ТВЕРДОТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК C06D5/06 C06B31/30 

Изобретение относится к составам твердых топлив на основе нитрата аммония и может быть использовано для очистки нефтяных скважин от асфальтено-смолисто-парафинистых отложений, проведения гидроразрыва пласта при добыче нефти, а также в качестве источника энергии твердотопливных ракетных двигателей.

Известна низкотемпературная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, отверждающий агент - ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол, она дополнительно содержит отверждающий агент - динитрофеноксиэтанол при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

нитрат аммония 80,7 каучук марки СКДМ-80 19,3 ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол 0,2 сверх 100% динитрофеноксиэтанол (1,0-1,5) сверх 100%,

(см. RU Патент №2389714, МПК C06B 31/30 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01), 2010).

Недостатками данной твердотопливной композиции являются необходимость использования в качестве связующего маслонаполненного каучука марки СКДМ-80 с содержанием жидкого пластификатора (индустриального масла), что приводит к увеличению содержания конденсированных и уменьшению объема газообразных продуктов сгорания. Кроме этого, наличие высоковязкого связующего СКДМ-80 приводит к усложнению технологии приготовления композиции и переработке ее в изделия за счет увеличения времени и энергозатрат, т.к. для придания изделиям твердой формы необходимо тщательное перемешивание компонентов с высоковязким связующим и отверждающим агентом.

Известна твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, порошок алюминия марки АСД-1 и отверждающий агент, в качестве которого она содержит ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол при следующем соотношении компоненты, мас.%:

нитрат аммония 71,8 каучук марки СКДМ-80 13,2 порошок алюминия марки АСД-1 15,0 ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол 0,1 сверх 100%,

(см. Архипов В.А., Попок В.Н., Попок Н.И., Савельева Л.А. Горение металлизированных топливных композиций на основе нитрата аммония. // V Международная школа-семинар. Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем. Санкт-Петербург. 2006. - С.10-13.).

Недостатками известной твердотопливной композиции являются нестабильность горения при повышенных давлениях, высокое содержание твердых продуктов сгорания.

Наиболее близкой по технической сущности является твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, порошок алюминия и отвердитель ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, композиция в качестве порошка алюминия содержит смесь порошка алюминия марки АСД-1 и ультрадисперсного алюминия марки ALEX, при следующем содержании компонентов, мас.%:

нитрат аммония 71,8 каучук марки СКДМ-80 13,2 порошок алюминия марки АСД-1 7,5 ультрадисперсный алюминий марки ALEX 7,5 ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол 0,1 сверх 100%,

(см. RU Патент №2363691, МПК C06B 31/30 (2006.01), C06B 33/04 (2006.01), C06B 45/10 (2006.01), 2009).

Недостатками известной твердотопливной композиции являются недостаточная скорость горения при повышенных давлениях и высокое содержание твердых продуктов сгорания.

Задачей изобретения является увеличение скорости горения твердотопливной композиции и уменьшение содержания твердых продуктов сгорания.

Техническая задача решается тем, что твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1, в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:

нитрат аммония 69-77 порошкообразный бутадиен-нитрильный   каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм 10-12 порошок алюминия марки АСД-1 8-15 бихромат калия 1-8 технологическая добавка (0,5-1,0) сверх 100%.

Техническая задача решается также тем, что твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1 и ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм, в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:

нитрат аммония 69-77 порошкообразный бутадиен-нитрильный   каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм 10-12 порошок алюминия марки АСД-1 4-7,5 ультрадисперсный алюминий   с размером частиц приблизительно 0,1 мкм 4-7,5 бихромат калия 1-8 технологическая добавка (0,5-1,0) сверх 100%.

Решение технической задачи позволяет по первому варианту при повышенных давлениях увеличить скорость горения до 1,7 раза и уменьшить содержание твердых продуктов сгорания до 4 раз, а по второму варианту при повышенных давлениях увеличить скорость горения до 2 раз и уменьшить содержание твердых продуктов сгорания до 5 раз.

Характеристика веществ, используемых в составе композиции:

Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм получают путем механического измельчения, например, на роторных мельницах.

Порошок алюминия является ультрадисперсным порошком, с размером частиц приблизительно 0,1 мкм, полученный путем электрического взрыва проводников.

Бихромат калия используют по ГОСТ 2652-78.

В качестве технологической добавки используют, например, фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1 по первому варианту

Заявляемую термопластичную композицию готовят путем механического смешения в барабанном смесителе при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нитрат аммония 77 порошкообразный бутадиен-нитрильный   каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм 12 порошок алюминия марки АСД-1 8 бихромат калия 3 фторопласт-4, сверх 100% 1.

Примеры 2-4 аналогичны примеру 1, данные по составу и характеристики композиции приведены в таблице 1.

Пример 5 по второму варианту

Заявляемую термопластичную композицию готовят путем механического смешения в смесителе типа «БЭКОН» при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нитрат аммония 77 порошкообразный бутадиен-нитрильный   каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм 12 порошок алюминия марки АСД-1 4 ультрадисперсный алюминий   с размером частиц приблизительно 0,1 мкм 4 бихромат калия 3 фторопласт-4, сверх 100% 1.

