BALANCE DE OXIGENO (OB)

Perforación y Voladura - UPN

Ing. Minas

Ing. Armando H. Bohorquez Huara

Email: armando.bohorquez@upn.edu.pe

O+

O-

OBJETIVOS Y ALCANCES

• Estudiar los fundamentos teóricos y practico del BALANCE DE OXIGENO (BO)• Conocer la importancia del balance de oxigeno en la emanaciones de gases en una

voladura • Una vez finalizado esta sesión Uds., serán capaces de calcular el balance de

oxigeno de los explosivos.• Calcular el calor de explosión

CONTENIDO

• Introducción.• Definición. • Calculo del balance de oxigeno (OB) de una mezcla explosiva comercial, cuya

composición porcentual es conocida.

• Calculo del calor de explosión (Q3)

• Problemas de aplicación

INTRODUCCIÓN

PERFORACION Y VOLADURA – UPN

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INTRODUCCIÓN

Trinitrotolueno TNT

Nitroglicerina

Reacciones químicas

Liberan productos gaseosos y energía

GASES

• En operaciones de voladura se refiere a productos tóxicos, generados por una detonación de explosivos.

• Los mas comunes son Monóxido de carbono (CO) y los óxidos de nitrógeno (NO).

• Se consideran tóxicos a niveles de 50 ppm y 5 ppm respectivamente.

• Se diluyen rápidamente por debajo de estos niveles por los sistemas de ventilación en minería subterránea y por movimiento natural del aire en las minas de superficie.

GASES

• El ANFO y las emulsiones carecen del olor característico de la dinamita luego de la explosión.

• Por lo general, el CO se retiene en el aire y tiene que ser eliminado por ventilación

• Los NO, se oxidan espontáneamente en NO2 , que permanece el aire como tal o es lavado por la humedad para formar acido nítrico o acido nitroso que se asienta en el suelo, paredes y en la superficie de la roca.

ALGUNAS PREGUNTAS QUE NOS HACEMOS EN VOLADURA

Productos que se

generan

El nitrógeno

(N)

Dióxido de carbono

(CO2)

Vapor de agua

(H2O).

¿Qué productos se generan en una voladura?

Puede originar la formación de óxidos de nitrógeno (NO y NO2)

¿Qué pasa si hay exceso de oxigeno?

¿Qué pasa si hay déficit de oxigeno?

puede ocasionar la formación de monóxido de carbono (CO);

ambos gases son extremadamente tóxicos

No existe ningún explosivo que no produzca gases

Los explosivos comerciales generalmenteson mezclas de combustibles sólidos (combustibles) y proveedores

de oxígeno (nitratos)activadas con un sensibilizador.

Para asegurar la combustión completa, que producirá simultáneamente potencia (energía) máxima, y minimizar la producción de gases nocivos, es necesario que se controle la

relación de proveedores de oxígeno a combustibles.

Para el ANFO, la mezcla apropiada es de 94% de AN a 6% de FO (fueloil No 2) por peso.

DEFINICIÓN DE BALANCE DE OXIGENO

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DEFINICION DE BALANCE DE OXIGENO

• Esta es la cantidad de oxigeno, expresada en por ciento del peso, liberada como un resultado de la conversión completa del material explosivo a CO2, H2O, SO2, AlO2, etc. (balance de oxígeno positivo).

• Si hay oxigeno insuficiente para la reacción compuesta de la oxidación se dice que el compuesto tiene un balance de oxigeno negativo.

• Los explosivos comerciales deben tener un balance de oxigeno cercano de cero para minimizar la cantidad de gases tóxicos, particularmente monóxido de carbono y gases nitrosos que están presentes en los humos.

BALANCE DE OXÍGENO DE ALGUNOS EXPLOSIVOS

OB negativo OB nulo OB positivo

Nombre OB% Nombre OB% Nombre OB% Trinitrotolueno (TNT) −73,9 Nitroglicol 0 Nitroglicerina 3,5

Hexanitroestilbeno (HNS) -67,5 Hexanitrobenceno 0 Hexanitrato de manitol 7,1

Tetril -47,4 octanitrocubano 0 Clorato de amonio 15,8

Ácido pícrico -45,4 Nitrato de amonio 20,0

Nitrometano -39,3 Perclorato de amonio 27,2

Nitrato de celulosa -24,2 Clorato de potasio 32,6

Hexógeno (RDX) -21,6 Nitrato de potasio 39,6

Octagono -21,6 Perclorato de potasio 40,4

CL-20 -11,0 tetranitrometano 49,0

Nitrato de metilo -10,4

Pent -10,1

CALCULO DEL BALANCE DE OXIGENO (OB) DE UNA MEZCLA EXPLOSIVA COMERCIAL, CUYA COMPOSICIÓN PORCENTUAL ES CONOCIDA.

