DD微起爆藥爆熱參數(shù)的理論計(jì)算和成本分析

汪 磊，謝興華，徐 康

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院， 安徽 淮南232001）

1 引言

目前，我國工業(yè)雷管使用量最大的起爆藥是DDNP（二硝基重氮酚），但DDNP其本身和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)氨基苦味酸鈉等有毒物質(zhì)，以及難以處理的廢水，同時(shí)存在耐壓性差、流散性差以及廢水量大等缺點(diǎn)。常見的微起爆藥有DDNP／PETN（太安）和DDNP／RDX（黑索今）等，但PETN的市場價(jià)格較高，工業(yè)上的大規(guī)模使用成本較高，RDX的機(jī)械感度較高，生產(chǎn)和使用過程中安全系數(shù)較低。

為了適應(yīng)社會的發(fā)展要求，設(shè)計(jì)一種新型的DDNP／DNT（二硝基甲苯）微起爆藥。DNT作為一種重要的化工原料及中間體，比較容易制得，且經(jīng)濟(jì)成本低。在DDNP／DNT微起爆藥中使用DNT，DDNP在起爆藥中的含量降低，減少環(huán)境污染。本文通過理論計(jì)算DD（DDNP／DNT）微起爆藥的爆熱與爆溫，分別與DP、DR微起爆藥進(jìn)行比較，得出DD微起爆藥在理論上的可行性。

2 理論依據(jù)

二硝基甲苯［1］，簡稱 DNT，淺黃色針狀結(jié)晶，分子量為182.1，有苦杏仁味，與堿接觸變紅，在陽光下顏色變深。二硝基甲苯的主要同分異構(gòu)體是2，4－二硝基甲苯 （2，4－DNT）和2，6－二硝基甲苯（2，4－DNT），其分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 二硝基甲苯同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)

通過查閱資料，DNT同分異構(gòu)體含量分布見表1。

表1 兩段硝化甲苯DNT異構(gòu)體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

二硝基甲苯（DNT）是甲苯在混酸中經(jīng)過兩步硝化制備而得的產(chǎn)物，產(chǎn)物一般有六種異構(gòu)體。通過表1可得出，在兩段硝化甲苯獲得的DNT中，其中2，4－DNT為主要異構(gòu)體［2］。因此本文DNT的參數(shù)使用的都是2，4－DNT的爆熱參數(shù)。

3 參數(shù)計(jì)算

3.1 爆炸反應(yīng)方程式

采用最大放熱規(guī)則的方法［3］，即 H2O—CO2方法。首先H元素氧化生成H2O，然后C元素氧化成CO2，無CO生成（針對負(fù)氧平衡炸藥而言）。本文所研究的微起爆藥都是負(fù)氧平衡，所以此方法適合。反應(yīng)方程式如下：

對于負(fù)氧平衡的微起爆藥（c＜a＋0.5b）來講，其爆轟反應(yīng)式為：

3.2 爆熱

爆熱是指一定量炸藥在一定的條件下爆炸時(shí)放出的熱量，單位為kJ／mol或者kJ／kg。計(jì)算理論爆熱如圖2所示。

由圖2可知，元素到爆炸產(chǎn)物的過程有兩條途徑：一是由元素的穩(wěn)定單質(zhì)直接生成爆炸產(chǎn)物，并放出熱量Q1，3；二是由元素的穩(wěn)定單質(zhì)先生成炸藥，放出或吸收熱量Q1，2，然后再由炸藥爆炸反應(yīng)生成爆炸產(chǎn)物并放出熱量Q2，3。Q1，3即為各爆炸產(chǎn)物的生成熱之和，Q1，2即為炸藥生成熱，Q2，3即為爆熱。

圖2 計(jì)算爆熱的蓋斯三角形

3.3 爆溫

采用爆溫計(jì)算的是卡斯特?zé)崛莘ǎ?］。為了簡化爆溫計(jì)算，做以下假設(shè)：

爆炸過程是定容絕熱的，所有的反應(yīng)熱用來加熱爆轟產(chǎn)物；爆炸產(chǎn)物處于完全熱力學(xué)平衡和化學(xué)平衡之中，產(chǎn)物的熱容只是溫度的函數(shù)，與爆炸時(shí)所處的壓力狀態(tài)（或密度）不相干，但此假定對高密度炸藥爆溫計(jì)算將帶來一定的誤差。炸藥爆溫計(jì)算公式：

