Смесевой взрывчатый состав

Описание изобретения

Аналоги изобретения

Справочные данные

Прототип

Сущность изобретения

Расчет взрывчатых составов на основе клатратов метана

Формула изобретения

 

Описание изобретения

Изобретение относится к промышленным взрывчатым веществам и может быть использовано в горной промышленности при разработке месторождений полезных ископаемых. По этим признакам классификация изобретение по 6-й редакции МПК соответствует индексам 7 ред С 06 В 25/00 и С 06 В 31/32. Просмотреть описание изобретения к патенту 2 268 250 "Смесевой взрывчатый состав".

Аналоги изобретения

Аналоги изобретения - Вещества взрывчатые промышленные. ГОСТ 21988-76.

ГРАММОНИТ 79/21. RU 2120929 C1, 27.10.1998. RU 2114095 C1, 27.06.1998. US 3304211 A, 14.02.1967. US 3361603, 02.01.1968. US 2602732, 08.07.1952. DE 2605632, 16.03.1978. RU 2176632 C 1, 10.12.2001. RU 94003786 A 1, 27.03.1996. RU 2183209 C 1, 10.06.2002. US 3321344, 23.05.1967. US 3235423, 15.02.1966. GB 1154430, 11.06.1969.

Известно промышленное взрывчатое вещество - граммонит 79/21, представляющее собой механическую смесь гранулированной аммиачной селитры (79%) и тротила (21%), чешуированного или гранулированного.

Граммонит 79/21 изготавливается только в заводских условиях, широко применяется в горнодобывающей промышленности при ведении взрывных работ на карьерах, разрезах и в шахтах в необводненных условиях по породам средней крепости.

Недостатками граммонита 79/21 являются высокая стоимость, обусловленная, с одной стороны, большим содержанием в составе дорогостоящего тротила, с другой, - издержками заводского производства и транспортными расходами по доставке граммонита как взрывоопасного груза потребителю.

Известны взрывчатые составы, содержащие в своем составе нефтепродукты. Однако в связи с истощением запасов нефти стоимость нефтепродуктов и органических соединений на их основе будет расти. Такие горючие вещества постепенно будут вытесняться из производства взрывчатых составов.

Потребность в промышленных ВВ в настоящее время составляет 700 тысяч тонн в год.

Она может возрасти при широком освоении территорий, покрытых вечной мерзлотой. По разным оценкам от 2 до 5 млн. тонн в год.

Запасов же природного газа хватит на значительно больший период времени. Поэтому уже сейчас необходимо разрабатывать принципиально новые взрывчатые составы на основе природного газа и наиболее распространенной его формы - газогидратных клатратов. В форме таких клатратов по оценкам специалистов находится более 70 процентов запасов природного газа. Большие залежи клатратов разведаны в акваториях океанов. Из сухопутных запасов известны мощные залежи клатратов метана на территории Заполярья, Норвегии, Канады и Аляски.

Целью изобретения является замена нефтепродуктов и взрывчатых веществ, используемых в составе промышленных взрывчатых веществ на более дешевые и распространенные соединения, содержащие природный газ или метан в разных формах. Учитывая широкую газификацию территорий Российской Федерации, производство связанных форм метана можно будет организовать в местах использования промышленных взрывчатых веществ - непосредственно на карьерах и таким образом снизить их себестоимость за счет снижения транспортных издержек.

Справочные данные

Газовые гидраты или клатраты - кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и газа. Им клатраты, от латинского «clathratus», что значит «сажать в клетку», было дано Пауэллом в 1948. Гидраты газа относятся к нестехиометрическим, т.е. к соединениям переменного состава (Супрамолекулярная химия: клатратные соединения (ДЯДИН Ю.А., 1998), ХИМИЯ). Газовые гидраты имеют широкое распространение в природе. Область их существования приурочена к морским донным осадкам и к областям многолетнемерзлых пород. Преобладающими природными газовыми гидратами являются гидраты метана.

В структуре газогидратов молекулы воды образуют ажурный каркас (т.е. решетку хозяина), в котором имеются полости. Эти полости могут занимать молекулы газа (молекулы-"гости"). Молекулы газа связаны с каркасом воды ван-дер-ваальсовскими связями. В общем виде состав газовых гидратов описывается формулой М*nH₂O, где М - молекула газа-гидратообразователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включенную молекулу газа, причем n - переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, давления и температуры.

