NOMBRE: CHUYES BENEL FRANCO
PROFESOR: PEDRO PINGO
CURSO: PERFORACION Y VOLADURA
TEMA: TRABAJO DE INVESTIGACION
ESCUELA: INGENIERIA DE MINAS
AULA: 604
SECCION: “B”
1. EXPLICAR LOS METODOS PARA EVALUAR LA POTENCIA DE UN EXPLOSIVO A) METODO DEL PENDULO BALISTICO
Este método consiste en comparar la propulsión en un mortero de acero montado sobre un péndulo balístico por efecto de los gases cuando se hace detonar una carga de 10gr de explosivo y se compara en forma de tanto por ciento en relación a la “goma pura” que se utiliza como patrón y a la que se le asigna un valor de 100% dicha comparación se realiza atreves de los resultados de la siguiente formula:
T .M .B 100 x
1 cos( ) 1 cos( )
=ángulo de retroceso del explosivo a e nsayar
=ángulo de retroceso del explosivo patrón
Consideraciones a tomar en cuenta Este método no es aplicable a explosivos tipo ANFO o hidrogeles debido al pequeño diámetro utilizado en el péndulo (20mm) además de que en el mortero la carga esta desacoplada. B) METODO DE LA ENERGIA RELATIVA POR UNIDAD DE PESO Y VOLUMEN
Este método es puramente teórico pues se basa en el valor energético químico del explosivo. Para este método la potencia se puede e xpresar en dos formas:
AWS: Energía absoluta por unidad de peso (cal/gramos)
ABS: Energía absoluta por unidad de volumen (cal/cm )
3
Dichas energías relativas de peso y volumen resultaran de comparar las energías absolutas de peso y volumen del explosivo con las energías absolutas pero de ANFO de lo dicho se deduce que:
RWS
AWS
AWS ANFO
AWS ANFO
RBS
940cal
ABS
ABS ANFO
ABS ANFO
x100 / gr
x100
799cal
/ cm 3
Consideraciones a tomar en cuenta Este método es muy útil si intentamos calcular a la potencia de explosivos que son insensibles al detonador.
2. ANALIZAR LOS DIFERENTES ASPECTOS DE LA SENSIBILIDAD DE UN EXPLOSIVO A) SENSIBILIDAD AL DETONADOR
Son aquellos explosivos que pueden ser iniciados a partir de una pequeña carga de explosivo muy potente que puede estar contenido en un detonador o en un cordón detonante, hay que tener en cuenta que existen explosivos que son muy insensibles (ANFO) y es necesario aplicar un método distinto para su iniciación; Podemos por ejemplo colocar una cierta cantidad de un explosivo potente en el fondo de la carga que iniciaremos a partir de un multiplicador y este será el que inicie el explosivo insensible. B) SENSIBILIDAD A LA ONDA EXPLOSIVA
Existen explosivos que reaccionan a partir de la onda explosiva de una detonación realizada con anterioridad a este tipo de detonaciones de les denomina “detonaciones por simpática”, esto independientemente de que los explosivos sean colocados en línea uno
detrás de otro o separados a una cierta distancia. Debemos considerar que cuando se realizan trabajos de voladura lo que se busca es evita la detonación por simpatía ya que afecta a los intervalos de vacío entre los cartuchos por ello es necesario usar un método de iniciación adecuado ya que si esto sucediera podría afectar seriamente el resultado final de la detonación. C) SENSIBILIDAD AL CHOQUE Y AL ROZAMIENTO
Se refiere al grado de sensibilidad del explosivo para reaccionara las fuerzas de impacto y a las fuerzas de rozamiento. Este tipo de sensibilidad se utiliza en su mayoría para determinar los estándares de seguridad en el manejo de algunos explosivos pues como sabemos existen explosivos que son muy sensibles y pueden reaccionar rápidamente al más mínimo impacto. Para establecer la sensibilidad al choque y al rozamiento se realizan ensayos normalizados que consisten en dejar caer un martillo de un determinado peso y a una determinada altura.
3. REALIZAR EL BALANSE DE OXIGENO DEL “ANFO” Y EXPLICARLO La cantidad de oxigeno que tiene un explosivo en su formulación química, expresado en % sobre el teórico necesario, se denomina “balance de oxigeno” (BO%), es necesario que la cantidad de oxigeno sea la adecuada para obtener el máximo de energía en una reacción explosiva debido a que esto induce a que los elementos se oxiden por completo y se formen los siguientes productos:
El carbono reacciona para formar dióxido de carbono (CO 2)
El hidrogeno reacciona para formar agua (H2O)
El nitrógeno reacciona para formar nitrógeno gaseoso (N 2)
Consideraciones a tomar en cuente para realizar el balance de oxigeno de una reacción: Formula para calcular el balance de oxigeno:
Para calcular el balance de oxígeno en términos de 100 gramos del mater ial explosivo es determinar el número de moles de oxígeno que son exceso o deficiencia de 1 00 gramos de un compuesto.
