Твердотопливная композиция (варианты)

Твердотопливная композиция (варианты)

Реферат

Изобретение относится к составам твердых топлив на основе нитрата аммония и может быть использовано для очистки нефтяных скважин от асфальтено-смолисто-парафинистых отложений, проведения гидроразрыва пласта при добыче нефти, а также в качестве источника энергии твердотопливных ракетных двигателей.

Известна низкотемпературная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, отверждающий агент - ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол, она дополнительно содержит отверждающий агент - динитрофеноксиэтанол при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

нитрат аммония	80,7
каучук марки СКДМ-80	19,3
ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол	0,2 сверх 100%
динитрофеноксиэтанол	(1,0-1,5) сверх 100%,

(см. RU Патент №2389714, МПК C06B 31/30 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01), 2010).

Недостатками данной твердотопливной композиции являются необходимость использования в качестве связующего маслонаполненного каучука марки СКДМ-80 с содержанием жидкого пластификатора (индустриального масла), что приводит к увеличению содержания конденсированных и уменьшению объема газообразных продуктов сгорания. Кроме этого, наличие высоковязкого связующего СКДМ-80 приводит к усложнению технологии приготовления композиции и переработке ее в изделия за счет увеличения времени и энергозатрат, т.к. для придания изделиям твердой формы необходимо тщательное перемешивание компонентов с высоковязким связующим и отверждающим агентом.

Известна твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, порошок алюминия марки АСД-1 и отверждающий агент, в качестве которого она содержит ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол при следующем соотношении компоненты, мас.%:

нитрат аммония	71,8
каучук марки СКДМ-80	13,2
порошок алюминия марки АСД-1	15,0
ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол	0,1 сверх 100%,

(см. Архипов В.А., Попок В.Н., Попок Н.И., Савельева Л.А. Горение металлизированных топливных композиций на основе нитрата аммония. // V Международная школа-семинар. Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем. Санкт-Петербург. 2006. - С.10-13.).

Недостатками известной твердотопливной композиции являются нестабильность горения при повышенных давлениях, высокое содержание твердых продуктов сгорания.

Наиболее близкой по технической сущности является твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, порошок алюминия и отвердитель ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, композиция в качестве порошка алюминия содержит смесь порошка алюминия марки АСД-1 и ультрадисперсного алюминия марки ALEX, при следующем содержании компонентов, мас.%:

нитрат аммония	71,8
каучук марки СКДМ-80	13,2
порошок алюминия марки АСД-1	7,5
ультрадисперсный алюминий марки ALEX	7,5
ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол	0,1 сверх 100%,

(см. RU Патент №2363691, МПК C06B 31/30 (2006.01), C06B 33/04 (2006.01), C06B 45/10 (2006.01), 2009).

Недостатками известной твердотопливной композиции являются недостаточная скорость горения при повышенных давлениях и высокое содержание твердых продуктов сгорания.

Задачей изобретения является увеличение скорости горения твердотопливной композиции и уменьшение содержания твердых продуктов сгорания.

Техническая задача решается тем, что твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1, в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:

нитрат аммония	69-77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм	10-12
порошок алюминия марки АСД-1	8-15
бихромат калия	1-8
технологическая добавка	(0,5-1,0) сверх 100%.

Техническая задача решается также тем, что твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1 и ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм, в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:

нитрат аммония	69-77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм	10-12
порошок алюминия марки АСД-1	4-7,5
ультрадисперсный алюминий
с размером частиц приблизительно 0,1 мкм	4-7,5
бихромат калия	1-8
технологическая добавка	(0,5-1,0) сверх 100%.

Решение технической задачи позволяет по первому варианту при повышенных давлениях увеличить скорость горения до 1,7 раза и уменьшить содержание твердых продуктов сгорания до 4 раз, а по второму варианту при повышенных давлениях увеличить скорость горения до 2 раз и уменьшить содержание твердых продуктов сгорания до 5 раз.

Характеристика веществ, используемых в составе композиции:

Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм получают путем механического измельчения, например, на роторных мельницах.

Порошок алюминия является ультрадисперсным порошком, с размером частиц приблизительно 0,1 мкм, полученный путем электрического взрыва проводников.

Бихромат калия используют по ГОСТ 2652-78.

В качестве технологической добавки используют, например, фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1 по первому варианту

Заявляемую термопластичную композицию готовят путем механического смешения в барабанном смесителе при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нитрат аммония	77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм	12
порошок алюминия марки АСД-1	8
бихромат калия	3
фторопласт-4, сверх 100%	1.

