Znanstveni pogled: Značilnosti eksplozije v Bejrutu

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Tragična novica o veliki eksploziji v Bejrutu, ki je zavzela prve vrstice novic, sproža naravna vprašanja: kako se je to lahko zgodilo, kaj je tam eksplodiralo, zaradi katerih dejavnikov so takšni incidenti možni? Da bi to ugotovili, si podrobneje ogledamo lastnosti amonijevega nitrata in nevarnosti, povezane z njim.

Kaj se je zgodilo v Bejrutu

Skratka, situacija izgleda takole: pred šestimi leti je ladja Rhosus vplula v pristanišče Bejrut na nenačrtovano popravilo. Pripadal je podjetju Igorja Grechushkina, ki je po rodu iz Habarovska. Pristaniške oblasti ladje niso izpustile zaradi pomanjkljivosti v varnostnih sistemih in tovornih dokumentih. Postopoma je ekipa zapustila Rhosus, njen tovor, ki je obsegal 2750 ton amonijevega nitrata, pa je bil premeščen v skladišče v pristanišču, kjer je bil shranjen naslednjih šest let. Pogoji skladiščenja so se izkazali za premalo zanesljive, zato so se za omejevanje dostopa do tega tovora v skladišču izvajala varilna dela, zaradi neustrezne organizacije varnosti katerih se je pirotehnična sredstva, shranjena v istem skladišču, naknadno vžgala.

Zanetil se je požar, podprt z gorenjem in ognjemetom. Čez nekaj časa je shranjeni amonijev nitrat eksplodiral. Udarni val te eksplozije je povzročil velik škodljiv učinek na okoliška območja Bejruta: danes je mrtvih več kot 130 ljudi, njihovo število pa še narašča, saj se med razstavljanjem ruševin stavb in objektov odkrije vse več trupel. Več kot pet tisoč ljudi je bilo ranjenih.

Fotografije iz vesolja, posnete s satelitom Kanopus-V. Zgornja fotografija je z datumom 4. november 2019, spodnja fotografija pa dan po eksploziji. / © Roskosmos.ru

Ogromno število hiš je bilo poškodovanih v različni meri, uničenje je prizadelo polovico zgradb v Bejrutu, okoli 300 tisoč prebivalcev je ostalo brez strehe nad glavo. Po besedah guvernerja libanonske prestolnice Marwana Abbouda je škoda zaradi eksplozije ocenjena na od tri do pet milijard dolarjev. Slike iz vesolja bejrutskega pristanišča, posnete pred in po tragediji, prikazujejo območje nenehnega uničevanja okoli celotnega pristaniškega območja. V Libanonu so razglasili tridnevno žalovanje.

Kaj je amonijev nitrat

Amonijev nitrat ali amonijev nitrat je amonijeva sol dušikove kisline, ima kemijsko formulo NH₄NO₃ in je sestavljen iz treh kemičnih elementov - dušika, vodika in kisika. Visoka vsebnost dušika (približno tretjina teže) v obliki, ki jo rastline zlahka absorbirajo, omogoča široko uporabo amonijevega nitrata kot učinkovitega dušikovega gnojila v kmetijstvu.

Kot tak se amonijev nitrat uporablja tako v čisti obliki kot kot del drugih kompleksnih gnojil. Večji del salitre, proizvedene na svetu, se uporablja prav v tej zmožnosti. Fizično je amonijev nitrat bela kristalinična snov, v industrijski obliki v obliki zrnc različnih velikosti.

Je higroskopičen, torej dobro absorbira vlago iz ozračja; med skladiščenjem ima nagnjenost k strjevanju, nastajanju velikih gostih mas. Zato ga skladiščimo in prevažamo ne v obliki trdne razsute mase, temveč v gostih in trpežnih vrečah, ki ne dopuščajo tvorbe velikih strjenih mas, ki jih je težko zrahljati.

Razstreljevanje v odprtih rudnikih z uporabo amonijevega nitrata kot del industrijskega eksploziva / ©Flickr.com.

Amonijev nitrat je močan oksidant. Trije atomi kisika, ki sestavljajo njegovo molekulo, predstavljajo 60 odstotkov mase. Z drugimi besedami, amonijev nitrat je več kot polovica kisika, ki se pri segrevanju zlahka sprosti iz svoje molekule. Toplotna razgradnja nitrata poteka v dveh glavnih oblikah: pri temperaturah pod 200 stopinj se razgradi na dušikov oksid in vodo, pri temperaturah okoli 350 stopinj in več pa hkrati z vodo nastaneta prosti dušik in prosti kisik. To ločuje amonijev nitrat v kategorijo močnih oksidantov in je vnaprej določilo njegovo uporabo pri proizvodnji različnih eksplozivov, ki zahtevajo oksidant.