OB %
1600
PM
x[2 X
(
Y 2
)M
Z]
OB% = balance de oxigeno en porcentaje PM = peso molecular de los reactantes en gr/mol X = numero de átomos de carbono
Y = numero de átomos de hidrogeno Z = numero de átomos de oxigeno
M =numero de átomos de metal (óxido metálico producido, gener almente su valor es 0) Como interpretar los resultados:
BALANSE DE OXIGENO 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. BALANSE DE OXIGENO NEUTRO: Cuando el balance de oxígeno es cero el compuesto químico, o la mezcla, tiene exactamente la cantidad de oxígeno necesaria, lo que proporciona la máxima cantidad de energía liberada. BALANSE DE OXIGENO POSITIVO: Cuando el equilibrio de oxígeno es positivo el compuesto, o mezcla, genera un exceso de oxígeno cuando explota lo que provoca un exceso en la producción de gases nocivos. Pasos para realizar el “balance de oxigeno” en una reacción y poder obtener la máxima cantidad de energía liberada.
Para esto utilizaremos como ejemplo al nitrato de amonio mesclado con diesel (ANFO), se obtendrá la siguiente ecuación química desbalanceada (debido a que no conocemos las proporciones adecuadas de cada reactante):
NH 4 NO3 CH 2 H 2O CO2 N 2
1) Primero debemos ajustar la reacción para obtener los coeficientes estequiometricos que nos indicaran las proporciones mas adecuadas de cada reactante: Para ello utilizaremos el “método algebraico” para balancear ecuaciones químicas:
a( NH 4 NO3 ) b(CH 2 ) c( H 2O) d ( N 2 ) e(CO2) Separando los datos obtenemos 4 ecuaciones: 1.
2a ( N ) d ( N 2 )
2.
a ( H 4 ) b( H 2 ) c( H 2 )
3.
a (O3 ) c(O) e(O2 )
4.
b(C ) e(C )
Multiplicando por los subíndices para facilitar los cálculos:
2a 2d
4a 2b 2c 2a b c 0........(2)
3a c 2e 3a 2e c 0.......(3)
b e b e 0.........(4)
a d 0.........(1)
Remplazando 4 en 3 y sumando con 2 obtenemos:
3a 2b c 0 .......(5) 2a b c 0..x(1) a 3b 0..........(6) Para poder resolver las ecuaciones debemos suponer un valor para alguna de las variables en este caso (a=2):
a 2 d 2....... Obtenido de la ecuación 1 2 2 3b 0 b ............. Obtenido de la ecuación 6 3 2 e ......... Obtenido de la ecuación 4 3 2 14 4 c c ........ Obtenido de la ecuación 2 3 3 Remplazando en la formula química tenemos:
2( NH 4 NO3 )
2 3
(CH 2 )
14 3
( H 2O ) 2( N 2 )
2 3
(CO2 )
Pero no se puede dejar una ecuación con coeficientes fraccionarios entonces multiplicamos a todo por
3
obteniendo:
2
3( NH 4 NO3 ) CH 2
7( H 2O ) 3( N 2 ) CO 2
Que es la ecuación balanceada.