Примеры 6-8 аналогичны примеру 5, данные по составу и характеристики композиции приведены в таблице 2.

Из полученной термопластичной композиции методом проходного прессования формуют образцы диаметром 10 мм, бронированные по боковой поверхности. Высоту образцов варьируют в зависимости от характера проводимого эксперимента. Скорость горения образцов измеряют в приборе постоянного давления в атмосфере азота в интервале давлений (2÷12) МПа, после чего рассчитывают константы в законе скорости горения. Удельный импульс топливных композиций рассчитывают по программе АСТРА-4.

Содержание конденсированных твердых веществ определяют в условиях горения топлива при атмосферном давлении, при сжигании образцов на открытом воздухе при комнатной температуре и отборе конденсата в кварцевом отборнике, данная характеристика является оценочной величиной для сравнения с другими топливными композициями.

Скорость горения u, мм/с, в интервале давлений p, равном 2-12 МПа, рассчитывают по формуле u=u₁·ρ^ν, где u₁ - скорость горения при атмосферном давлении, ν - константа в степенном законе скорости горения. Исходя из вышеприведенного, зная u₁ и ν, можно рассчитать скорость горения и в интервале давлений 2-12 МПа.

Как видно из примеров конкретного выполнения, по первому варианту скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с, увеличивается до 1,7 раза, а содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении уменьшается до 4 раз. По второму варианту скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с, увеличивается до 2 раз, а содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении уменьшается до 5 раз.

Таблица 1 Компоненты Состав, мас.% Прототип Заявляемый объект по первому варианту Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 1 2 3 4 5 6 Нитрат аммония 71,8 77 73 69 74 Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм   12 12 10 10 Каучук марки СКДМ-80 13,2         Порошок алюминия марки АСД-1 7,5 8 10 13 15 Ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм 7,5         Бихромат калия   3 5 8 1 Фторопласт, сверх 100%   1 1 0,5 1 Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, сверх 100%, 0,1         Характеристика твердотопливной композиции Скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с 5,4-7,7 7,8 8,5 9,3 8,3 Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с 1,2-2,2 1,25 1,3 1,5 1,4 Показатель степени в законе скорости горения 0,34-0,46 0,49 0,51 0,49 0,48 Удельный импульс, с 233 235 230 233 238 Содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении, мас.% 10-20 5,4 7,0 9,1 9,5

Таблица 2 Компоненты Состав, мас.% Прототип Заявляемый объект по второму варианту Пример 5 Пример 6 Пример 7 Пример 8 1 2 3 4 5 6 Нитрат аммония 71.8 77 73 69 74 Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм   12 12 10 10 Каучук марки СКДМ-80 13,2         Порошок алюминия марки АСД-1 7,5 4 5 6,5 7,5 Ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм 7,5 4 5 6,5 7,5 Бихромат калия   3 5 8 1 Фторопласт, сверх 100%   1 1 0,5 1 Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, сверх 100%, 0,1         Характеристика твердотопливной композиции Скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с 5,4-7,7 9,8 11,5 12,4 11,6 Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с 1,2-2,2 1,30 1,50 1,62 1,53 Показатель степени в законе скорости горения 0,34-0,46 0,550 0,550 0,552 0,549 Удельный импульс, с 233 240 235 237 250 Содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении, мас.% 10-20 3,7 4 6,1 6,9

Изобретение относится к составам твердых топлив на основе нитрата аммония и может быть использовано для очистки нефтяных скважин от асфальтено-смолисто-парафинистых отложений, проведения гидроразрыва пласта при добыче нефти, а также в качестве источника энергии твердотопливных ракетных двигателей. Твердотопливная композиция содержит в мас.%: нитрат аммония 69-77, порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм 10-12, порошок алюминия марки АСД-1 8-15, бихромат калия 1-8 и технологическую добавку (0,5-1,0) сверх 100%. В качестве варианта твердотопливная композиция содержит в мас.%: нитрат аммония 69-77, порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм 10-12, порошок алюминия марки АСД-1 4,0-7,5, ультрадисперсный алюминий с размером частиц 0,1 мкм 4,0-7,5, бихромат калия 1-8 и технологическую добавку (0,5-1,0) сверх 100%. Результатом является увеличение скорости горения твердотопливной композиции при повышенных давлениях и уменьшение содержания твердых продуктов сгорания. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1, отличающаяся тем, что в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:
нитрат аммония 69-77 порошкообразный бутадиен-нитрильный   каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм 10-12 порошок алюминия марки АСД-1 8-15 бихромат калия 1-8 технологическая добавка (0,5-1,0) сверх 100%

2. Твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1 и ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм, отличающаяся тем, что в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:
нитрат аммония 69-77 порошкообразный бутадиен-нитрильный   каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм 10-12 порошок алюминия марки АСД-1 4-7,5 ультрадисперсный алюминий   с размером частиц приблизительно 0,1 мкм 4-7,5 бихромат калия 1-8 технологическая добавка (0,5-1,0) сверх 100%