ТЕМА 6

ОСНОВИ ВИБУХУ

 

При вибуху розвивається вкрай висока потужність виділення енергії хімічної реакції. Якщо процес відбувається в невеликому об’ємі, то газоподібні продукти реакції, що виділяються створюють величезний тиск, який викликає сильні руйнування навколишніх матеріалів. Наприклад, вибух тонни вибухової речовини (ВР ) може за час ~ 10–4 с створити тиск порядку сотень тисяч атмосфер і викликати утворення потужної ударної хвилі. Тому вибух знайшов широке застосування у військовій області для руйнування споруд, комунікацій і військової техніки, а також для ураження людей.

Широко зустрічаються випадки, коли вибух є небажаним процесом. Практично будь–яка газова суміш пального з повітрям може вибухати за певних умов (наприклад, при витоку природного газу у квартирах). Практично будь горючий матеріал, що знаходиться в повітрі в тонко подрібненому вигляді, може дати при підпалюванні в певних умовах т.зв. пиловий вибух. Відомі вибухи, в яких у вигляді пилу брали участь такі матеріали, як вугілля, сажа, деревина, папір, пробка, висівки, солод, крохмаль, цукор, борошно, шерсть, пакля, алюміній, магній, смола, сірка, нафталін та ін.

Для пилоподібних сумішей їх здатність до вибуху залежить від ступеня подрібнення (дисперсності) горючого матеріалу, а також від його концентрації в повітрі. Для таких сумішей є нижня концентраційна межа вибуховості, який, у свою чергу, залежить від потужності джерела запалювання.

 

6.1. Характеристика процесів, що протікають при вибуху

Ударна ( вибухова ) хвиля – породжений вибухом рух навколишнього середовища, при якому відбувається різке підвищення тиску, щільності і температури газів. Під впливом високого тиску газів, що утворилися під час вибуху, на початках незбурене середовище відчуває різке стиснення і набуває великої швидкості. Стан руху передається від одного шару середовища до іншого так, що область, охоплена вибуховою хвилею, швидко розширюється. Швидкість поширення вибухової хвилі перевищує швидкість звуку. Руйнівна дія вибухової хвилі, що пов’язана зі створенням надлишкового тиску в середовищі, слабшає пропорційно квадрату відстані від місця вибуху.

Основним параметром ударної хвилі є величина максимального надлишкового тиску, який створюється в навколишньому середовищі. Особливості ударних хвиль:

• Швидкість поширення ударних хвиль завжди більша швидкості звуку в незбуреному середовищі і залежить від інтенсивності ударної хвилі;

• Час дії ударної хвилі залежить від потужності вибуху;

• Ударні хвилі супроводжуються переміщенням середовища в напрямку поширення хвиль збурення;

• У фронті ударної хвилі параметри стану і руху середовища змінюються стрибком;

• Сила впливу ударної хвилі поступово зменшується з відстанню від точки вибуху .

Екзотермічність реакції.

Це перша необхідна умова, без якої виникнення вибухового процесу було б неможливим. Без цього не сталося б самопоширення вибуху і саморозігріву газоподібних продуктів реакції до температури кілька тисяч градусів та їх позширення. Чим вища теплота реакції, тим більш руйнівний вибух. Для сучасних вибухових речовин, що найширше застосовуються на практиці, теплота реакції знаходиться в межах від 3 до 7 мДж/кг.

Значна швидкість процесу.

Це найбільш характерна ознака, яка відрізняє вибух від звичайних хімічних реакцій. Перехід до продуктів реакції зазвичай відбувається за стотисячні і навіть за мільйонні частки секунди. Тому в дуже невеликому просторі відбувається колосальна концентрація енергії, яка недосяжна при будь–яких інших реакціях.

Особливо великі густини енергії досягаються при вибуху конденсованих (твердих або рідких ) речовин, які і знаходять широке застосування в техніці. Як було сказано вище, швидкість поширення вибухового процесу за вибуховою речовиною ( детонаційна хвиля ) може досягати величин 7–10 км/с.

Газоутворення. Високий тиск і зумовлений ним руйнівний ефект вибуху не міг би бути досягнутий, якщо б реакція не супроводжувалася виділенням великої кількості газоподібних продуктів. Зазвичай з 1 л звичайних вибухових речовин утворюється близько 1000 л газоподібних продуктів, які в момент вибуху знаходяться в невеликому просторі, що займала до цього вибухова речовина. Максимальний тиск при вибуху конденсованих ВР може досягати сотень тисяч атмосфер.

При вибуху газоподібних ВР збільшення об’єму не відбувається, а іноді відбувається навіть його зменшення ( наприклад, в суміші водню і кисню). Проте за рахунок екзотермічності і високої швидкості реакції тиск при вибуху може досягати близько 10 атм. Тому такі небезпечні вибухи природного газу в шахтах і квартирах при його витоку .

