• Author / Uploaded
• Jose Carlos Gutierrez Vargas

Citation preview

"Año de la lucha contra la corrupción y la impunidad"

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS TEMA BALANCE DE OXÍGENO Y ENERGIA DE EXPLOSIVOS

DOCENTE

: Ing. Carlo Omar Vargas Valdivia

SEMESTRE

: VI

CURSO

: INGENIERIA DEL EXPLOSIVO

ALUMNO

: Hector Mauricio Valdivia Chipana

MOQUEGUA – PERU

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA - EP INGENIERÍA DE MINAS

BALANCE DE OXIGENO

Es importante en la formulación de la mezcla explosiva para asegurar una completa combustión con la máxima potencia y mínima producción de gases tóxicos, siendo necesario controlar la proporción de oxígeno suministrado a los componentes combustibles (añadirlo restarlo según convenga) para que logren su mayor nivel de oxidación. Para obtener el máximo de energía en una reacción explosiva es necesario que los elementos se oxiden completamente y se formen los siguientes productos:  El carbono (C) debe reaccionar para formar dióxido de carbono (CO2).  El hidrógeno (H) debe reaccionar para formar agua (H2O).  El nitrógeno (N), debe reaccionar para formar nitrógeno gaseoso (NO2). La energía que se libera en una reacción se mide en función de las calorías que se generan a partir de la reacción del compuesto químico. Tabla 1. Calores producidos por diferentes compuestos químicos Compuesto Fórmula Peso Molecular Diésel Monóxido carbono

de

Dióxido carbono

de

Agua Nitrato amonio

de

Nitrógeno Monóxido nitrógeno

de

Dióxido nitrógeno

de

Qp o Qr (kcal/mol)

CH2

14,0

-7,0

CO

28,0

-26,4

CO2

44,0

-94,1

H2O

18,0

-57,8

NH4NO3

80,1

-87,3

N

14,0

0,0

NO

30,0

+ 21,6

NO2

46,0

+ 8,1 pág. 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA - EP INGENIERÍA DE MINAS

 El signo (-) indica una reacción exotérmica o liberación de energía.  El signo (+) indica que es una reacción endergónica o que absorbe energía del ambiente o requiere que se entregue energía para que la reacción tenga lugar. Es importante destacar que los compuestos químicos utilizados en la fabricación de explosivos son aquellos que liberan energía cuando reaccionan.

Si sólo ocurren las reacciones ideales de los componentes de un explosivo (carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno), se utilizarán los átomos de oxígeno que sean necesarios, es decir, no sobra ni falta ningún átomo de oxígeno en la reacción.  La temperatura generada en una voladura es mayor si se genera dióxido de carbono que si se genera monóxido de carbono.  El dióxido es la forma en que el explosivo tiene balance de oxígeno y produce la máxima cantidad de energía.  Balancear oxígeno significa que todo el oxígeno presente en los productos se consume y, por consecuencia, libera la mayor cantidad de energía. Ejemplo:  Este el caso de una mezcla de ingredientes explosivos cuya reacción da como resultado diferentes balances de oxígeno. Se tienen dos ingredientes: nitrato de amonio (NH4NO3) y diésel (CH2).

Balance de O2 negativo Exceso de diésel a la mezcla (balance de oxígeno negativo). Esto significa que faltarán moléculas de oxígeno para combinarse totalmente con el carbono y el hidrógeno y formar los productos finales deseados, que para el caso del ANFO serían: 3 N2 + 7 H2O + CO2 En cambio, quedará carbono libre que se liberará en forma de monóxido de carbono.

Balance de O2 positivo Defecto de diésel a la mezcla (balance de oxígeno positivo).En este caso, el nitrógeno reacciona formando óxidos de nitrógeno, lo que reduce la energía de la reacción.

Balance de O2 en equilibrio

pág. 2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA - EP INGENIERÍA DE MINAS

Reacción ideal del compuesto de nitrato de amonio y petróleo diésel (ANFO), que es el explosivo de mayor uso en minería. Sus características nos permiten entender la reacción química entre elementos oxidantes (NH4NO3) y combustibles (CH2).

Figura 1. Esquema fórmula del ANFO y liberación de energía.

1. Ecuación Balanceada:

3 NH 4 NO 3 +1CH 2 → 3 N 2 +7 H 2 O+CO 2

Calor de formación de reactantes y de productos:

∆ H P(explosivo )=H P( producto)−H P(explosivo )

H P(explosivo )=3(−87.3 kcal/mol)+(−7.0 kcal/mol)=−268.9 kcal /mol H P( producto)=3 ( 0.0 ) +7(−57.8 kcal/mol)+(−94.1 kcal/mol)=−498.7 kcal/mol

Calor de explosión:

Qe =−∆ H P Qe =−( H ¿ ¿ P( producto)−H P ( explosivo ))¿ Q e =−¿ ) Q e =229.8 kcal /mol

Peso Molecular del ANFO:

pág. 3

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA - EP INGENIERÍA DE MINAS

PM =3 mol ×80.1 g/mol+ 1mol × 14.0 g /mol=254.3 g

Energía liberada por kilo de ANFO:

Q Kp=

Qe ×1000 PM explosivo

Q Kp=

229.8 kcal 1000 g × 254.3 g 1 kg

Q Kp=903.7 kcal/kg

Q Kv=

Q mv ×1000 Qmv =Q e +0.58 × N pg PM explosivo

Qmv =229.8 kcal /mol +0.58 ×11 Qmv =236.2 kcal/mol

Q Kv=

N pg :Nro . de moles del producto N pg :11

236.2 kcal 1000 g × 254.3 g 1kg

Q Kv=928.8 kcal /kg

(calor desprendido)

pág. 4

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA - EP INGENIERÍA DE MINAS

CÁLCULO DEL BALANCE DE OXIGENO PARA ANFO CONVENCIONAL

Los cálculos termodinámicos para un ANFO Convencional (Nitrato de Amonio (94.4%) + Petróleo (5.6%)), se realizaron manualmente y son los que se muestran a continuación. Al respecto, y por ser de especial interés se analiza en particular lo que dice relación con el “Balance de Oxígeno”, de cada uno de los ingredientes.

