摘要
利用反应量热仪(RC1),测定了以2‑(二硝基亚甲基)‑5,5‑二硝基‑2H‑嘧啶‑4,6‑二酮(TNMPO)为原料,经水解反应制备FOX‑7工艺的热流曲线,对水解反应的工艺热危险性进行了分析,采用定温实验,利用n级反应动力学方程对不同温度下的水解反应速率进行了拟合,进而获得了水解反应的表观反应动力学参数。结果显示,20 ℃条件下,TNMPO水解制备FOX‑7反应的摩尔生成焓为-46.563 kJ∙mo
图文摘要
随着高技术、高价值武器装备的大量使用,弹药装载发射平台也愈加先进,造价日益高昂,一但弹药发生意外点火、爆炸,就会导致重大的人员伤亡和设备损失。因此,现代武器装备系统要求弹药不但要具有更高的能量及释能效率,以提高常规武器弹药的绝对能量和毁伤威力,又要降低弹药的易损性,满足贮存、运输、维护和战备等方面的安全性需求,已成为现代弹药发展的重要方
FOX‑7的合成方法也一直受到持续关注,其中最具有工业化前景的FOX‑7的合成方法,是以2‑甲基嘧啶‑4,6‑二酮为原料,经硝化反应生成FOX‑7制备工艺的重要中间体2‑(二硝基亚甲基)‑5,5‑二硝基‑2H‑嘧啶‑4,6‑二酮(TNMPO),然后水解开环得到FOX‑
本研究利用反应量热仪,对硝化中间体TNMPO经水解反应制备FOX‑7的化工热力学数据进行了测定,得到水解反应的表观综合放热量、绝热温升和冷却失效条件下反应体系达到的最高温度等数据,并对FOX‑7合成过程的热危险性进行了分析。研究了5,10,15,20 ℃温度条件下反应速率常数,建立了该反应的表观动力学方程,获得了其表观动力学参数。
TNMPO,实验室自制(按文献方法[26]合成);水,去离子水。
瑞士Mettle‑Toledo公司全自动反应量热器RC1e RTCal,采用iControl软件采集、分析量热数据。
将TNMPO直接加入到水中,进行水解反应得到FOX‑

Scheme 1 Synthetic route of FOX‑7
量热实验过程:在常温常压下,向全自动反应量热仪中加入水60.0 g,设置转速800 r·mi
通过反应量热实验,可获得TNMPO经水解反应制备FOX‑7的放热速率曲线,通过对速率曲线进行面积积分,可以得到该水解反应的反应热(ΔHr),计算公式见
(1) |
(2) |
式中,ΔHr为水解反应的反应热,kJ;qr为水解反应放热速率,J·
绝热温升(ΔTad)表示冷却失效状况下反应理论上能升高的温度,按照
(3) |
式中,qr为水解反应放热速率,J∙
因此,在冷却失效状况下,合成反应理论上可达到的最高温度(MTSR)为反应工艺操作温度与绝热温升(ΔTad)之和,依据
(4) |
式中,Tp为水解反应的工艺操作温度,℃。
测得FOX‑7合成过程中水解反应的放热速率曲线如

图1 FOX‑7制备反应的热流曲线
Fig.1 Heat flow curve recorded during the synthesis process of FOX‑7
由水解反应的热流曲线可知,当一次性加入TNMPO后,反应立即出现放热,反应放热速率迅速上升至最大值37.77 J·
Note: Cp is the specific heat capacity; ΔHr is the enthalpy change of reaction; Q is the total heat release per unit mass from the reaction system; Qmax is the maximum heat release rate; ΔrHm is the molar heats of reaction .
该工艺过程中,反应体系的沸点为100 ℃,根据文献[
反应速率的测试方法分为化学法和物理法。化学法是指反应过程中取出物料,采用骤冷、稀释、淬灭、迅速测样等方法使反应停止,然后进行化学分析;物理法是指测定与浓度有关的物理性质,例如(旋光率、电导率、介电常数等
(5) |
式中,qr为放热速率,J∙
由于该反应是在大量水中进行,且水相对于TNMPO过量的条件下进行,水的浓度变化对反应基本无影响,为了简化计算,因此可认为该反应对于水为零级。设该水解反应对于TNMPO的反应级数为n,则反应速率可用
(6) |
式中,CA0为化合物(1)的初始浓度,mol∙
(7) |
对TNMPO经水解反应制备FOX‑7的的反应动力学进行了研究,分别测试5,10,15,20 ℃温度条件下的放热数据。由于TNMPO在加入过程中,存在溶解热,且水解反应初期会产生大量二氧化碳,存在一定热损失,导致反应体系的热量出现波动,进而导致热转化率出现波动,待曲线较为平稳后,进行动力学研究,选取反应转化率为65%~90%间的数据,用最小二乘法将数据ln[CA0(1-x)]‑lnqr进行线性拟合,如

图2 lnCA0(1-x)‑lnqr图
Fig.2 The dependences of lnqr on lnCA0(1-x) at different temperatures
Note: T is the temperature; k is the reaction rate constant; n is the reaction order for synthesis process.
由
阿伦尼乌斯方程的对数形式如
(8) |
以1/T为横坐标,lnk为纵坐标,对lnk‑1/T进行线性拟合,得到

图3 lnk‑1/T图
Fig.3 The dependence of lnk on 1/T
Note: T is temperature; k is reaction rate constant; n is synthesis reaction order; Ea is activation energy; A is pre‑exponential constant.
由
(9) |
由
通过升高反应温度和增加TNMPO的浓度的方式可加快反应速率,但在工艺温度为20 ℃时,该反应的MTSR已接近TNMPO的初始分解温度,进一步增加反应温度,会使得该反应的MTSR增加,从而达到原料TNMPO的分解温度,增加反应的初始阶段的热危险性;若增加TNMPO浓度,则会导致反应体系单位质量的放热量增加,为了降低反应的热危险性,建议采用半间歇工艺。
(1)利用反应量热仪(RC1),测定了以TNMPO为原料,经水解反应制备FOX‑7工艺过程的放热速率曲线。经计算可知,该水解反应的摩尔生成焓为 -46.563 kJ∙mo
(2)在热失控条件下,该反应的MTSR为29.1 ℃,该温度低于反应体系的沸点(100 ℃)与FOX‑7的的第一段分解点(221.94 ℃),反应的危险性较低。
(3)测得该水解反应在5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃时的反应速率常数k分别为0.9473×1
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