Вибухові речовини являють собою речовини або їх композиції, які містять і окислювач ( зазвичай кисень у вигляді різних функціональних груп – нітро, перхлорати ), і відновник (органічні сполуки, алюміній , магній). Всі вони є термодинамічно нестійкими системами, здатними під впливом зовнішніх впливів (часто дуже незначних ) до швидкого екзотермічного перетворення.

Застосовується різна класифікація вибухових речовин : за характерною в умовах експлуатації формою хімічного перетворення, за чутливістю до зовнішніх впливів, за хімічною природою або складом, за умовами застосування .

Важливою характеристикою ВР є також їх детонаційна стійкість, мірою якої служить критичний діаметр детонації, тобто найменший діаметр циліндричного заряду, при якому детонація поширюється, незважаючи на розкид речовини із зони реакції. Детонаційна здатність тим більша, чим менший критичний діаметр.

До індивідуальних ВР можна в принципі віднести будь–які хімічні сполуки, у яких при зовнішніх впливах може статися вибух. Зазвичай процес відбувається у вигляді внутрімолекулярного окислення. В даний час відомо досить велика кількість ВР, з яких на практиці застосовують 2–3 десятки. За своїм складом вони поділяються на індивідуальні та суміші на їх основі.

 

 

6.2.Адіабатичний тепловий вибух

Протікання екзотермічної хімічної реакції в будь-якій ізольованій (замкнутій) системі має призвести до вибуху.

Розглянемо граничний випадок – адіабатичну (теплоізольованою) систему, в якій протікає екзотермічна хімічна реакція. Швидкість реакції описується кінетичним рівнянням

 ,                                  (6.1)

де С, С1 , С2 – концентрації продуктів реакції і реагентів ;

z, E – предекспонент і енергія активації ;

Т – абсолютна температура ;

R0 – універсальна газова стала;

n1, n2 – порядок реакції по першому і другому реагентів.

Нехай q – тепловий ефект реакції на один моль продукту С, що утворюється в ході реакції. Оскільки система теплоізольована і займає постійний об’єм, то швидкість зміни температури Т в системі визначається рівнянням

  ,                                              (6.2)

де – питома теплоємність при постійному об’ємі;

ρ – густина суміші.

Припустимо, що q >> сV T0 (початкової енергії системи). Тоді протікання екзотермічної реакції в ізольованій системі буде приводити до істотного підвищення температури навіть при малому вигорянні вихідних компонентів суміші.

Рівняння ( 6.2 ) з урахуванням (6.1) можна представити у вигляді

 ,                                          (6.3)

де .

Інтегруючи рівняння (2.3 ) з урахуванням початкової умови Т (t = 0) = T0, отримаємо

або

 ,                                                     (6.4)

де .

 

 

Результати розрахунків за рівнянням (6.4), наведені на рис. 6.1, показують , що з ростом часу t температура Т плавно зростає до моменту часу t/β = 1,, а потім зростання температури різко прискорюється. Це явище називається тепловим вибухом. Проміжок часу tв = b називається періодом індукції (часом затримки займання) теплового вибуху в теплоізольованій системі з екзотермічної реакцією.

 

Рис. 6.1 . Залежність температури адіабатичної системи від часу для різних значень параметра Е/(R0T0).

 

З графіків, наведених на рис. 6.1, випливає, що зі збільшенням початкової температури Т0 час затримки запалення (період індукції) tв знижується.

 

 

 

6.3.Тепловий вибух в неадіабатичних умовах

У реальних системах завжди відбуваються втрати теплоти за рахунок теплопровідності через стінки , конвекції , випромінювання і т.д. При цьому екзотермічна реакція буде або прискорюватися, приводячи до вибух , або протікати з постійною швидкістю при постійній температурі Т=const, яка визначається тепловим балансом системи. Так, зокрема, протікають екзотермічні реакції горіння в газових печах, котельних пічках та інших теплотехнічних агрегатах.

При наявності теплових втрат рівняння (6.2) прийме вигляд

 

 ,                               (6.5)

де V – об’єм реактора;

S – площа поверхні стінок реактора;

Tс – температура стінок реактора;

α – коефіцієнт теплопередачі.

Перший доданок в правій частині рівняння (6.5) описує швидкість виділення тепла в системі за рахунок хімічної реакції. Другий доданок – швидкість відводу тепла за рахунок теплопровідності стінок, яка лінійно залежить від температури реагує суміші . Швидкість припливу тепла зростає за степеневим законом із зростанням початкової концентрації компонентів, і експоненціально зростає із зростанням температури Т відповідно до закону Арреніуса.

Позначимо через . Графіки залежності швидкості тепловиділення Q + і швидкості тепловтрат Q– від температури Т наведено на рис. 6.2. для трьох значень D:

 

D1 > Dкр > D2.

З аналізу наведених графіків, які представляють собою діаграму Семенова, випливає, що при D = D1 , криві Q + , Q– не мають точок перетину; при D = Dкр, криві Q + , Q– мають одну точку дотику ; при D = D2 , криві Q + , Q– мають дві точки перетину .

У першому випадку (D=D1) швидкість тепловиділення завжди перевищує швидкість тепловтрат, і в системі обов’язково відбудеться тепловий вибух, так як температура суміші буде необмежено зростати.

Другий випадок (D=Dкр), коли має місце доторкання кривих тепловиділення і тепловтрат, визначає максимальне значення концентрації реагентів (параметра D), при якому швидкість тепловиділення дорівнює швидкості тепловтрат.

Рис. 6.2. Вплив температури неадіабатичних системи на швидкість тепловиділення і швидкість тепловтрат

 

Всі інші криві Q+ для більш низьких значень концентрації реагентів перетинають криву Q– двічі. Причому, стійкого стану системи відповідає лише нижня точка з більш низькою температурою Туст .

Таким чином, якщо концентрація реагентів не перевищує певного критичного для даної системи значення, то температура реагує суміші в реакторі буде постійною Т = Туст =const, причому Туст > Тс. При виконанні цієї умови після деякого перехідного періоду в хімічному реакторі встановлюється стаціонарний режим, при якому швидкість екзотермічної реакції буде мати постійне значення u = const.

Температура Т2 відповідає максимальній температурі в реакторі, при якій можливе стійке протікання хімічної реакції ( при заданих значеннях С1, С2, Тс ). Можна показати , що величина Т2 визначається за формулою:

.

Температура Т2 пов’язана з параметрами реактора таким співвідношенням:

 

.

 

Це рівняння дозволяє визначити вибухобезпечність кожного конкретного реактора.

Позначимо

Z1 = ,

Z2 =

 

Якщо Z2<< Z1, то реактор вибухобезпечний, якщо Z2 » Z1, то ситуація є критичною, тобто можна очікувати вибуху; при Z2 > Z1 в реакторі обов’язково відбудеться тепловий вибух .

Для розрахунку тиску в реакторі за відомою швидкістю росту температури dT/dt використовується рівняння стану (рівняння Менделєєва – Клапейрона )

,

де p, r, T, R – тиск, густина, абсолютна температура і газова стала продуктів згоряння в реакторі. Газова стала продуктів згоряння R розраховується за формулою

 

R = cp – cv,

 

де cp, cv  – питомі теплоємності продуктів згоряння при постійному тиску і постійному об’ємі, відповідно.

 

 

6.4. Практичне використання вибухів

У мирній діяльності вибух широко використовується для розкопок родовищ, проходки підготовчих виробок і відколу корисних копалин в шахтах, рудниках і кар’єрах. Застосування вибуху в гірських роботах різко знижує трудомісткість і значно прискорює роботи. Існує маса інших прикладів застосування вибуху в мирних цілях:

• Вибух широко використовується там, де потрібне переміщення великої кількості ґрунту вибух у мирному житті? – прокладання каналів, доріг, утворення штучних водойм, перекриття річок;

• У нафтовій промисловості вибух застосовують для прострілу обсадних труб, торпедування свердловин, при ліквідації аварій в свердловинах і гасіння нафтових і газових факелів;

• Вибух також використовується для пошуків корисних родовищ нафти, газу та інших корисних копалин методом сейсморозвідки;

• Руйнування кам’яних будівель і споруд, призначених до знесення, в містах найбільш ефективно і безпечно проводити вибуховим способом;

• У промисловості широко застосовується вибуховий спосіб клепки, штампування, різання і зварювання;

• Вибухові речовини застосовуються навіть у сільському господарстві для викорчовування пнів, розпушення ґрунту, риття канав для зрошення полів і осушування боліт.

У цілому роль вибуху в гірничій справі та інших галузях народного господарства так велика, що важко уявити собі, як без нього був би досягнутий сучасний рівень матеріальної культури.

 

Контрольні запитання:

1.            Що впливає на здатність до вибуху для пилоподібних сумішей?

2.            Від чого залежить швидкість поширення ударних хвиль?

3.            Як впливає екзотермічнісь реакції на силу вибуху?

4.            Як класифікують вибухові речовини?

5.            Мірою чого служить критичний діаметр детонації?

6.            Як протікає екзотермічна хімічна реакція в адіабатичній системі?

7.            Які особливості теплового вибуху в реальних умовах?

8.            Яке практичне застосування має вибух у мирному житті?