Básicamente dependiendo de su signo (+ ó -), el “Balance de Oxígeno” identifica si un ingrediente o compuesto es capaz de aportar o bien de consumir oxígeno en una reacción química. En particular, para un compuesto dado después de establecer la ecuación de equilibrio que rige su descomposición, el cálculo del “Balance de Oxígeno” se realiza haciendo el cociente entre el número de moles de oxígeno y el número de moles del compuesto, el cual se multiplicará a su vez por el cociente de los respectivos pesos moleculares. Su signo (+ ó -), dependerá si en su descomposición aporta (+) o consume oxígeno (-).

 NITRATO DE AMONIO.

B .O .=

2 NH4NO3 4 H2O + 2 N2 + O2 (Oxidante, aporta oxígeno)

+ ¿ Moles de O 2 P . M .O 2 × ¿ Moles de NH 4 NO3 P . M . NH 4 NO 3 B .O .=

 PETROLEO DIESEL.

B .O .=

+1 32 × =+0.20 2 80.1

2 CH2 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O (Reductor, consume oxígeno)

−¿ Moles de O2 P . M .O2 × ¿ Moles de CH 2 P . M . CH 2 pág. 5

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA - EP INGENIERÍA DE MINAS

B .O .=

−3 32 × =−3.43 2 14

Observaciones:  Importancia del “Balance de Oxígeno”: Dependiendo de la magnitud de su valor y signo entonces, la cantidad y el tipo de gases que se generarán como producto de su combustión. Así, si su valor es negativo (-) se generará monóxido de carbono (CO) y, si es positivo se generarán gases nitrosos (NOx).  Balance de oxígeno en agentes de tronadura del tipo mezcla: Atendiendo a que los gases nitrosos (NOx) representan un riesgo mayor que el monóxido de carbono (CO) para la salud de los trabajadores, es entonces que por razones de seguridad los agentes de voladura en general y particularmente los del tipo ANFO, se diseñan con un “Balance de Oxígeno” ligeramente menor a cero con el objeto de minimizar la probabilidad de ocurrencia de gases nitrosos (NOx), lo cual puede ser ocasionado por la acción de agentes externos como por ejemplo la humedad excesiva del terreno o formaciones rocosas lo cual produce un corrimiento del “Balance de Oxígeno” hacia el lado positivo. ANFO FABRICADO CON PETROLEO (NH4NO3 + CH2).

Caso 1: 94.4 % de nitrato de amonio y 5.6 % de diesel

B. O. = 94.4 % x (+ 0.20) + 5.6 % x (-3.43) = - 0,33 % QKV = 930 kcal/kg

Caso 2: 92 % de nitrato de amonio y 8 % de diesel

B. O. = 92 % x (+ 0.20) + 8 % x (-3.43) = - 9,04 % QKV = 810 kcal/kg

Caso 3: 96.6 % de nitrato de amonio y 3.4 % de diesel

pág. 6

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA - EP INGENIERÍA DE MINAS

B. O. = 96.6 % x (+ 0.20) + 3.4 % x (-3.43) = + 7,66 % QKV = 600 kcal/kg

2. Ecuación Balanceada: SANG APU - FAMESA

Na NO 2+ NH 4 NO 3 → Na NO 3+ N 2+ 2 H 2 O

Calor de formación de reactantes y de productos:

∆ H P(explosivo )=H P( producto)−H P(explosivo ) H P(explosivo)=(−85.8 kcal/mol)+(−87.30 kcal/mol)=−173.1kcal / mol H P( producto)=(−101.50 kcal/mol)+2(−57.8 kcal/mol)=−217.1 kcal/mol

Calor de explosión:

Q e =−∆ H P Qe =−( H ¿ ¿ P( producto)−H P ( explosivo ))¿ Qe =−¿ ) Qe =44 kcal/ mol

Peso Molecular del SANG APU:

PM =1 mol ×69 g/mol+1 mol × 80.1 g /mol=149.1 g

Energía liberada por kilo de SANG APU:

Q Kp=

Qe ×1000 PM explosivo

Q Kp=

44 kcal 1000 g × 149.1 g 1 kg pág. 7

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA - EP INGENIERÍA DE MINAS

Q Kp=295.10 kcal / kg

Q Kv=

Qmv ×1000 Qmv =Qe +0.58 × N pg PM explosivo

Q mv =44 kcal/mol +0.58 ×4

N pg :Nro . de moles del producto

Q mv =46.32 kcal/mol

N pg :4

Q Kv=

46.32 kcal 1000 g × 149.1 g 1 kg

Q Kv=310.66 kcal /kg (calor desprendido)

pág. 8