Основы пиротехники (стр. 12 )

Пример 3. Составить уравнение реакции горения смесей нитрата калия с идитолом.

Принимая для идитола формулу C13H12O2, получаем два уравнения:

•l2KN03+C13H12O2=6K20+6N2+ 13С02+6Н20;........(5.5)

34KN03+5C13H12O2=17K20+ 17N2+65CO+30H20.. (5.6)

Рецепт но (5.5)

Нитрат калия. . . 86% Идитол..... 14%

Рецепт но (5.6)

Нитрат калия. . . 77% Идитол..... 23%

Уравнения (5.5) и (5.6) только в известной мере соответствуют действительности; при горении смесей нитрата калия с органическими горючими образуются и некоторые количества нитрита и пероксида калия, а при соединении оксида калия с двуокисью углерода образуется карбонат калия.

Подбор коэффициентов при расчете смесей (особенное органическими горючими) требует много времени. Но можно восполь -

* Значительный выигрыш в количестве тепла получится толькр тогда, когда образующийся Mg3N2 сможет в пламени окислиться кислородом воздуха до MgO.

зоваться таблицами, в которых указано, сколько граммов окислителя потребуется для выделения 1 г кислорода и какое количество горючего может быть окислено 1 г кислорода (см. табл. 2.1, 3.3 и 4.2).

Пример 4. Найти рецепт состава, содержащего перхлорат калия и идитол. если при сгорании идитола образуются СO2 и H2O.

Для перхлората калия находим в табл. 2.1 число 2,17, а для идитола в табл. 4.2 — число 0,4. Отсюда

КС104 . . .	2,17
ИДИТОЛ	. . 0,42
Всего смеси	. . 2,59
или
КС104 . . .	. 83,8%
идитол	. 16,2%

§2. ТРОЙНЫЕ И МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СМЕСИ

Часто тройные смеси можно рассматривать как состоящие из двух двойных смесей, содержащих в себе один и тот же окислитель. Однако наличие в составе двух разных горючих иногда резко изменяет направление реакции, и тогда такой подход оказывается неприемлемым. Так, например, в случае состава нитрат бария — алюминий — сера происходит взаимодействие между алюминием и серой с образованием сульфида алюминия Al2S3, который затем может частично или полностью сгорать в Al2O3 и S02.

В числе продуктов горения такого состава могут быть ВаО, А120з, Ва(A102)2, BaS, Al2S3, SO2, N2 и др.

Состав продуктов горения зависит не только от соотношения компонентов в составе, но и от условий горения, от давления окружающей среды, от начальной температуры, от плотности состава, от диаметра факела и т. п.

При ориентировочных расчетах для тройных составов, содержащих в себе окислитель, порошок металла и органическое горючее (связующее), может быть использован следующий прием (см. пример 5).

Пример 5. Найти рецепт тройной смеси нитрат бария — магний — идитол при условии полного сгорания идитола в С02 и Н2О.

Составляя уравнения реакции или используя таблицы, находим содержание компонентов в двойных смесях (в °/о):

нитрат бария... 68

магний..... 32

нитрат бария... 88

идитол..... 12

Считая, что 4% идитола в составе обеспечат достаточную механическую прочность звездки, выбираем соотношение двойных смесей равным,2 : 1.

Исходя из этого, осуществляем расчет, который не требует пояснений:

.........................68*2.......88*1

нитрата бария ------- + ------ ~ 75%

...........................3............3

..............32*2

магния ------ ~ 21%

...............3

...............12*1

идитола ------ = 4%

..................3

Выбранное соотношение между двумя двойными смесями не всегда является оптимальным; найденный рецепт является ориентировочным и подлежит экспериментальному уточнению с учетом тех специальных требований, которые предъявляются к составам.

В некоторых составах сигнальных огней соль, окрашивающая пламя, не принимает активного участия в процессе горения состава.

Пример 6. Найти рецепт состава красного огня, содержащего хлорат калия, карбонат стронция и идитол. Реакция горения этого состава может быть приближенно выражена уравнением

10КС10з+nSrСОз+ C13H12O2=10KCl+nSrO+(13+n)C02+6H20. (5.7)

Известно, что для получения пламени хорошего красного цвета достаточно взять 20—25% карбоната стронция, а остающиеся 80—75% распределить между хлоратом калия и идитолом на основании написанного выше уравнения реакции.

При наличии в составе 25% SrCO3 получаем рецепт (в °/о):

хлорат калия. . ...... . . 64,4

карбонат стронция.... 25

идитол................ ....... 10,6

§ 3. СОСТАВЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ КИСЛОРОДНЫМ БАЛАНСОМ

Во многих случаях специальный пиротехнический эффект повышается, если в процессе сгорания горючего принимает участие не только окислитель, но и кислород воздуха.

Это происходит потому, что для многих видов составов (осветительных, зажигательных и др.) специальный эффект повышается с увеличением теплоты горения состава. Она при прочих равных условиях будет тем больше, чем больше в составе будет содержаться полностью сгорающего (хотя бы частично и за счет кислорода воздуха) горючего.

Хороший специальный эффект от составов, содержащих в себе избыток горючего, получается обычно в тех случаях, когда горючее представляет собой легко окисляющееся вещество, способное частично сгорать за счет кислорода воздуха.