2) Ahora pasaremos a calcular el balance de o xigeno de la reacción ajustada: Los datos son los siguientes: Peso molecular del ANFO
PM ANFO
3molx(80,1gr / mol ) 1molx(14 gr / mol ) 254.3gr
Numero de átomos de carbono
X 1 Numero de átomos de hidrogeno
Y 14 Numero de átomos de oxigeno
Z 9 Numero de átomos de metal
M 0 Remplazando tenemos:
OB%
1600
x[2 7 9] 254.3 OB% 0......... Balance de oxigeno neutro Del resultado podemos decir que la ecuación balanceada nos proporciona el b alance de oxigeno mas adecuado. 3) En tercer lugar debemos calcular el porcentaje en peso de cada reactante para obtener el balance de o oxigeno neutro (esto se realiza con el fin de simplificar el trabajo de lo cálculos de la cantidad de masa para que la preparación del ANFO sea mas acelerada). Lo primero es calcular el peso molecular de cada reactante:
NH 4 NO3 N 14(2) 28 H 1(4) 4 O 16(3) 48 PM NH 4 NO3
80 gr
/ molx3mol 240 gr
CH 2 C 12(1) 12 H 1(2) 2 PM CH 2
14 gr
/ molx1mol 14 gr
Ahora sumamos los pesos moleculares para obtener el peso mo lecular total:
PM NH 4 NO3
PM CH 2
240 gr 14 gr
254 gr
Para obtener el porcentaje en peso debemos dividir cada peso molecular entre e l peso molecular total y multiplicarlo por 100: Para el Nitrato de Amonio
% peso NH4 NO3
% peso NH 4 NO3
240 gr 254 gr
x100
94.49%
Para el Diesel
% peso NH4 NO3
% peso NH 4 NO3
14 gr 254 gr
x100
5.51%
4) Ahora calcularemos la energía liberada por un kilogramo de ANFO: Para ello debemos conocer los calores de los reactantes y reactivos tanto si son del tipo de reacción endotérmica (absorbe energía y presenta signo positivo) o exotérmica (libera energía y presenta signo negativo). COMPUESTO FORMULA Q P o Q r (kcal/mol) Nitrato de Amonio NH4NO3 -87,3 Diesel CH2 -7 Agua H2O -57,8 Dióxido de Carbono CO2 -94,1 Nitrógeno N 0,0 Primero debemos calcular el calor de formación de reactantes:
Qr 3x (87, 3kcal ) ( 7kcal ) 268, 9kcal Ahora calculamos el calor de formación de productos:
Q p
( 94, 3kcal ) 7 x( 57,8kcal ) 3(0 kcal ) 498, 7 kcal
Entonces el calor de la explosión será:
Qe
Qp
Qr
Qe
498, 7kcal (268, 9kcal ) 229,8kcal
Ahora entonces la energía liberada por un kilogramo de ANFO será:
E ANFO E ANFO
Qe
PM 1000 gr 229,8kcal ) x( ) 904, 7kcal / kg ....... Que será la máxima energía ( 254 gr 1kg
Para demostrar la importancia de que el balance de oxigeno en una reacción sea neutro supondremos que ahora preparamos ANFO pero nos equivocamos en las proporciones de los reactantes de tal modo que la nueva proporción es la siguiente: 90% de Nitrato de Amonio y 8% de Diesel entonces calcularemos nuevamente el balase de oxige no y la energía liberada. 1) La reacción entonces será la siguiente:
2( NH 4 NO3 ) CH 2
5( H 2O ) 2( N 2 ) CO
Como podemos ver en la ecuación química se a formado “Monóxido de Carbono” en lugar del “Dióxido de Carbono” por lo que podemos suponer un déficit de oxigeno debido a que
hemos colocado muy poco Nitrato de Amonio a la mescla. 2) Ahora calcularemos el balance de oxigeno:
OB%
1600
PM
x[2 X
(
Y 2
)M
Z]
Los datos son los siguientes: Peso molecular del ANFO=
PM ANFO (2 )
2molx (80,1gr / mol ) 1molx (14 gr / mol )
174.2 gr
Numero de átomos de carbono
X 1 Numero de átomos de hidrogeno
Y 10 Numero de átomos de oxigeno
Z 6 Numero de átomos de metal
M 0 Remplazando tenemos:
OB%
1600
x[2 5 6] 174.2 OB% 9.18%....... Balance de oxigeno negativo, lo que indica que el oxigeno no es suficiente para combinarse con el carbono de hay que solo se forma el Monóxido de Carbono. 3) Ahora calculáramos la energía libera COMPUESTO Nitrato de Amonio Diesel Agua Monóxido de Carbono Nitrógeno
FORMULA NH4NO3 CH2 H2O CO N
Q P o Q r (kcal/mol) -87,3 -7 -57,8 -26,4 0,0
Calor de formación de los reactantes
Qr 2 x(87, 3kcal ) ( 7kcal ) 181, 6kcal Calor de formación de los productos
Q p
( 26, 4 kcal ) 5 x ( 57,8 kcal ) 2(0 kcal ) 315, 4 kcal
Calor de la explosión
Qe
Qp
Qr
Qe
315, 4kcal (181, 6kcal ) 133,8kcal
Ahora entonces la nueva cantidad de ene rgía será
E ANFO (2 ) E ANFO(2 )
Qe
PM 1000 gr 133,8kcal ( ) x( ) 768,1kcal / kg ....... Como vemos debido al 174, 2 gr 1kg
déficit de oxigeno se produjo una r educción en la cantidad de energía liberada lo que afectaría severamente los resultados de la voladura.