Amonijev nitrat - sestavni del industrijskih eksplozivov

Amonijev nitrat je vključen v številne vrste industrijskih eksplozivov in se pri tem pogosto uporablja, predvsem v rudarski industriji. Človek še ni izumil nič učinkovitejšega od eksplozije za uničenje kamnin. Zato skoraj vsako delo z njimi temelji na eksploziji: od rudarjenja v rudnikih do odprtih posekov in kamnolomov.

Rudarska industrija porabi ogromno razstreliva in vsako rudarsko podjetje ali premogovnik ima vedno svoj obrat za proizvodnjo eksplozivov, ki se porabijo v velikih količinah. Relativna poceni amonijevega nitrata omogoča njegovo uporabo za množično proizvodnjo različnih industrijskih eksplozivov.

In tukaj lahko opazimo neverjetno širino tvorbe eksplozivnih sistemov z amonijevim nitratom. Z mešanjem nitrata z dobesedno katero koli gorljivo snovjo lahko dobite eksplozivni sistem. Mešanice nitrata z navadnim aluminijevim prahom tvorijo amonale, ki jih zato imenujemo AMONIJEV nitrat – ALUMINIJ. 80 % mase amonala je amonijev nitrat. Amonali so zelo učinkoviti, dobri so pri razstreljevanju kamnin, določene sorte se imenujejo skalni amonalci.

Močna eksplozija med rudarskimi operacijami / © Flickr.com.

Če nitrat impregnirate z dizelskim gorivom, dobite še en razred industrijskih eksplozivov - igdanite, poimenovani po Rudarskem inštitutu, Inštitutu za rudarstvo Akademije znanosti ZSSR. Saltitra je sposobna tvoriti eksplozivne zmesi, če je impregnirana s skoraj vsako vnetljivo tekočino, od rastlinskega olja do kurilnega olja. Drugi razredi eksplozivov na osnovi nitratov uporabljajo dodatke različnih eksplozivov: na primer amoniti (to niso samo fosilni glavonožci) vsebujejo TNT ali RDX. V svoji čisti obliki je amonijev nitrat tudi eksploziven in lahko detonira. Toda njegova detonacija se razlikuje od detonacije industrijskega ali vojaškega eksploziva. Kaj natanko? Naj se na kratko spomnimo, kaj je detonacija in v čem se razlikuje od običajnega zgorevanja.

Kaj je detonacija

Da se v gorljivih snoveh začnejo reakcije zgorevanja, je treba atome goriva in oksidanta osvoboditi in jih zbližati, dokler med njima ne nastanejo kemične vezi. Osvoboditi jih iz molekul, v katerih so vsebovane, pomeni uničiti te molekule: s tem se molekule segrejejo na temperaturo njihove razgradnje. In isto ogrevanje združuje atome goriva in oksidanta do tvorbe kemične vezi med njima - do kemične reakcije.

Pri normalnem zgorevanju - imenovanem deflagracija - se reaktanti segrejejo z običajnim prenosom toplote s fronte plamena. Plamen segreva plasti gorljive snovi in pod vplivom tega segrevanja se snovi razgradijo pred začetkom kemičnih reakcij zgorevanja. Mehanizem detonacije je drugačen. V njem se snov segreje pred začetkom kemičnih reakcij zaradi mehanskega stiskanja visoke stopnje - kot veste, se snov pod močnim stiskanjem segreje.

Takšna kompresija povzroči udarni val, ki prehaja skozi detonirajoči kos eksploziva (ali preprosto prostornino, če eksplodira mešanica tekočine, plina ali večfazni sistem: na primer suspenzija premoga v zraku). Udarni val stisne in segreje snov, povzroči v njej kemične reakcije s sproščanjem velike količine toplote in se sam napaja s to reakcijsko energijo, ki se sprošča neposredno vanjo.

In tukaj je zelo pomembna hitrost detonacije - to je hitrost udarnega vala, ki prehaja skozi snov. Večji kot je, močnejši je eksploziv, eksplozivno delovanje. Za industrijske in vojaške eksplozive je hitrost detonacije nekaj kilometrov na sekundo - od približno 5 km / s za amonale in amonite in 6-7 km / s za TNT do 8 km / s za RDX in 9 km / s za HMX. Hitrejša kot je detonacija, večja je gostota energije v udarnem valu, močnejši je njegov uničujoči učinek, ko zapusti meje kosa eksploziva.

Če udarni val preseže hitrost zvoka v materialu, ga zdrobi na koščke - to se imenuje razstreljevanje. To je tisto, ki razbije telo granate, izstrelka in bombe na drobce, drobi skale okoli vrtine ali vrtine, napolnjene z eksplozivom.