Типичным примером такого горючего является магний. Во многих случаях рационально построение на основе магния таких составов, где только половина его окисляется за счет кислорода окислителя, а другая — за счет кислорода воздуха.

Наоборот, составы, содержащие трудноокисляемое горючее (например, грубодисперсные частицы алюминия), должны иметь достаточное для его полного сгорания количество окислителя.

Количество горючего, которое может сгореть за счет кислорода воздуха, определяется опытным путем.

Избыток окислителя, не участвующего активно в процессе горения, является почти во всех случаях вредным. Составы с положительным кислородным балансом в пиротехнике не применяются 1.

Составы, содержащие окислитель в количестве, необходимом для полного сгорания всего горючего (или горючих), называют составами с нулевым кислородным балансом.

Составы, содержащие окислитель в количестве, недостаточном для полного сгорания горючего, называют составами с отрицательным кислородным балансом.

Большинство составов имеет отрицательный кислородный баланс. Эффективность действия таких составов в большой мере зависит от того, в какой степени кислород воздуха может принять участие в процессе горения.

Под термином кислородный баланс (п) состава понимают количество кислорода в граммах, добавление которого необходимо для полного окисления всех горючих веществ в 100 г состава.

Отношение количества окислителя, которое содержится в составе, к количеству окислителя, необходимого для полного сгорания горючего, называют коэффициентом обеспеченности состава окислителем (k} (в [8] это отношение обозначается через а).

Кислородный баланс, при наличии которого в составе получается наилучший специальный эффект, называют оптимальным кислородным 'балансом.

При расчете двойных смесей магния или алюминия с нитратами щелочных или щелочноземельных металлов были использованы понятия «активный» и «полный» кислородный баланс (сокращенно АКБ и ПКБ).

Под термином АКБ здесь понимается отдача окислителем в процессе горения состава только непрочно связанного так называемого активного, кислорода, например:

Sr(N03)2+5Mg=SrO+N2+5Mg. (5.8)

В случае ПКБ в расчет принимается весь кислород, содержащийся в окислителе, и уравнение составляется исходя из предположения, что, по крайней мере, в зоне пламени получается в свободном виде металл, содержащийся в окислителе.

Приводимое ниже уравнение реакции составлено исходя из ПКБ:

Sr(N03)2+5Mg=SrO+N2+6MgO. (5.8)

Составы с ПКБ являются, конечно, составами с отрицательным кислородным балансом.

Ниже приводится пример расчета составов с отрицательным кислородным балансом; при этом указывается требуемый кислородный баланс (в граммях).

* Исключением являются составы для «кислородных свечей» — см. трассирующие составы.

Пример 7. Рассчитать двойную смесь хлорат калия—магний при условии, что ее кислородный баланс п=—20 г.

В табл. 2.1 и 3.3 находим для хлората калия и магния соответственно числа 2,55 и 1,52.

Вычисляем, что 20 г кислорода окисляют 20 х 1,52=30,4 г магния.

Остающиеся 69,6 г состава должны быть рассчитаны обычным путем на нулевой кислородный баланс.

Содержание хлората калия в составе получается равным 2,55.69-6

2,55 * 69 * 6

------------------------------ = 43,6%

2,55 + 1,52

•а магния в составе будет 100—43,6=56,4%.

За счет кислорода окислителя будет сгорать 56,4 —30,4=26,0% магния Коэффициент обеспеченности состава окислителем будет в данном случае

равен k =26,0: 56,4 =0,46.

Подобный расчет может быть осуществлен и для многокомпонентных смесей.

Во многих случаях необходимо оценить расчетным путем рациональность уже имеющегося реального состава. В частности, вычисление кислородного баланса п и коэффициента k дает возможность судить о необходимости соприкосновения состава при его горении с кислородом воздуха, выяснить причины искрения состава и т. п.

§ 4. МЕТАЛЛОХЛОРИДНЫЕ СОСТАВЫ

В таких составах роль окислителя выполняет хлорорганическое соединение, горючим является порошок активного металла.

Окислителя в этом случае должно быть взято столько, чтобы содержащегося в нем хлора хватило бы на полное окисление металла.

Исходя из этого уравнение реакции между гексахлорэтаном и цинком напишется следующим образом:

C2Cl6+3Zn=2C+3ZnCl2. (5. 10)

Для упрощения расчетов может быть использована табл. 5.1, в которой указывается, какое количество окислителя отдает при распаде 1 г хлора (Li) и количество металла, соединяющегося с 1 г хлора (La).

Таблица 5.1

Окислитель	Молекулярный вес	Li	Горючее	Атомный вес	L2
Четыреххлористый уг	154	1,08	Цинк	65,4	0,92
лерод CCI4
Гексахлорэтан С2С1б Гексахлорбензол C6Сl6	237 285	1,11 1,34	Алюминий Магний Цирконий	27,0 24,3 91,2	0,27 0,34 0,64
Поливинилхлорид (С2НзС1)n	60 5	1,76	Железо	55,8	0,79 (образуется РеС1з)

Пример 8. Рассчитать процентное содержание компонентов в смеси гекса-хлорэтан — алюминий; при расчете используются данные табл. 5.1: