Balance de Oxigeno.pdf

Universidad Nacional de Moquegua Escuela profesional de Ingeniería de Minas

1.

MARCO TEÓRICO Salvo la NG y el NA, la mayoría de los explosivos son deficientes en oxígeno, pues no tienen oxigeno suficiente para convertir cada átomo de carbono e hidrogeno presentes en la molécula explosiva en dióxido de carbono agua. Normalmente, un explosivo no utiliza el oxígeno atmosférico durante el proceso de detonación. Por esto el calor generado por la explosión de un producto deficiente en oxigeno es menor que el generado en condiciones de oxidación completa. El balance de oxigeno se expresa como un porcentaje que es igual a la diferencia entre el 100% y el porcentaje calculado (oxigeno presente- oxigeno necesario). El balance de oxígeno permite dividir los explosivos en tres grupos: 

OB Negativo: Cuando el compuesto o mezcla no contiene suficiente oxígeno y el contenido de carbono no se oxida en su totalidad sino que lo hace como de monóxido de carbono. En casos extremos se puede liberar carbono elemental e hidrógeno. Por ejemplo: 91,96% de N. de AMONIO + 8,04% de DIESEL. 2(NH4NO3) + CH2  5H2O + CO + 2N2 + 768,08 KCa1/Kg. En ésta ecuación se tiene exceso de aceite combustible, provoca una deficiencia de Oxigeno, ocasionando que el Carbono contenido en el aceite combustible se oxide como monóxido de Carbono que es un gas tóxico y debido al bajo calor de formación de éste gas solamente 768,08 KCa1/Kg. de ANFO, es liberado.



OB nulo, Cuando el balance de oxígeno es cero el compuesto químico, o la mezcla, tiene exactamente la cantidad de Oxígeno necesaria para que el contenido de carbono se convierta en dióxido de Carbono y el de Hidrógeno en agua. En principio, este es el estado más explosivo. En teoría, la liberación de energía es máxima. Por ejemplo: 94,49% de N. de AMONIO + 5,51% de DIESEL. 3(NH4NO3) + CH2  7H2O + CO2 + 3N2 + 904,13 KCa1/Kg. Esta ecuación representa una reacción con balance de Oxigeno CERO, ningún gas producido es venenoso y se producen 904,13 KCal/Kg.de ANFO.

Página 1




OB positivo, Cuando el equilibrio de oxígeno es positivo el compuesto, o mezcla, genera un exceso de oxígeno cuando explota. En principio, esto no produce una liberación de energía adicional, ya que tenemos todo el carbono y hidrógeno en el estado de máxima oxidación. Además este oxígeno no interactua con el ambiente para continuar la reacción. Aunque un ligero exceso permite que la oxidación completa se realice de forma real lo que aumenta la energía. Por ejemplo: 96,62% de N. de AMONIO + 3,38% de DIESEL. 5(NH4NO3) + CH2  11H2O + C + 4N2 + 2NO2 + 586,73KCal/Kg. En esta ecuación se ocasiona por la falta de aceite combustible condiciones de exceso de Oxigeno en la reacción, donde parte del nitrato de amonio se combina con éste exceso de Oxigeno para formar Dióxido de Nitrógeno, que es extremadamente toxico, el calor absorbido en la formación de éste gas ocasiona que se produzcan únicamente 586,73KCal/Kg. de ANFO. Que es considerablemente menor al producido por una mezcla con exceso de aceite combustible. También, el monóxido de Carbono de éste tipo de mezcla es menos tóxico que los Óxidos de Nitrógeno producidos en éste caso.

2.

PESOS MOLECULARES DE COMPUESTOS QUÍMICOS Compuesto Diesel Nitrometano Nitroglicerina PETN TNT Monóxido de carbono Dióxido de carbono Agua Nitrato de amonio Aluminio Carbono Nitrógeno Monóxido de nitrogeno Dióxido de nitrogeno

Fórmula CH2 CH3O2N C3H5O9N3 C5H8O12N4 C7H5O6N3 CO CO2 H2O NH4NO3 Al C N NO NO2

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Peso Molecular 14,0 61,0 22,1 316,1 227,1 28,0 44,0 18,0 80,1 27,0 12,0 14,0 30,0 46,0


3.

BALANCE DE OXIGENO PARA EL ANFO Reacción química del ANFO:

Oxidante + hidrocarburo  H2O + CO2 + N2 + KCa1/Kg.

NH4NO3 + CH2  H2O + CO2 +N2 + KCa1/Kg. Formula del balance de Oxigeno para el ANFO:

Dónde:

Oxigeno

Nitrogeno

Hidrogeno

Carbono

4.