Примеры 2-4 аналогичны примеру 1, данные по составу и характеристики композиции приведены в таблице 1.

Пример 5 по второму варианту

Заявляемую термопластичную композицию готовят путем механического смешения в смесителе типа «БЭКОН» при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нитрат аммония	77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм	12
порошок алюминия марки АСД-1	4
ультрадисперсный алюминий
с размером частиц приблизительно 0,1 мкм	4
бихромат калия	3
фторопласт-4, сверх 100%	1.

Примеры 6-8 аналогичны примеру 5, данные по составу и характеристики композиции приведены в таблице 2.

Из полученной термопластичной композиции методом проходного прессования формуют образцы диаметром 10 мм, бронированные по боковой поверхности. Высоту образцов варьируют в зависимости от характера проводимого эксперимента. Скорость горения образцов измеряют в приборе постоянного давления в атмосфере азота в интервале давлений (2÷12) МПа, после чего рассчитывают константы в законе скорости горения. Удельный импульс топливных композиций рассчитывают по программе АСТРА-4.

Содержание конденсированных твердых веществ определяют в условиях горения топлива при атмосферном давлении, при сжигании образцов на открытом воздухе при комнатной температуре и отборе конденсата в кварцевом отборнике, данная характеристика является оценочной величиной для сравнения с другими топливными композициями.

Скорость горения u, мм/с, в интервале давлений p, равном 2-12 МПа, рассчитывают по формуле u=u₁·ρ^ν, где u₁ - скорость горения при атмосферном давлении, ν - константа в степенном законе скорости горения. Исходя из вышеприведенного, зная u₁ и ν, можно рассчитать скорость горения и в интервале давлений 2-12 МПа.

Как видно из примеров конкретного выполнения, по первому варианту скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с, увеличивается до 1,7 раза, а содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении уменьшается до 4 раз. По второму варианту скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с, увеличивается до 2 раз, а содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении уменьшается до 5 раз.

Таблица 1
Компоненты	Состав, мас.%
Прототип	Заявляемый объект по первому варианту
Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4
1	2	3	4	5	6
Нитрат аммония	71,8	77	73	69	74
Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм		12	12	10	10
Каучук марки СКДМ-80	13,2
Порошок алюминия марки АСД-1	7,5	8	10	13	15
Ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм	7,5
Бихромат калия		3	5	8	1
Фторопласт, сверх 100%		1	1	0,5	1
Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, сверх 100%,	0,1
Характеристика твердотопливной композиции
Скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с	5,4-7,7	7,8	8,5	9,3	8,3
Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с	1,2-2,2	1,25	1,3	1,5	1,4
Показатель степени в законе скорости горения	0,34-0,46	0,49	0,51	0,49	0,48
Удельный импульс, с	233	235	230	233	238
Содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении, мас.%	10-20	5,4	7,0	9,1	9,5

Таблица 2
Компоненты	Состав, мас.%
Прототип	Заявляемый объект по второму варианту
Пример 5	Пример 6	Пример 7	Пример 8
1	2	3	4	5	6
Нитрат аммония	71.8	77	73	69	74
Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм		12	12	10	10
Каучук марки СКДМ-80	13,2
Порошок алюминия марки АСД-1	7,5	4	5	6,5	7,5
Ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм	7,5	4	5	6,5	7,5
Бихромат калия		3	5	8	1
Фторопласт, сверх 100%		1	1	0,5	1
Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, сверх 100%,	0,1
Характеристика твердотопливной композиции
Скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с	5,4-7,7	9,8	11,5	12,4	11,6
Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с	1,2-2,2	1,30	1,50	1,62	1,53
Показатель степени в законе скорости горения	0,34-0,46	0,550	0,550	0,552	0,549
Удельный импульс, с	233	240	235	237	250
Содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении, мас.%	10-20	3,7	4	6,1	6,9

1. Твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1, отличающаяся тем, что в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:

нитрат аммония	69-77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм	10-12
порошок алюминия марки АСД-1	8-15
бихромат калия	1-8
технологическая добавка	(0,5-1,0) сверх 100%

2. Твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1 и ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм, отличающаяся тем, что в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:

нитрат аммония	69-77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм	10-12
порошок алюминия марки АСД-1	4-7,5
ультрадисперсный алюминий
с размером частиц приблизительно 0,1 мкм	4-7,5
бихромат калия	1-8
технологическая добавка	(0,5-1,0) сверх 100%