其中：TB為爆溫計(jì)算值，單位為K，系數(shù)A＝ΣNiBi，系數(shù)B＝ΣNiBi（對于不同的產(chǎn)物，系數(shù)不相同）。

對于雙原子分子（如 CO、N2、O2等）：Cv＝20.08＋18.83×10－4t（J／（mol·k））；對水蒸氣來說：Cv＝16.74＋89.96×10－4t（J／（mol·k））；對于三原子分子（如二氧化碳）：Cv＝37.66＋24.27×10－4t（J／（mol·k））；對于碳：Cv＝25.11（J／（mol·k））。

4 結(jié)果與分析

4.1 微起爆藥參數(shù)計(jì)算

起爆藥各組成以及爆炸產(chǎn)物的生成熱數(shù)據(jù)見表2。本文以DP起爆藥1kg為例，計(jì)算出其爆熱和爆溫。

表2 爆炸產(chǎn)物生成熱數(shù)據(jù)

首先，計(jì)算出DDNP和PETN的物質(zhì)的量為3.33mol和0.95mol，則該起爆藥的化學(xué)式：C24.75H14.26O28.06N17.13。

因此，a＝24.75 b＝14.26 c＝28.06 d＝17.13。

因?yàn)閍＋0.5·b＞c，則該微起爆藥為負(fù)氧平衡炸藥。爆炸反應(yīng)方程式為：

由上面給的生成熱數(shù)據(jù)可得到：

用同樣的方法分別計(jì)算出幾種微起爆藥的爆熱與爆溫［5］，見表3。

表3 不同微起爆藥的爆熱與爆溫

由上面的爆熱與爆溫的參數(shù)數(shù)據(jù)可以看出，DP微起爆藥、DR微起爆藥、DD微起爆藥的爆熱與爆溫均大于純DDNP起爆藥的爆熱與爆溫，說明DP微起爆藥、DR微起爆藥、DD微起爆藥這三種微起爆藥的威力比純DDNP起爆藥要大一些，同時(shí)也體現(xiàn)了以DDNP為基藥的微起爆藥取代純DDNP起爆藥的必然性。從上面的數(shù)據(jù)還可以看出，DD微起爆藥的爆溫與爆熱與DP微起爆藥、DR微起爆藥相差不大，但DD微起爆藥的威力比純DDNP的威力要大得多。

5 結(jié)論以及經(jīng)濟(jì)性分析

DDNP廢水處理費(fèi)為45元／t，每制成1 kg的DDNP產(chǎn)品形成的污染廢水的約為200kg，DDNP的生產(chǎn)成本為80元／kg，PETN的生產(chǎn)成本約為80元／kg，RDX的生產(chǎn)成本約為30元／kg，工業(yè)DNT（2，4－二硝基甲苯）生產(chǎn)成本約為9元／kg。

以1kg的起爆藥為基準(zhǔn)，微起爆藥組分配比為7∶3為例，DP微起爆藥的生產(chǎn)成本為86.3元／kg；DR微起爆藥的生產(chǎn)成本為73.3元／kg；DD微起爆藥的生產(chǎn)成本約為65元／kg?？梢钥闯觯滦虳D微起爆藥的成本是最低的，具有經(jīng)濟(jì)可行性。

而且，PETN危險(xiǎn)等級為9級，RDX危險(xiǎn)等級為7級，而DNT危險(xiǎn)等級為12級，說明DNT的危險(xiǎn)程度比PETN和RDX低得多，從微起爆藥制作的角度上來說，DD微起爆藥制作比較安全。同時(shí)，DNT本身具有爆炸性，但是它是屬于活性增塑劑類別，因此DNT它可以增加微起爆藥的柔韌性，降低微起爆藥的摩擦感度。

［1］趙禹光.高濃度廢酸中硝基甲苯去除方法研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013.

［2］陳玫君.2，4－／2，6－二硝基甲苯的分離［D］.太原：中北大學(xué)，2006.

［3］炸藥爆炸理論編寫組.炸藥爆炸理論［M］.淮南：安徽理工大學(xué)，2011.

［4］金韶華，松全才.炸藥理論［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［5］章晉英，謝興華，張東杰.新型 DDNP／PETN微起爆藥的制備及其起爆性能研究［J］.火工品，2013（5）：46－49.