BALANCE DEL OXIGENO DEL ANFO NULO: La programación lineal del ANFO con respecto al balance de oxigeno es de la siguiente forma:

Página 3


Esta ecuación está sujeta a la siguiente restricción:

.........(I) Es optima la programación lineal del ANFO, cuando

.

(II) Sistema de ecuaciones (I y II):

Ecuaciones:

Y

10

Y=100 - X

9 8 7

(94,49; 5,51)

6

5,51

5 Y=14X/240,3

4

3 2 1 94,49

0 80

85

90

Página 4

95

X 100


5.

CALOR DE EXPLOSIVO: Δ Hp (Explosivo) = Hp(Producto) - Hp(Explosivo) 3NH4NO3+ 1CH2 → CO2 + 7H2O + 3N2 Datos de calor de Formación en Kcal/mol

Nitrato de Amonio (NH4NO3)

= -87.3 kcal/mol

Diesel (CH2)

= -7 kcal/mol

Dióxido de carbono (CO2)

= -94.1 kcal/mol

Agua (H2O)

= -57.8 kcal/mol

Nitrógeno ( N2 )

= 0 kcal/mol

Ahora remplazamos los valores : Hp(Explosivo) = 3(-87.3) + (-7) = - 268.9 kcal Hp(Producto) = (-94.1) +7(-57.8) + 3(0) = - 489.7 kcal Qe = - Δ Hp -Δ Hp (Explosivo) = -Hp(Producto) + Hp(Explosivo) Qe (Explosivo) = -(- 489.7) + ( 268.9) Qe (Explosivo) = 229.8 kcal Ahora calculamos el peso molecular del explosivo Pm (Explosivo) = 3NH4NO3+ 1CH2 Pm (Explosivo) = 3(80.0432)+ 1(14.0268) Pm (Explosivo) = 254.2 mol El calor de explosión por kilogramo; Qkp (Explosivo) = (229.8kcal) / (254.2g) x 1000g/kg

Qkp (Explosivo) = 904.00 kcal / kg

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INTERPRETACIÓN El porcentaje óptimo de los compuesto del ANFO es de 94,49% de Nitrato de Amonio y 5.51% de diesel o combustible para el ANFO. Problemas en los porcentajes de nitrato de Amonio y Diesel

Figura 1: Variación de la energía del ANFO según el contenido de gasoil

BALANCE DE OXIGENO vs % DIESEL

BALANCE DE OXIGENO

6.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 0% -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10

y = -226.770109x + 12.484395 R² = 1.000000

%BO positivo %BO Nulos 1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

%BO Negativo

% DIESEL

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Universidad Nacional de Moquegua Escuela profesional de Ingeniería de Minas IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS DEBIDO A LAS MEZCLAS DEL ANFO ELEMENTOS CARBONO HIDROGENO OXIGENO NITROGENO

IGUAL A 5.51 % DE DIESEL

B.Oxigeno Balanceado Gases Producto

Dióxido de Carbono (Incoloro) Vapor de agua (Gris Claro) Gas de Nitrógeno (Incoloro)

7.

(CO2) (H2O) (N2)

(C) (H) (O) (N)

MAYOR A 5.51 % DE DIESEL

MENOR A 5.51 % DE DIESEL

B.Oxigeno Negativo Gases Producto

B.Oxigeno Positivo Gases Producto

Monóxido de Carbono (Incoloro) Vapor de agua (Gris Claro) Gas de Nitrógeno (Incoloro)

(CO) (H2O) (N2)

Dióxido de Carbono (CO2) (Incoloro) Vapor de agua (H2O) (Gris Claro) Gas de Nitrógeno (N2) Óxido de Nitrógeno NO (Humos amarillos - ocre)

Color Resultante

Color Resultante

Color Resultante

Humo Gris Claro

Humo Gris Oscuro

Humos Amarillos u Ocres

CONCLUSIONES: 

El porcentaje óptimo de % de anfo y % diesel para una máxima liberación de energía es de:

Se produce 904,13 KCal/Kg.de ANFO. 

Cuando el diesel supera el 5,505% el balance de oxigeno es negativo, lo que provoca que el carbono se oxide como monóxido de Carbono que es un gas tóxico que se identifica con humos de gris oscuro.



Cuando el diesel es inferior al 5,505% el balance de oxigeno es positivo, lo que genera un exceso de oxígeno cuando explota, ademas se produce vapor de agua y demás lo cual se identifica con Humos Amarillos.

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