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CÁLCULOS DE EXPLOSIVOS:BALANCE DE OXIGENO, VOLUMEN GRUESO Y CALOR DE

EXPLOSIÓN

• Los explosivos son sustancias capaces de desprender una gran cantidad de gases y de calor, mediante una reacción química rapidísima, producida por una causa externa de tipo mecánico o térmico.

CÁLCULOS DE EXPLOSIVOS:BALANCE DE OXIGENO, VOLUMEN GRUESO Y CALOR DE

EXPLOSIÓN

La reacción química de explosión es un proceso de oxidación reducción ‐interna en el que se combinan los elementos de la molécula de explosivo, sin intervenir oxígeno externo a la molécula.

EL BALANCE DE OXÍGENO DE UN EXPLOSIVO

¿Qué valora?

La suficiencia o no de oxígeno en la molécula de explosivo

¿Qué logra con esto? Logra que: • Todo su contenido en C se convierta a

CO2 y

• Todo el contenido en H se convierta a H2O.

¿ que pasa con la fuerza y la potencia rompedora de un explosivo?

Aumenta con el balance de oxígeno.

EL BALANCE DE OXÍGENO DE UN EXPLOSIVO

Para un explosivo de fórmula genérica

El balance de oxígeno expresado en porcentaje de oxígeno es:

Si c > (2a+0,5b), será un explosivo con exceso de oxígeno (balance positivo) Si c < (2a+0,5b), será un explosivo con defecto de oxígeno (balance positivo), en este caso, los

productos reales de explosión no coincidirán con los utilizados para el cálculo teórico de este parámetro.

VOLUMEN GRUESO (V) – NLITROS/KG O EN NM3/KG

• ¿Qué es el volumen grueso?• Es el volumen de gas generado por la explosión de 1 kg de explosivo. • Es una característica físico-química muy importante

• ¿Cómo se calcula?• Puede calcularse conociendo el número de moles de gas liberados por la explosión ,

aplicando la ley de Gases Ideales a 25°C y 1 at.

CALOR DE EXPLOSIÓN (Q) – KCAL/KG

Es el calor generado y liberado por el proceso de reacción de un explosivo al ser activado.

Cuando se produce una explosión a presión constante ejerciendo únicamente un trabajo de expansión o compresión, “la Primera Ley de la Termodinámica” establece que:

donde: Qc : calor liberado por la explosión. Uc : energía interna del explosivo. P : presión. V : volumen.

Como (Uc + PV) se refiere al calor contenido o entalpía Hp, entonces puede escribirse:

Así el calor de explosión a presión constante es igual al cambio de entalpía y puede estimarse estableciéndose el balance térmico de la reacción, multiplicando los calores de formación de los productos finales por el número de moles que se forma de cada uno, sumándolos para restar a continuación el calor de formación del explosivo.

O también dicho de otro modo:

Donde: Qe : calor total de explosión liberado. Qp : calor total de formación de los productos componentes. Qr : calor total de formación de los productos finales resultantes.

EJEMPLO:

• Por ejemplo, para el caso del más simple agente de voladura, el ANFO convencional 94/6, podemos calcular su calor de explosión utilizando los calores de formación (kcal/mol) y pesos moleculares de sus componentes, que se obtienen de tablas de manuales de física y química, como:

CUADRO N° 1

BALANCE DE OXIGENO DEL ANFO PESADO

HA 28 ( Anfo Pesado : 20% de Emulsión + 80% de ANFO)

ANFO + Emulsión

H4N2O3 + C7,128H13,035 + H4N2O3 + C7,128H13,035 + H2O + C7,166H13,82

% de Materia Prima 94.0% 6.0% 75% 6% 17.7% 1.3%

BO por Materia Prima 20 (336.58) 20 (336.58) 0 (339.85)Balance de Oxigeno

FinalBO afectado por % del Producto 18.8 (20.19) 15 (20.19) 0 (4.42)

BO afectado por% de la Mezcla 15.04 + (16.16) + 3 + (4.04) + 0 + (0.88) (3.04)

CUADRO N° 2

BALANCE DE OXIGENO DEL ANFO PESADO

HA 28 ( Anfo Pesado : 20% de Emulsión + 80% de ANFO)

