукты реакции горения составов образуются в основном за счет окисления или разложения компонентов, содержащих водород, углерод, азот, юеру и хлор.

Первые два элемента входят в состав органических соединений, т. е. горючих и связующих. Водород содержится также в солях аммония.

Азот содержится в нитро- или аминосоединениях, а также в окислителях — нитратах. Сера содержится в сульфидах (Sb2S3, тиомочевине и др.), а иногда вводится в составы и в элементарном состоянии. Хлор содержится в хлорорганических соединениях; свободный хлор и хлористый водород образуются при горении составов, содержащих перхлорат аммония.

При распаде и окислении соединений, содержащих указанные элементы, образуются H2O, С02, СО, N2, SO2, H2, С12, HC1, а в некоторых случаях и оксиды азота NO и NO2. В табл. 6.3 указан объем, занимаемый при нормальных условиях 1 г этих соединений.

Таблица 6.3

Как видно из таблицы, при равном весе наибольший объем в газообразном состоянии занимает водород, а затем пары воды, окись углерода и азот. Исходя из этого можно сделать вывод, что для получения большого количества (по объему) газообразных продуктов следует в качестве горючих пользоваться органическими веществами, содержащими много водорода; количество окислителя следует, исходя из тех же соображений, рассчитать таким образом, чтобы окисление горючего происходило до получения Н2О и СО (но если это диктуется термохимическими соображениями, то до Н2О и СО2). Из твердых горючих большое количество водорода содержат парафин, стеарин и уротропин.

Удельный объем газообразных продуктов горения может быть определен двумя способами.

1. Экспериментально. При этом для измерения объема газов их выпускают из калориметрической бомбы в газометр. Можно поступить и no-другому — измерить ртутным манометром давление газов непосредственно в бомбе и воспользоваться полученной величиной (с учетом температуры, газов в бомбе) для вычисления объема. Надо помнить, что продукты горения после охлаждения будут иметь уже несколько иной состав, чем в момент реакции. Так, например, могут протекать реакции образования карбонатов из С02 и оксидов металлов.

Следует отметить, что в определяемое опытным путем значение V0 не входит объем, занимаемый парами воды.

2. Расчетным путем — на основании уравнения реакции горения состава. Оно может быть составлено двумя способами:

а) предположительно — на основании имеющегося экспериментального материала о реакциях горения других составов, сходных по рецепту с исследуемым;

б) более точно — на основании химического анализа продуктов горения.

Удельный объем рассчитывают по формуле

V 0 = 22, 4*n*1000 / m

где п — число г-молей газообразных веществ;

т — масса реагирующего состава 'в граммах.

Пример 2. Рассчитать Vо для состава, содержащего 75% нитрата бария, 21% магния, 4% идитола.

Реакцию горения можно приближенно выразить уравнением

14, 6Ba(N03)2+43, 2Mg+C13H1202=14, 6BaO+14, 6N2++43, 2MgO+13C02+6H2O,

откуда

Vо=22, 4(14, 6+13+6) • 1000=149 см3/г состава.

В табл. 6.4 приведены значения Vo, рассчитанные для различных составов.

Таблица 6. 4 Удельный объем газообразных продуктов горения составов

Можно установить некоторую связь между назначением состава и удельным объемом Vо газообразных продуктов его горения (в мл/г):

фотоосветительные............................................ 50—100

осветительные и трассирующие...................... 100—300

сигнальные ночные............................................. 300—450

дымовые (кроме металлохлоридных смесей).....300—500

зажигательные (содержащие окислитель)......... 0—300

безгазовые....................................................…..... 0—20

смесевое ракетное топливо (для сравнения)..... 600—850

Однако эти цифровые данные следует рассматривать как ориентировочные ввиду недостаточности имеющегося материала.

Заметим, что значение Vo для пиротехнических составов значительно меньше, чем для вторичных ВВ; так, для гексогена Vo составляет 908 мл/г, для тетрила — 750 мл/г, для тротила — 688 мл/г.

В заключение следует указать, что для твердых ракетных топл.ив используются другие более точные методы расчета количества газообразных продуктов реакции горения.