火药课程设计任务书-学生版

火药课程设计书班级：学号：姓名:同组人姓名：年月日至年月日南京理工大学目录(自己补充)-1-1.课程设计任务书1.1设计任务1.1.1配方设计通过平衡常数法，设计均质火药配方，计算设计火药的能量示性数；通过内能法，设计复合火药配方，计算设计火药的能量示性数；均质火药组成：硝化棉（12%N），硝化甘油，二硝基甲苯，二号中定剂，凡士林，硬脂酸铅。各成分推荐值（%）：50-60，25-30，10，3，1.2，1.8；复合火药组成：过氯酸铵，环氧树脂（含固化剂），苯二甲酸二丁酯，三氧化二铁。各成分推荐值（%）：65-75，25-35，10，1；设计中忽略催化剂硬脂酸铅和Fe2O3成分。1.1.2推进剂制造设计完成的复合火药制造；测燃烧的药条注装。1.1.3推进剂燃烧实验0.1MPa下的燃速测定；1.2设计要求采用平衡常数法和内能法对设定的火药配方进行能量示性数计算，包括定容、定压的爆热、爆温，比容，火药力，氧平衡系数等；具体为通过平衡常数法，设计均质火药配方，计算设计火药的能量示性数；通过内能法，设计复合火药配方，计算设计火药的能量示性数；给出环氧树脂复合火药的制造工艺路线和条件；完成复合火药的制造、性能测试和分析；完成火药课程设计报告。-2-报告要求：①能量设计：设计参数表、设计计算程序、两种算法的结果分析；②火药制造：组分性质、火药制造工艺流程图；③性能测试：测试原理、测试装置、测试结果、结果分析。2.推进剂配方设计2.1均质火药配方设计及计算2.1.1均质火药的组成均质火药组成：硝化甘油，硝化棉（12%N）,二硝基甲苯，二号中定剂，凡士林，硬脂酸铅。各成分质量分数（%）：表2-1均质火药各成分的相关参数(忽略催化剂硬脂酸铅)化合物化学式分子量1kg化合物中各元素的克原子数生成热KJ/kgACAHAOAN硝化甘油C3H5O9N3227.0913.21022.01739.63113.2101639.79硝化棉（N：12%）[C6H7O2(OH)3-r(ONO2)r]n162+45r(263.72)22.74029.33336.0838.5672753.07二硝基甲苯C7H6O4N2182.1338.43332.94321.96210.981374.47二号中定剂C15H16O9N2240.2962.42466.5854.1628.323254.18凡士林C18H18254.4870.730149.322001998.28以下以均质火药为例求燃烧产物的成分。均质火药的燃烧反应方程为，QNmHmOHmCOmCOmNOHCNHOHCOCOAAAANOHC22222222式中，2COm、COm、OHm2、2Hm和2Nm—分别是CO2、CO、H2O、H2和N2的摩尔数（mol/kg）。由燃烧化学反应的质量守恒，例如：C23.122H29.770O33.578N9.784有：-3-892.42784.9122.23578.332770.29122.23578.33122.23222222NCOHCOOHCOCOmmmmmmm（2-1）式（2-1）中四个未知数，但只有三个方程需再建一个方程。采用平衡法计算均质火药的能量示性数。在CO2、CO、H2O、H2和N2等燃烧产物之间存在相互转化和相互平衡，其中水煤气方程是主要的化学平衡方程。因此，可以利用水煤气方程给出燃烧产物解中所缺的第四个方程。水煤气方程为：qOHmCOmHmCOmOHCOHCO222222水煤气反应是可逆反应。这一反应与压力无关，与温度有关。它的平衡常数K为：TfmmmmKHCOOHCO222给定温度的反应平衡常数K可以通过表2-2查得。表2-2水煤气反应平衡常数)(KTK11K1KK)(KTK11K1KK20004.5550.28131.281336008.2480.13801.138221004.9100.25581.256037008.3700.13571.135822005.2420.23571.235538008.4840.13361.133523005.5620.21921.219239008.5800.13191.131724005.8540.20601.205940008.6850.13011.129925006.1350.19471.194541008.7700.12871.128726006.3980.18531.185542008.8620.12721.127227006.6480.17711.177043008.9400.12591.125528006.8750.17021.170144009.0090.12491.125229007.0910.16421.164345009.0700.12391.123830007.2860.15881.158646009.1280.12301.122731007.4820.15431.154547009.1840.12221.1223-4-32007.6570.15021.150048009.2360.12141.121333007.8220.14661.146649009.2820.12071.120334007.9710.14351.143850009.3220.12021.120535008.1140.14061.1408为了便于计算，可以将2COm变成Ai和K的函数。)1(2145.05.022KAAAKAAAAKAAAAKmCOCOHCOOHCOCO(2-2)由方程(2-2)式可知，除了K为未知量外，其均是已知量。因此，可以假设一个温度T*，利用表2-2查得一个K值，代入方程(2-2)，解得2COm，代入方程组，分别取得COm、OHm2、2Hm和2Nm。