Метан, как и большинство природных газов (СН₄, С₂Н₆, C₃H₈, CO₂, N₂, H₂S , изобутан и т.п.), образует гидраты. Благодаря своей клатратной структуре единичный объем газового гидрата может содержать до 160-180 см 3 чистого газа. Учитывая это, газовые гидраты в настоящее время рассматриваются как один из перспективных источников энергии.

Клатраты далеко не столь стабильны, как кристаллогидраты, сложенные из воды и полярных молекул. Они возникают только при низких (ближе к 0°С) температурах и высоких давлениях, когда из-за давления в воду внедряется много молекул неполярного газа. В клатратах молекулы Н 2O насыщают все свои водородные связи, как во льду, но этот лед имеет другую, чем обычный лед, геометрию. При этом создается как бы кристалл, где квазилед обволакивает и держит в своих ячейках регулярно расположенные молекулы газа.

Известны клатраты, образованные между молекулами газов или предельных углеводородов, с одной стороны, и молекулами мочевины, тиомочевины и гидрохинона.

Можно обратить внимание на то, что такие соединения изоструктурны и состоят из существенно различных подсистем: относительно жесткой каркасной подсистемы из связанных водородными связями молекул вещества каркаса, например молекул гидрохинона (они были названы им молекулами-хозяевами) с полостями молекулярного размера, в которых и располагаются упомянутые выше молекулы гостей. Последние в идеале могут быть координационно насыщенными и не связаны с каркасом никакими силами, кроме слабых ван-дер-ваальсовых. Однако благоприятное пространственное соответствие (комплементарность) гостевой и хозяйской подсистем приводит к тому, что клатратное соединение становится термодинамически более устойчивым, чем смесь из компонентов гост и хозяина при тех же условиях.

Решетчатые клатраты - клатраты, в которых хозяйский каркас построен из молекул, связанных друг с другом относительно слабой специфической связью (чаще других водородной). Молекула гост в полостях такого каркаса окружена несколькими молекулами хозяина (например, шестью в гидрохиноновых и 20-34 в водных клатратах). При растворении или плавлении клатратное соединение этого типа разлагается. Термическая стойкость клатрата может быть на несколько десятков градусов (но не более) выше температуры плавления компонента-хозяина и для решетчатых клатратов верхний предел устойчивости порядка 200-250 градусов С.

Известны макромолекулярные клатраты, каркас которых построен полностью на ковалентных связях, в нем невозможно выделить молекулу хозяина и он как бы в целом представляет макромолекулу.

Примером могут служить клатрасилы, в каркасах которых формульной единицей является SiO 2 . Так, минерал меланофлогит имеет структуру, полностью аналогичную структуре гидрата метана, в которой на месте атомов кислорода воды расположены атомы кремни SiO 2 , а вместо водородных (Н-) связей - связи Si - O - Si . Гост ми в клатрасилах могут быть те же молекулы, что и в гидратах, так как полости близки по размерам, но вполне понятно, что в термических свойствах наблюдаются колоссальные различия. Так, при нагревании додекасила 3С (аналога гидратов КС-II) молекулы-гости (диметил-, триметиламин) не удаляются из клатрата при нагревании его до 950 градусов С и экспозиции при этой температуре в течение 3 ч. Более того, с молекулами гостей не происходит никаких превращений при такой обработке, что, конечно, было бы невозможным при соприкосновении молекул-гостей друг с другом (Супрамолекулярная химия клатратные соединения - ДЯДИН Ю.A.htm (с поправками автора заявки).

В мономолекулярных клатратах вещество хозяин состоит из достаточно крупных молекул, каждая из которых имеет одну или более полостей, в которых могут располагаться молекулы-гости. Особенностью мономолекулярных клатратов является то, что они в отличие от рассмотренных выше клатратов могут существовать и в жидкой фазе.

Ивестны клатраты мочевины. В элементарной ячейке b-мочевины содержится шесть молекул и приходящаяся на них длина канала составляет 11,00 Б. Отсюда легко рассчитать состав клатрата: число молекул мочевины, приходящихся на молекулу гостя, очевидно равно m=6L : 11,00, где L - длина молекулы гостя в Б. Диаметр гексагонального канала (i 5,5 Б) практически одинаков по всей длине. Наиболее подходящими гостями являются углеводороды, спирты, амины и другие вещества, молекулы которых имеют нормальное строение. С ростом длины гостевой молекулы растет термическая устойчивость клатратов, например, клатрат с н-гексаном разлагается при 38 градусах С, 10 с н-гексадеканом - при 106 градусах С, с полиэтиленом - при 148 градусах С (на 15 градусов выше плавления мочевины).

