1氧平衡的概念

從元素組成來說,炸藥通常是由碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)四種元素組成的。其中碳、氫是可燃元素,氧是助燃元素,炸藥是一種載氧體。炸藥的爆炸過程實質上是可燃元素與助燃元素髮生極其迅速和猛烈的氧化還原反應的過程。反應結果是氧和碳化合生成二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO),氫和氧化合生成水(H2O),這兩種反應都放出了大量的熱。每種炸藥里都含有一定數量的碳、氫原子,也含有一定數量的氧原子,發生反應時就會出現碳、氫、氧的數量不完全匹配的情況。氧平衡就是衡量炸藥中所含的氧與將可燃元素完全氧化所需要的氧兩者是否平衡的問題。
所謂完全氧化,即碳原子完全氧化生成二氧化碳,氫原子完全氧化生成水。根據所含氧的多少,可以將炸藥的氧平衡分為下列三種不同的情況:
(1)零氧平衡:系指炸藥中所含的氧剛夠將可燃元素完全氧化;
(2)正氧平衡:系指炸藥中所含的氧將可燃元素完全氧化后還有剩餘;
(3)負氧平衡:系指炸藥中所含的氧不足以將可燃元素完全氧化。
實踐表明,只有當炸藥中的碳和氫都被氧化成CO2和H2O時,其放熱量才最大。零氧平衡一般接近於這種情況。負氧平衡的炸藥,爆炸產物中就會有 CO、H2,甚至會出現固體碳;而正氧平衡炸藥的爆炸產物,則會出現 NO、NO2等氣體。這兩種情況,都不利於發揮炸藥的最大威力,同時會生成有毒氣體。如果把它們用於地下工程爆破作業,特別是含有礦塵和瓦斯爆炸危險的礦井,就更應引起注意。因為 CO、 NO、NxOy不僅都是有毒氣體,而且能對瓦斯爆炸反應起催化作用,因此這樣的炸藥就不應用於地下礦井的爆破作業。

2氧平衡的計算

oxygen balance 氧平衡是測定一種化合物或混合物中燃料和氧的比。它是根據化合物的實驗式或分子式,以碳完全轉化成CO2(或CO)和氫轉化為H2O所需的氧的分子數來計算的。一種分子式為CaHbNcOd的炸藥,其氧平衡計算如下:
簡單說氧平衡的演算法: (炸藥中的氧原子數 - 碳全部被氧化成二氧化碳所需要的氧原子數 - 氫全部被氧化成水需要的氧原子數)* 1600 / 炸藥的摩爾質量
若炸藥中含有鹵原子(X),例如CaHbNcOdXe,假定在生成H2O以前先生成HX:
例如由(1)式計算TNT(C7H5N3O6)的氧平衡:
氧平衡=[6-2×7-0.5×5]1600/227=-74.0(%)
混合物的氧平衡等於各成分在混合物中所佔的百分數和各自的氧平衡的乘積之和。
例如特里托納兒(由80%TNT和20%Al組成)的氧平衡計算如下:
Al氧化成Al2O3時的氧平衡=1.5×1600/27=-89(%)
TNT的氧平衡=-74%
由此得出特里托納兒的氧平衡=0.20(-89)+0.80(-74)=-77.0(%)

3氧平衡模式

氧平衡模式是水質數學模型的一種。用數學式來表達水體中溶解氧時變化的規律,可描述溶解氧的衰變(耗氧)與恢復(復氧)平衡過程的水質模式。包括含碳有機物和氨氮有機物的耗氧、生物吸收作用、吸著有機物底泥的再懸浮作用等;另一種是使溶解氧增加的復氧作用,主要是空氣溶於水的作用(曝氣作用)及生物的光合作用。這兩種作用可當作在一個化學反應的平衡體系中發生,根據各種參數建立水中溶解氧的時空變化的數學模式。目前最常用的是河水溶解氧的一維模式。假定河流是穩定態,則河水溶解氧濃度隨時間、沿程(流向)距離而變化的關係式可表示為: 式中:c為河水中溶解氧的濃度;ES為沿程距離;u為水流速度;L為BOD濃度;LN為氨氮濃度;cS為溶解氧的飽和濃度;κ1為含碳有機物的衰變係數;κN為氨氮衰變係數;κ2為復氧係數;sR為生物光合作用產生氧與呼吸、底泥耗氧等引起溶解氧的增減率。當河流穩定且為低流量時,給出邊界條件(設起始河流橫斷面處的溶解氧濃度為( ),將上式簡化得下式: 即斯特里特-菲爾普斯模式。此式的圖解曲線呈懸索型(參見氧垂曲線),表明含有機污染物的污水排入河流后,由該處向下,由於有機物耗氧氣主要作用,河水溶解氧逐漸減小,達到最低值后曝氣復氧轉為優勢,溶解氧又逐漸增大,恢復到原來含氧狀況。故可用此模式預測各河段橫斷面上不同時刻溶解氧的濃度。但式中κ1、κ2及κN需實測或通過水文參數計算求出,在對此模式進行驗證后才能應用。

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