Z oddaljenostjo od kosa eksploziva se moč in hitrost udarnega vala zmanjšata, z določene kratke razdalje pa ne more več zdrobiti okoliške snovi, ampak lahko nanjo deluje s svojim pritiskom, potiska, zmečka, razprši, vrže, vrgel. Takšno delovanje pritiska, drobljenja in metanja se imenuje visokoeksplozivno.

Značilnosti detonacije nitrata

Industrijski amonijev nitrat brez dodatkov, ki tvorijo eksplozive, kot smo že omenili, lahko tudi detonira. Njegova hitrost detonacije je v nasprotju z industrijskimi eksplozivi razmeroma nizka: približno 1,5-2,5 km / s. Širjenje hitrosti detonacije je odvisno od številnih dejavnikov: v kakšni obliki je salitra, kako tesno so stisnjena, kakšna je trenutna vlažnost salitre in mnogih drugih.

Zato salitra ne tvori razstreljevanja - ne zdrobi okoliških materialov. Toda visokoeksplozivni učinek detonacije nitrata povzroča precej oprijemljiv. In moč določene detonacije je odvisna od njene količine. Z velikimi eksplozivnimi masami lahko visokoeksplozivni učinek eksplozije doseže destruktivnost katere koli stopnje.

Posledice eksplozije v Bejrutu / © "Lenta.ru"

Ko govorimo o detonaciji, opažamo še eno pomembno točko - kako se začne. Dejansko, da bi udarni val stiskanja šel skozi eksploziv, ga je treba nekako sprožiti, ustvariti z nečim. Preprosto vžig koščka eksploziva ne zagotavlja mehanske kompresije, ki je potrebna za sprožitev detonacije.

Torej, na majhnih kosih TNT-ja, zažganih z vžigalico, je povsem mogoče skuhati čaj v skodelici - gorijo z značilnim sikanjem, včasih kadijo, a gorijo tiho in brez eksplozije. (Opis ni priporočilo za pripravo čaja! Še vedno je nevarno, če so kosi veliki ali kontaminirani.) Za sprožitev detonacije potrebujete detonator – majhno napravo s posebnim eksplozivnim nabojem, vstavljenim v glavnino razstreliva. Eksplozija detonatorja, tesno vstavljenega v glavni naboj, sproži udarni val in detonacijo v njem.

Kaj bi lahko povzročilo detonacijo

Ali se lahko detonacija zgodi spontano? Mogoče: navadno izgorevanje se ob pospeševanju lahko spremeni v detonacijo, s povečanjem intenzivnosti tega izgorevanja. Če vžgete mešanico kisika z vodikom - eksplozivni plin - bo začela tiho goreti, a ko se plamenska fronta pospeši, se bo izgorevanje spremenilo v detonacijo.

Zgorevanje večfaznih plinskih sistemov, kot so vse vrste suspenzij in aerosolov, ki se uporabljajo v strelivu za volumetrično eksplozijo, se hitro spremeni v detonacijo. Zgorevanje pogonskega goriva se lahko spremeni tudi v detonacijo, če začne tlak v motorju hitro naraščati, nekonstruirano. Povečanje tlaka, pospeševanje zgorevanja - to so predpogoji za prehod iz običajnega zgorevanja v detonacijo.

Tudi katalizatorji zgorevanja so lahko različni dodatki, kontaminanti, nečistoče - natančneje, oni ali njihove komponente, ki bodo prispevale k lokalnemu prehodu v detonacijo. Oksidirano, zarjavelo strelivo bo bolj verjetno eksplodiralo, če je eksploziv v bližini oksidiranega dela trupa. V sprožitvi detonacije je veliko odtenkov in točk, ki jih bomo izpustili, zato se vrnimo k vprašanju: kako bi lahko salitra detonirala v skladišču?

In tukaj je očitno, da bi pirotehnika lahko odlično igrala vlogo detonatorja. Ne, samo sikajoč smodni lopar skorajda ni povzročil detonacije salitre s svojo močjo dima z iskrami. Toda videoposnetek zajema številne množične izbruhe, ki se iskrijo v dimu ognja pred eksplozijo salitre. Gre za majhne eksplozije raztrosa pirotehničnih komponent za ognjemet. Služile so kot očiten detonacijski začetek. Ne, niso bili industrijski detonatorji.

Toda v razmerah požara, segrevanja velikih površin salitre s plamenom in masivnosti na tisoče izvedenih pirotehničnih operacij so bile te pirotehnične rakete verjetno vnesene v segreto površino salitre z nadaljnjimi eksplozijami v vroči salitri. V nekem trenutku je pri takem udarcu prišlo do njegove detonacije - in se je razširila na celotno paleto shranjene salitre.

