Термодинамические свойства пиротехнических составов гигроскопического аэрозоля для воздействия на облака и туманы Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Р. Г. Каримова, Н. Е.Тимофеев

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

ГИГРОСКОПИЧЕСКОГО АЭРОЗОЛЯ

ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЛАКА И ТУМАНЫ

Ключевые слова: пиротехнический состав, гигроскопический аэрозоль, целевые продукты сгорания, хлориды металлов. рyrotechnic structure, hygroscopic an aerosol, target products of

combustion, chlorides of metals

Исследованы термодинамические свойства целевых продуктов -хлоридов металлов в продуктах сгорания пиротехнических составов. Влияние количества гигроскопических компонентов, соотношение компонентов на эффективность составов.

Thermodynamic properties of end productions (chlorides of metals) in combustion products of pyrotechnic compositions. As well as influence of amount of hydroscopic components, proportion of components to the compositions efficiency are investigated

В настоящее время во многих странах осуществляются крупномасштабные научные и производственные проекты изменения погоды с целью защиты от градобитий, предотвращения засухи, рассеяния облачности и туманов, улучшения погоды над мегаполисами в дни массовых спортивных и праздничных мероприятий. Технологии предотвращения града, искусственного увеличения осадков и рассеяния облачности основаны на засеве облаков аэрозолем кристаллизующих или гигроскопических реагентов.

Создание пиротехнических составов, работоспособных как при отрицательных, так и при положительных температурах облаков, является актуальным.

Генерация активных центров кристаллизации при воздействии на облака при положительных температурах может производиться путем введения в них веществ, обладающих высокими гигроскопическими свойствами.

В Южной Африке были проведены успешные эксперименты по засеву конвективных облаков мелкими гигроскопическими частицами. В настоящее время такие исследования проводятся в Африке, Индонезии, Мексике, РФ.

К пиротехническим составам гигроскопического аэрозоля предъявляются следующие требования:

1. общее количество аэрозольных частиц, получаемых от 1г гигроскопического реагента (вещества), должно быть не менее 5-1011;

2.оптимальная температура продуктов сгорания (1800-2000 К);

3.ПС в процессе горения должен генерировать гигроскопический аэрозоль, обеспечивающий понижение относительной влажности над насыщенным раствором вещества не менее чем до 75% в диапазоне температур от 0 до +20°С;

4.размер частиц гигроскопического аэрозоля (размер, соответствующий максимуму в спектре распределения частиц по размерам) 0,3-1,0 мкм;

5.количество частиц размером менее 0,3 мкм в спектре должно быть минимальным;

6. используемые вещества должны быть доступны и экологически безопасны.

При выборе веществ для составов были использованы данные по растворимо-

сти в воде продуктов сгорания составов. Согласно литературным данным в продуктах сгорания пиротехнических составов (ПС) целесообразно получать следующие целевые продукты - гигроскопические реагенты:

1) йодиды (Са^, Оо^, 2^2, Иа^ Ки, Ш, Ыи);

2) бромиды (СаВг, СоВг2; 2пВг2, ЫаВг, КВг, ЫВг, Ы1Вг);

3) хлориды (СаС12, СоС12, 2пС!2, ЫаС1, КС1, ЫС!, ЫЮ!).

В качестве окислителя использовали перхлорат калия. Выбор этого окислителя обусловлен двумя причинами:

- наличием большого количества активного кислорода;

- образованием при разложении целевого вещества - КС1.

В качестве горючего использовали магний; в качестве горючесвязующих -фенолоформальдегидные смолы (СФ-342А, СФ-0112А).

В качестве добавки использовали: ЫаС1, образующее в продуктах сгорания гигроскопический хлорид.

При выборе рецептур для проведения термодинамических расчетов за основу были приняты двойные смеси (окислитель + горючее), в которых изменяли содержание окислителя и горючего, природу и количество добавок.

Определение термодинамических характеристик продуктов сгорания проводили по программе ТЕЯМО (Научно-исследовательский институт прикладной химии г. Сергиев - Посад) с использованием ПЭВМ (электронно-вычислительная машина). При расчетах было принято, что горение происходило без расширения, для условий в генераторе аэрозоля.

Исходными данными для расчета являлись:

1) рецептуры составов;

2) энтальпия образования компонентов;

3) условия горения состава (давление в генераторе Р=0,4МПа).