2.1.2火药爆热的计算定压爆热：proOHOHCOCOCOCOpqqmqmqmQ2222（2-3）式中：2COq，COq，OHq2…iq—火药燃烧产物中CO2，CO，H2O…i产物的生成热,kJ/mol；proq—火药的生成热,kJ/kg。火药的生成热计算公式：jjjproxqMq10（2-4）式中，jq—火药中第j种组分的生成热,kJ/mol；jx—火药中第j种组分的百分含量；jM—火药中第j种组分的分子量-5-jjjproxqMq10proOHOHCOCOCOCOpqqmqmqmQ2222定容爆热：00TnRQQpv即002222TRmmmmmQQNHOHCOCOpv2.1.3爆温的计算知道爆热和产物成分后，可以利用爆温定义和热力学公式求解火药的爆温。298viivvCmQT（K）(2-5)式中，viC—燃烧产物在温度298K-Tv区间的平均定容热容，J/mol.K均质火药主要燃烧产物的定容热容（J/mol.K）为：TCvCO310238.2539.392TCvCO310008.1343.23TCOvH310543.3422.282TCvH310579.1117.202TCvN310061.1866.222TCmvii式中，2222866.22117.20422.28343.23539.39NHOHCOCOmmmmm；310061.1579.1543.3008.1238.22222NHOHCOCOmmmmm。爆温计算，-6-TQTv1000(1.6)240002vQT(1.7)298TTv(1.8)2222866.22117.20422.28343.23539.39NHOHCOCOmmmmm310061.1579.1543.3008.1238.22222NHOHCOCOmmmmm2.1.4比容的计算每摩尔气体，在标准状态下，所占体积约为22.41升。1kg火药燃烧生成的气体在标准状态下的体积为:41.2222221NHOHCOCOmmmmmV2.1.5火药力的计算fv=nRTv=（2222NHOHCOCOmmmmm）RTv2.1.6氧平衡的计算OB=[c-(2a+0.5b)]×16/MrggOB/450.0498.98016*)770.29*5.0122.23*2(518.33-7-2.1.7小结1.在配方组成为：表2-3均质火药配方硝化棉（12%N）硝化甘油二硝基甲苯二号中定剂凡士林硬脂酸铅表2-4均质火药各示性数Qp(KJ/kg)Qv(KJ/kg)Tv(K)V(L/kg)f(KJ/kg)OB(g/g)（注：平衡常数法原理简单，但运算量过大，需较为准确估计爆温，才能迅速得出答案。也可以采用内能法、简化法、表算法等计算能量示性数。）2.2复合火药配方设计及计算2.2.1复合火药的组成例如：复合火药组成：过氯酸铵72.5%,环氧树脂（含固化剂）16.5%,苯二甲酸二丁酯10%,三氧化二铁1%。表2-5复合火药各成分的相关参数化合物化学式分子量1㎏化合物中各元素的克原子数生成热KJ/molAclAcAHAOAN过氯酸铵NH4ClO4117.508.511034.04334.0438.511290.45环氧树脂（C18H20O3）n284.36063.3070.33410.550297.44苯二甲酸二丁酯C16H22O4278.34057.48479.0414.3710829.59-8-火药的分子式AC=16.193，AH=44.190，AO=27.859，AN=6.170，Acl=6.170C16.193H44.190O27.859N6.170Cl6.170火药的生成热jjjproxqMq10=2471.95×0.725＋1046×0.165＋2980.50×0.1=2262.80KJ/kg2.2.2内能法计算火药的能量示性数（计算时忽略Al）NNAm5.022COCCOmAm22COCOOHmAAm225.05.0COClCOHHmAAAAm对于复合火药，2COm仍然是iA和WK的函数，具体表达式为)1(2145.05.022KAAAKAAAAKAAAAKmCOCOHCOOHCOCO经过Exel运算得以下数据：表2-6火药的（△H、Qp、△U、Qv）～T关系TQpQv△U△H20002618.4032720.9072005.5962591.01822002593.9992696.5042267.2532921.48524002574.842677.3452539.2283262.25126002559.582662.0852813.3413605.15728002547.3862649.8913091.593952.21430002537.6622640.1673373.6564303.07232002529.442631.9443659.0114657.23634002522.8552625.3593947.4435014.46对上表数据用Origin软件进行作图：-9-图1火药的（△H、Qp、△U、Qv）～T关系图由Origin读取图中交点可知：Qp=2601.670kJ/kgTp=2014.886KQv=2680.255kJ/kgTv=2508.258K由图中所读取的数据可知以Tv≈2500K计算各示性参数。查Excel可知当Tv=2500K时：314.52com879.10com352.62OHm743.152Hm085.32NmkgKJQv/27.2669kgKJQp/765.2566比容：41.225.05.01HNCAAAV火药力：f=nRTv=HNCAAA5.05.0RTv氧平衡：-10-2.2.3小结复合火药组成：表2-7复