Канальные соединения тиомочевины похожи на соединения мочевины, но канал имеет зоны расширения (i 7 Б) и сужения (i 6,2 Б). Клатраты образуются с СН 4, цикло-С6Н12, изо-парафинами. Известны различные типы микрокапсул и микросфер, в том числе и такие, которые содержат газ, преимущественно воздух. Например, специальные микросферы используются во взрывчатых составах для повышения стабильности их детонационных и эксплуатационных характеристик. Однако микросферы, содержащие горючий газ и предназначенные дл использования в качестве горючего, не известны.

Прототип

Наиболее близок к заявляемому составу смесевой взрывчатый состав по патенту РФ ¹2199514, включающий гранулированную аммиачную селитру и гранулированный тротил, отличающийся тем, что он дополнительно содержит минеральное масло или дизельное топливо при следующем соотношении компонентов, мас.%: Аммиачная селитра - 87, 25 Тротил - 10, Минеральное масло - 3.

Недостатком прототипа является использование тротила и нефтепродуктов. Целью изобретения является замена нефтепродуктов и взрывчатых веществ, используемых в составе промышленных взрывчатых веществ, на более дешевые и распространенные соединения и вещества, содержащие природный газ или метан в разных 30 формах.

Сущность изобретения

Предлагаемый взрывчатый состав «метанит» содержит аммиачную селитру и другие вещества.

Техническим результатом изобретения является замена нефтепродуктов и взрывчатых веществ, используемых в составе промышленных взрывчатых веществ на более дешевые 35 и распространенные соединения и вещества, содержащие природный газ или метан в разных формах.

Предлагаемый взрывчатый состав изготовляется различными способами. Одним из таких способов является механическое смешивание его компонентов - аммиачной селитры, веществ, содержащих метан в разных его формах, и других технологических добавок. Несколько рецептур за являемого взрывчатого состава приведено в таблице 1.

Расчет взрывчатых составов на основе клатратов метана

Расчеты производились исходя из условия обеспечения 5% горючего вещества и 95% аммиачной 10 селитры в каждом составе, кроме состава 8. В составе № 8 всего 2.8% горючего (метана) в селитре. За счет насыщения селитры метаном значительно повышается ее чувствительность к детонации, поэтому состав № 8 становится работоспособным с минимальным количеством горючего.

Таблица 1

Ориентировочный расчет взрывчатых составов на основе клатратов метана

 

В виде клатратов в природе содержится много больше природного газа, чем в обычных его залежах, и добыча клатратов дело будущего. Потребность в промышленных взрывчатых веществах ежегодно будет расти в связи с предстоящим освоением районов, покрытых вечной мерзлотой и горных районов планеты. Запасы нефти истощаются, а стоимость нефтепродуктов и взрывчатых веществ, используемых дл производства промышленных ВВ, постоянно растет. Предлагаемый взрывчатый состав позволит расширить сырьевую базу промВВ за счет применения в нем природного газа в качестве горючего вещества и будет способствовать снижению стоимости промышленных взрывчатых веществ.

Формула изобретения

1. Смесевой взрывчатый состав, включающий аммиачную селитру, горючее, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит водный клатрат метана или клатрат горючего природного газа в количестве от 50 мас.% и менее.

2. Смесевой взрывчатый состав, включающий аммиачную селитру, горючее, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит клатрат горючего природного газа или метана на основе тиомочевины в количестве от 50 мас.% и менее.

3. Смесевой взрывчатый состав, включающий аммиачную селитру, горючее, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит клатрат горючего природного газа на основе мочевины в количестве от 50 мас.% и менее.

4. Смесевой взрывчатый состав, включающий аммиачную селитру, горючее, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит клатрат горючего природного газа или метана на основе гидрохинона в количестве от 50 мас.% и менее.

5. Смесевой взрывчатый состав, включающий аммиачную селитру, горючее, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит клатрат горючего природного газа или метана на основе минерала меланофлогита в количестве от 50 мас.% и менее.

6. Смесевой взрывчатый состав, включающий аммиачную селитру, горючее, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит горючий природный газ или метан, капсулированный в микросферах, в количестве от 50 мас.% и менее.

7. Смесевой взрывчатый состав, включающий аммиачную селитру, горючее, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит горючий природный газ или метан, которым насыщена аммиачная селитра в количестве от 50 мас.% и менее.