Определяемые параметры:

1) температура горения, К;

2) содержание целевого продукта (ЦП), г/кг.

Для сравнения проводили расчет термодинамических характеристик известных зарубежных и отечественных пиротехнических составов гигроскопического аэрозоля (южно-африканский состав (ЮАР), отечественный состав «ДАРГ» и др.).

По результатам расчета определяли содержание целевых продуктов (гигроскопических веществ) и рассчитывали обобщенный показатель влагопоглощения продуктов сгорания.

Влагопоглощение - количество поглощенной гигроскопическим веществом влаги определяли из соотношения:

Гтфтеор - 100г Н2О (в 100г воды растворяется тгрте°р)

тгррасч - х (или влагопоглащение W)

Влагопоглощение продуктов сгорания ПС определяли по формуле:

W = тгрР ■ 100 1 тгр Р; гводы 1 кгсостава

где тгртеор - теоретическая масса гигроскопического реагента (растворимость в 100 г воды); тгррасч - расчетная масса гигроскопического реагента в продуктах сгорания. Результаты проведенных исследований представлены в таблицах 1-2.

Из приведенных данных видно, что наибольшее значение влагопоглощения продуктов горения (1138,92 гводы / кгПС) У состава ДАРГ 1.1. У состава ЮАР самое высокое

значение температуры горения (2307,4 К).

Из таблицы 2 видно, что исследуемые составы обладают высокими значениями влагопоглощения продуктов сгорания (от 874,77 гволы / кгпс до 1370,03 гводы / кгпс) температура горения изменяется от 1682 К до 2753 К.

Таблица 1 - Свойства известных отечественных и зарубежных составов

Название состава Рецептура состава, % Т, К Количество, г/кг, целевых продуктов сгорания Влагопогло-щение про-

КС! МдСІ2 ЫаС! дуктов сгорания, Гводы/КГпс

Южноафриканский состав (ЮАР) КСІО4 - 65 ЫаС! - 10 Мд - 5 СОз — 2 СФ-342 А - 18 2307,4 226,89 0,13 102,11 1083,29

ДАРГ 1.1 КСІО4 - 65 СФ-342 А - 18 ЫаС! - 10 Мд - 5 ЫПСОз - 2 2248,0 236,68 0,14 109,36 1138,92

Таблица 2 - Свойства опытных составов, генерирующих хлориды металлов

Рецептура состава, % Т, К Количество, г/кг, целевых продуктов сгорания Влагопоглощение продуктов сгорания (гводы/кгПс)

КС1 МдС!2 ЫаС!

Мд-5 КС1О4-55 СФ-342 А-20, ЫаС!-20 1682 137,36 0,003 138,83 874,77

Мд-3 КС1О4-70 СФ-342 А-12 2604 253,82 1,20 169,44 1370,03

ЫаС1-15

Мд-5 КСІО4-7О СФ-342 А-13 ЫаС!-20, И2СО3-2 2753 239,74 0,13 213,97 1133,35

На основании расчетных данных установлено, что состав, содержащий Мд-3%,КС!О4 -70%, СФ-342А-12%,ЫаС1-15%, имеет лучшие характеристики по сравнению

с зарубежным составом (содержание ЦП больше на 20%, влагопоглощение продуктов сгорания на 25%). Повышенная эффективность состава связана с увеличенным содержанием хлорида натрия, являющегося целевым продуктом.

Заключение

Исследованы ПС, генерирующие при горении гигроскопические целевые продукты. Термодинамический расчет показал, что исследуемые составы образуют большее количество хлоридов металлов в продуктах сгорания.

Литература

1. Гайваронский, И.Н. Гидрометеорология: О введении реагентов в облако при воздействии на градовые процессы / И.Н. Гайваронскиий, Ю.А. Серегин. - Долгопрудный: ЦАО, 1965. -125с.

2. Сталевич, Д.Д. Гидрометеорология: Вызывание искусственных осадков с помощью гигроскопических веществ / Д.Д. Сталевич, Л.И. Ермашина - М. ГГО, 1972. - 18с.

3. Кнуняну, И.Л. Краткая химическая энциклопедия: в 1 ч. / Ил Кнуняну. - М.: 1961.Ч.2 : Неорганические вещества. -1961. - 1262с.

© Р. Г. Каримова - асп. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; Н. Е.Тимофеев -д-р техн. наук, профессор той же кафедры. Б-шаі1:кагішоуа@к8Іи.т.