Težko je podrobno analizirati nadaljnje dogodke brez podrobnih informacij in študije mesta eksplozije. Ni znano, kako v celoti je bilo detoniranih vseh 2750 ton. Detonacija ni nek absolutni začetek, ki se vedno zgodi, kot je zapisano na papirju. Zgodi se, da briketi TNT, ki so zloženi skupaj, ne eksplodirajo vsi: nekateri se preprosto razpršijo na strani, če se ne sprejmejo zanesljivi ukrepi za prenos detonacije med njimi.

Po ogromnih eksplozijah kamnin, ko se razstreli na stotine in tisoče vodnjakov, napolnjenih z razstrelivom (z razstrelivom so lahko opremljeni cel mesec), potem ko se oblak prahu usede, v eksplozijsko območje vedno najprej vstopijo le strokovnjaki in pregledajo, kaj je eksplodiralo. in kar ni počilo. Zbirajo tudi neeksplodirano razstrelivo. Tako je s salitro v skladišču v pristanišču Bejrut: popolnost eksplozije celotne mase nitrata je težko določiti, vendar je jasno, da je bila precej velika.

Značilnosti eksplozije v Bejrutu

Sama slika eksplozije dobro ustreza detonaciji nitrata. Velik steber rdečkasto rjavega dima po eksploziji je tipična barva oblaka z rdečimi dušikovimi oksidi, ki se pri razpadu nitrata pri eksploziji sproščajo v velikih količinah. Zaradi nizke hitrosti detonacije nitrata ni prišlo do velikega drobljenja.

Zato na mestu eksplozije ni nastal velik krater: materiali pomolov in betonske talne obloge skladišč niso bili podrobno opisani, zato jih niso zavrgli. Zaradi tega ni bilo bombardiranja mesta s kosi, ki so leteli z območja eksplozije, in visoki sultan letečih kosov in drobcev, ki so nastali ob eksploziji, se ni dvignil nad mesto eksplozije.

Stol dima, obarvan z emisijami dušikovih oksidov med razgradnjo amonijevega nitrata / © dnpr.com.ua.

Hkrati je obilno sproščanje plinastih produktov zgorevanja - vodne pare, dušikovih oksidov - dalo sliki eksplozije značilnosti volumetrične eksplozije. Poleg hitro minevajočega udarnega vala, dovolj močnega in vidnega kot hitra meglena stena, na posnetku vidimo bližajočo se steno raztezajočih se eksplozivnih plinov, pomešanih s prahom in se pri hitrem približevanju dvigajo s površja zemlje. To je značilno za eksplozije velikih količin z nizko hitrostjo detonacije.

Narava poškodb stavb bo z veliko verjetnostjo pokazala, da nanje ni vplival samo udarni val - močan, a kratkotrajen -, temveč tudi daljša izpostavljenost širitvi plinsko-zračnega toka, razpršenega iz območja eksplozije.

Eksplozije nitratov v Bejrutu

Eksplozije gnojil na osnovi soli dušikove kisline so se že dogajale, znane so, takih primerov je v zgodovini veliko. Tako je 1. septembra 2001 v Toulousu v tovarni gnojil podjetja Grande Paroisse eksplodiral hangar, v katerem je eksplodiralo 300 ton amonijevega nitrata. Umrlo je okoli 30 ljudi, na tisoče je bilo ranjenih. Številne zgradbe v Toulousu so bile poškodovane.

Pred tem, 16. aprila 1947, je prišlo do eksplozije 2.100 ton amonijevega nitrata na krovu ladje "Grancan" v pristanišču Texas City, ZDA. Pred tem je bil požar na ladji – podobna situacija in zaporedje dogodkov. Eksplozija je povzročila požare in eksplozije na ladjah in skladiščih nafte v bližini. Ubitih je bilo okoli 600 ljudi, na stotine pogrešanih, več kot pet tisoč je bilo ranjenih.

21. septembra 1921 je v kemični tovarni BASF blizu mesta Oppau na Bavarskem eksplodiralo 12 tisoč ton mešanice amonijevega sulfata in amonijevega nitrata. Eksplozija takšne moči je oblikovala ogromen krater, dve najbližji vasi sta bili izbrisani z obličja zemlje in mesto Oppau je bilo uničeno.

Katastrofalne eksplozije amonijevega nitrata z velikim uničenjem in številnimi žrtvami so se zgodile leta 2004 v severnokorejskem mestu Ryongcheon; leta 2013 v mestu West v Teksasu, ZDA; leta 2015 v pristaniškem mestu Tianjin na Kitajskem. In seznam se nadaljuje.

Žal amonijev nitrat z vsemi ogromnimi prednostmi, ki jih prinaša človeku, ostaja nevaren predmet, ki zahteva skladnost s številnimi varnostnimi zahtevami pri rokovanju. In malomarnost ali malomarnost lahko povzročita nove tragedije, katerih preprečevanje zahteva tako zaostritev pravil za ravnanje z nitrati kot povečanje odgovornosti za njihovo spoštovanje in izvajanje.