CC BY
4
УДК 662.352:662.311.11 Зар Ни Аунг, Денисюк А.П.
ВЛИЯНИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПРОФИЛЬ ВОЛНЫ ГОРЕНИЯ ТРИНИТРОТОЛУОЛА
Зар Ни Аунг - аспирант 4-го года обучения кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; Yesispaing4886@gmail. com.
Денисюк Анатолий Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, 20.
Исследовано влияние комбинированного катализатора на температурный профиль волны горения тринитротолуола. Показано, что катализатор (в ~ 4 раза) увеличивает скорость тепловыделения над поверхностью горения (на каркасе). Коэффициент теплопроводности сажисого каркаса, содержащего частицы никеля выше, чем коэффициент теплопроводности газовой зоны для образца без добавок. С учетом этого основное количество тепла, необходимого для распространения горения поступает в к-фазу из зоны каркаса. Таким образом, катализ горения нитросоединений, также как и для порохов, происходит на каркасе, а не в к-фазе.
Ключевые слова: температурный профиль, катализ горения, скорость горения, углеродные нанотрубки, тринитротолуол.
INFLUENCE OF CATALYST ON THE COMBUSTION TEMPERATURE PROFILE OF TRINITROTOLUENE
Zar Ni Aung1, Denisyuk A.P.1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The effect of combined catalyst on the combustion temperature profile of trinitrotoluene was investigated. It is shown that the catalyst (~ 4 times) increases the heat generation rate above the combustion surface (on the frame). The thermal conductivity coefficient of the сагЬопасеош frame containing nickel particles is higher than the thermal conductivity coefficient of the gas zone for the sample without additives. Taking into account this, the main amount of heat required to spread the combustion enters the k-phase from the frame zone. Therefore, the catalysis of the combustion of nitro compounds, as well as for propellants, occurs on the frame, and not in the k- phase. Key words: temperature profile, combustion catalysts, burning rate, carbon nanotubes, trinitrotoluene.
Введение
В [1] показано, что обязательным условием для катализа горения баллиститных порохов является формирование над поверхностью горения сажистого каркаса, на котором происходит накопление частиц катализатора, ускоряющих экзотермические реакции, поэтому сажа и углеродные нанотрубки (УНТ) способствуют образованию каркаса и поэтому повышают эффективность действия катализаторов. Это в сочетании с более высокой теплопроводностью каркаса, по сравнению с газовой зоной над поверхностью горения топлива без катализатора, приводит к увеличению потока тепла в конденсированную фазу и повышению скорости горения. С увеличением давления возможности образования каркаса уменьшаются и влияние катализатора снижается. В результате этого уменьшается значение "V" в законе скорости горения и = Bpv .
В [2] изучены закономерности катализа горения ароматических нитросоединений. Показано, что они не отличаются от закономерностей для баллиститных топлив: так, при горении нитросоединений УНТ значительно повышают влияние катализатора и с увеличением давления эффективность действия катализатора, как и для порохов, уменьшается (рис.1). В результате чего происходит снижение значения "V" (табл.1). Поэтому можно полагать, что катализатор
увеличивает скорость горения тринитротолуола (ТНТ) за счет его действия на каркасе.
Рис.1 Зависимость эффективности действия катализаторов от давления при горении ТНТ: 1 — 3%СН; 2 — 3%СН + 1%УНТ
Однако, прямых экспериментальных данных по влиянию катализатора на скорость экзотермических реакций на каркасе не было.
Поэтому целью работы явилось изучение влияния комбинированного катализатора (3%СН + 1%УНТ) на температурный профиль волны горения ТНТ, который при давлении 2 МПа увеличивает скорость горения в 1,85 раза (без УНТ скорость возрастала в 1,24 раза) (табл.1).
Таблица 1. Параметры горения ТНТ с различными добавками
№ Катализатор U=Bpv U2, мм/с Z2 = икат/ U0
B, мм/с-МПа v Ар, МПа
1 Без добавок 0,82 0,78 1,5 - 13 1,41 -
2 3% СН 1,06 0,72 1,5 - 13 1,75 1,24
3 3% СН + 1% Т-МД 1,78 0,55 1 - 15 2,61 1,85
Экспериментальная часть
Заряды с вольфрам-рениевыми термопарами толщиной 3-5 мкм готовили следующим образом. В плексигласовую трубку внутренним диаметром 7 мм засыпали примерно половину навески вещества и фигурным пуансоном делали трапециевидное углубление с величиной площадки у вершины, равной плечу термопары (~ 1 мм). В полученное углубление вставляли термопару так, чтобы её плечо лежало на площадке, после чего помещали вторую половину навески и слегка подпрессовывали её пуансоном. Собранный заряд с термопарой прессовали на гидравлическом прессе до плотности 1,62 - 1,65 г/см3. Температурный профиль ТНТ определяли при давлении 2 МПа, проводили 5-6 опытов для каждого образца. Сжигание проводилось в приборе постоянного давления в атмосфере азота.
За температуру поверхности (Тп) принимали температуру кипения (Тк) ТНТ. Её рассчитывали при давлении 2 МПа по зависимости упругости его паров от температуры по уравнению ln(P) = 12,31 - 5175/T [3]. После этого осциллограмму Т(т), зная скорость горения, перестраивали в зависимость Т от расстояния (х) от поверхности горения (при x = 0, Т = Тп). Термодинамическую (расчётную) температуру горения (табл. 2) определяли по программе «REAL».
На рис. 2 и 3 представлены температурные профили для исходного ТНТ и ТНТ с комбинированным катализатором.
На рис.2 видно, что выше Тп существует продолжительный участок (плато) с слабо возрастающей температурой от Тп = 606 К до 700 К. Это связано с тем, что при выходе спая термопары из расплава на него налипает капля. После испарения, которой спай попадает в область повышенной температуры, что искажает истинную зависимость Т от x. После этой зоны (первичное пламя) следует участок с постоянной температурой. Это - тёмная зона, после которой, возникает вторичное пламя, в
Таблица 2. Средние параметры температурного профиля в волне горения ТНТ и ТНТ с катализаторами
Образец Т* Тп, K Ф*10-4, K/см Tno, К (расчет) Тд Тт Tmax Тг, К (расчет)
K 1* l , мм K 1д, мм K 1т, мм K lmax, мм
Без добавок 408 -0,019 0.091 +0,030 606 -1,46 4.86 +2,39 1032 -62 1304 +129 -0,057 0.150 +0,037 -103 1392 +83 -0.077 0.210 +0.083 -10 2018 +24 -0.100 1.050 +0.200 2016
3%СН+ 1%УНТ 408 -0,008 0.044 +0,013 606 -2,77 11.85 +2,43 1016 -37 1351 +26 -0,011 0.065 +0,013 - - -18 1852 +31 -0.126 0.446 +0.133 1913
котором достигается максимальная температура (~ 2018 К) на расстоянии ~ 1,1 мм от Тп, равная к расчетному значению (2016 К).
2200 2000 1000 IS00 1400 1200 1000 800 000 400 200
т, К
Т.-Т
1
х, мм
-0.4 -0.3 -0.2 -0 1 0.0 0 1 02 0.3 04 0.5 0.8 0.7 0 8 0 9
Рис.2 Распределение температуры в волне горения ТНТ без добавок при 2 МПа (и =1,41 мм/с)
2200 2000 1800 16 00 ■ 14 00 ■ 1200 ■ 1000 800 6 00 ■ 4 00 2 00 ■
Т,Ь / /
1 1 1 шах
I
1 Т /
ДГ
/
1/ II
т ь = т А п т*/ 1у
1 max
■ 1 '
-0 4 -0 3 -0 2 -0 1 0 0 01 02 03 04 05 06 07 0.8 09
Рис.3 Распределение температуры в волне горения ТНТ + 3% СН + 1% УНТ при 2 МПа (и =2,61 мм/с, I = 1,85)
Из рис.3 и табл.2 следует, что катализатор с УНТ оказывает существенное влияние на температурный профиль волны горения ТНТ: уменьшается ширина всех зон горения, в волне горения отсутствует тёмная зона, увеличивается температурный градиент над поверхностью горения (в ~ 2 раза) и уменьшается (в ~ 2 раза) расстояние, на котором достигается температура дымогазовой. Следовательно, время достижения (т) температуры ТНТ с катализатором от Тп до Тд уменьшает в ~ 4 раза (т = 1д / Игаз).
Заключение
Таким образом, полученные данные показывают, что катализаторы эффективно влияют на скорость экзотермических реакций на каркасе. При этом, коэффициент теплопроводности (^каркас) сажисого каркаса, содержащего частицы никеля выше, чем коэффициент теплопроводности газовой зоны (Хгаз) для образца без добавок (например, для порохов это ~
10 раз). С учетом этого основное количество тепла, необходимого для распространения горения поступает в к-фазу из зоны каркаса. Поэтому результаты подтверждают о том, что катализ горения нитросоединений, также как и для порохов, происходит на каркасе, а не в реакционном слое к-фазы.
Список литературы
1. А. П. Денисюк, Л. А. Демидова, В. И. Галкин. Ведущая зона горения баллиститных порохов с катализаторами // ФГВ. 1995. Т. 31. №2. С. 32-40.
2. Antoly P. Denisyuk, Zar Ni Aung, Yury G. Shepelev. Energetic Materials Combustion Catalysis: Necessary Conditions for Implementation // Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2021, Vol.46, p.90 - 98.
3. Збарский В. Л., Жилин В. Ф. Толуол и его производные. -М.: Эдиториал УРСС, 2000. -272с.