4. EXPLICAR DETALLADAMENTE DETONACION: Es una reacción de combustión que toma lugar a velocidades supersónicas e implica la existencia de una onda expansiva pues la velocidad supersónica (1500-9000m/s) perturba el aire al rededor, una detonación implica un drástico proceso de transformación de la energía química contenida en explosivo atreves de un proce so de oxido reducción. ZONA DE TRANSMICION: Se considera a esta zona como el intervalo de tiempo en el que la velocidad de reacción aumenta exponencialmente produciéndose así una detonación en ves de una simple deflagración. DEFLAGRACION: Es una reacción súbita de combustión, pero sin explosión debido a que el frente de deflagración se propaga por el explosivo de forma paralela a una velocidad baja que generalmente no supera los 1000 m/s, aquí la llama es lenta y avanza bebido a un fenómeno de difusión térmica. Para que se produzca una deflagración se necesita:
Una mezcla de producto inflamable con el aire, en su punto de inflamación.
Una aportación de energía de un foco de ignición.
Una reacción espontánea de sus partículas volátiles al estímulo calórico que actúa como catalizador o iniciador primario de reacción.
COMBUSTION: Podemos decir que la combustión es una reacción química que se produce entre un combustible y oxigeno, además dicha reacción es una reacción de oxidación fuertemente exotérmica (libera energía) y que se produce a velocidades de por lo menos 1m/s. Además es necesario mencionar que ex isten distintos tipos de combustión:
Combustión completa: Las sustancias combustibles del combustible se queman hasta el máximo grado posible de oxidación.
Combustión incompleta: El combustible no se oxida completamente, se forman sustancias que todavía pueden seguir oxidándose.
Combustión teórica o estequiometria: Es la combustión que se realiza con la cantidad teórica de oxígeno estrictamente necesaria para producir la oxidación total del combustible.
Combustión con exceso de aire: Es la combustión que se lleva a cabo con una cantidad de aire superior a la e stequiometrica.
Combustión con defecto de aire: En esta combustión, el aire disponible en menor que el necesario para que se produzca la oxidación total del combustible.
5. EXPLICAR DETALLADAMENTE ONDA DE CHOQUE: Onda que se produce por un cambio brusco de presión del aire en contacto con un cuerpo que se desplaza a velocidad supersónica, podemos definirla también como "una onda de gran amplitud formada por la compresión súbita del medio a través del cual se mueve la onda". PLANO DE CHAPMAN - JOUGUET: El plano de separación entre las zonas primaria y secundaria, debemos decir que esta zona no es completamente plana pero se c onsidera como tal. La Teoría de Chapman – Jouguet: describe aproximadamente las ondas de detonación en explosivos de alta potencia, toma como referencia una sección infinitesimalmente pequeña, onda de choque, además dicha onda será la que dividirá al explosivo en dos zona muy distinta (lo que se conocemos como “plano de Chapman – Jouguet”), delante de esta
onda se encontrar la parte de explosivo que a un no detona, a baja presión mientras que en la otra sección los gases producto de la reacción se expanden, a alta presión.
ZANA DE REACCION PRIMARIA: Es el área en la cual empieza la descomposición química y es limitada por el plano de Chapman Jouguet, Se propaga a una velocidad de varios miles de metros por segundo, donde se producen las reacciones más rápidas y violentas. Este movimiento se propaga en forma de onda de choque de muy alta presión perturbando el espacio circundante.
6. EXPLIQUE LA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE DETONACION A) ENSAYOS DE LABORATORIO Estos ensayos son los mas fácil y rápido de realizar a demás de que se utiliza como una medición estándar. Consisten en colocar en un cilindro algunas muestras cilíndricas de explosivo para ejercer en ellas un efecto de confinamiento dentro la cual se colocan sensores de fibra óptica separados a una distancia conocida que se conecta a un receptor, para poder apreciar el tiempo que tarda en recorrer la detonación entre los dos captadores. B) ENSAYOS DE CAMPO Lo que hace diferente a este ensayo es que las pruebas s realizan en barrenos, lo que asegura cálculos mas precisos además de que los datos son tomados mediante unas sondas colocadas dentro del barreno y al exte rior del mismo. Los equipo de registro estará grabando durante el ensayo, los valores m edidos, incluso pueden llegar hasta los 2000 Hz por segundo. Gracias a la resistencia calibrada de la sonda, puede obtenerse la variación de resistencia del circuito en función del tiempo siendo expresada en metros de sonda destruidos por unidad de tiempo (velocidad de detonación del barreno).
7. PRECIO DEL POR kW CONSUMIDO Datos obtenidos del recibo:
Tiempo en horas = 720 horas (consumo medido de mes a mes de 30 días)
Consumo = 491.00 kWh (kilovatios por hora consumidos)
Importe a pagar = 289.60 soles (incluyes I.G.V. y otros sobrecargos)
Formula para trasformar kWh a kW
P kWatt
P kWh t h
Remplazamos:
PkWatt
491.00 kWh 720h
0.68194kWatt 681.94Watt
Aplicando una regla de tres:
681.94Watt 289.60soles 1Watt
x
El resultado será:
x 0.4247soles...... Costo promedio por Watt consumido