ANFO + Emulsión

H4N2O3 + C7,128H13,035 + H4N2O3 + C7,128H13,035 + H2O + C7,166H13,82

% de Materia Prima 95.5% 4.5% 75% 6% 17.7% 1.3%

BO por Materia Prima 20 (336.58) 20 (336.58) 0 (339.85)Balance de Oxigeno

FinalBO afectado por % del Producto 19.1 (15.15) 15 (20.19) 0 (4.42)

BO afectado por% de la Mezcla 15.28 + (12.12) + 3 + (4.04) + 0 + (0.88) 1.24

HUMOS AMARILLOS, ORIGINADOS POR UN BALANCE POSITIVO DE OXIGENO.

HUMOS NORMALES EN UN DISPARO DONDE NO HAY PROBLEMAS DE EXCESO DE OXIGENO.

PROBLEMAS DE APLICACIÓN

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PROBLEMA DE APLICACIÓN

Calcule el balance de oxigeno del explosivo trinitroglicerina (C3H5N3O9) y determine cuál debe ser la proporción en masa de una mezcla de trinitrobenceno (C6H3N3O6) con este explosivo para conseguir una mezcla explosiva con un balance de oxigeno nulo.

SOLUCION• Una reacción de explosión es un proceso de oxidación-reducción interna en la que,

sin intervención del oxígeno externo a la molécula, se recombinan los elementos del explosivo.

• El balance de oxigeno es una medida de la cantidad de oxígeno, en exceso o en defecto, en el explosivo para conseguir la transformación del carbono del explosivo en CO2 y del hidrógeno en H2O.

En este caso, para determinar el balance de oxígeno, se escribe la reacción hipotética correspondiente. En este caso, para determinar el balance de oxigeno de la trinitroglicerina, estudiaremos el balance de la siguiente reacción:

a) Calculo del balance de oxigeno de la TRINITROGLICERINA

• Para determinar la proporción en masa de trinitrobenceno (con balance de oxígeno negativo) y trinitroglicerina (con balance de oxigeno positivo), se puede formar una mezcla con x moles de C3H5N3O9 e y moles de C6H3N3O6.

• Se ajustan las dos ecuaciones a utilizar para el cálculo del balance de oxigeno de cada explosivo y, para conseguir que la mezcla explosiva tenga un balance de oxigeno nulo, se tiene en cuenta que la cantidad de oxigeno de los dos reactivos debe ser igual a la de los productos generados.

• Igualando los oxígenos presentes en los reactivos y los que se necesitaran para obtener los productos, se obtiene la siguiente ecuación:

9 +6 =6 +2,5 +12 +1,5𝑥 𝑦 𝑥 𝑥 𝑦 𝑦• La relación molar entre la cantidad de trinitrobenceno y trinitroglicerina sea: 𝑥=15𝑦.

• Por lo tanto, para conseguir un balance de oxigeno nulo, cada mol de trinitrobenceno se mezclara con 15 moles de trinitroglicerina.

• Relación en masa:

• El porcentaje en masa de cada explosivo en la mezcla será:

•  

PROBLEMA DE APLICACIÓN

PROBLEMA .- Una fábrica de explosivos produce 2,4,6-trinitrofenol mediante una reacción en la que hace reaccionar al fenol (C6H6O) con ácido nítrico. Calcule:

• Las toneladas de explosivo que se obtendrán como máximo si se dispone de dos toneladas de fenol del 89% y 2,5 metros cúbicos de una disolución de acido nítrico de 26% y densidad 1.22º g/cc.

• El balance de oxigeno y el volumen grueso de 2,4,6-trinitrofenol, sabiendo que los productos obtenidos en su reacción de explosión son:

•  

SOLUCION

El ajuste estequiometrico de la reacción de síntesis del explosivo es el siguiente:

•  • Para saber la cantidad máxima de explosivo que se obtendrá, habrá que calcular

cual es el reactivo limitante. Para ello, se hallan los moles disponibles de los dos reactivos:

•  

•  • Según la estequiometria del proceso, 1 mol de fenolreacciona con tres moles de

acido nítrico, por lo que el reactivo limitante es el HNO3, y l cantidad máxima de explosivo que podrá obtenerse estará determinada por él.

•  

• La ecuación a valorar para calcular el balance de oxigeno seria:

 

•  

• Para calcular la cantidad de gas que se genera en la explosión, debe tenerse en cuenta la reacción de explosión real:

• Por lo tanto, se generan 9 moles de productos gaseosos por cada mol de explosivo

•