книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология

В новом процессе, как будет показано ниже, шнековые пресса выполняют практически все технологические операции фазы переработки, обеспечивая малую длительность техноло­ гического цикла и высокую безопасность процесса.

Отделение пороховой массы от воды после завершения ее «созревания» в непрерывном режиме представляло значитель­ ные трудности и потребовало длительных разработок различ­ ного рода конструкций и аппаратов, начиная от, так называе­ мой, сцежи — вращающегося перфорированного полотна — до шнекового пресса, совмещающегося в себя функции фильтрования и отжима.

Процесс удаления воды из любого материала может быть осуществлен двумя путями: механическим отделением (фильт­ рованием, центрифугированием, отжимом) и сушкой. При не­ большом содержании влаги, адгезионно связанной с материа­ лом, удаление возможно единственным способом — сушкой. С энергетической точки зрения наиболее оптимальным спосо­ бом является механическое отделение, причем, до адгезионно связанного предела. По мере снижения в материале содержа­ ния свободной влаги (не связанной адгезионно) возрастают сложности по ее удалению, а энергетические затраты увеличи­ ваются. На протяжении довольно длительного пути развития непрерывной технологии переработки операция отделения по­ роховой массы от воды была экспериментально исследована, и промышленное ее оформление усовершенствовалось в тече­ ние длительного времени. Ниже в разделе водоотжима даны физическая и математическая модели процесса и характери­ стика оборудования этой фазы.

Операция подсушки порохового полуфабриката после валь­ цевания была введена после исключения из технологического потока вторых вальцев, функция которых заключалась в до­ сушке массы до окончательной влажности. Высокий уровень диссипативной энергии при течении высоковязкой массы с низкой влажностью на вальцах приводил к частым загорани­ ям, что определило необходимость корректировки технологи­ ческого процесса с заменой вальцев на сушильный аппарат.

В конструктивном и технологическом плане применялись различные аппараты, но, в основном, барабанного и шнеково­ го типов. В зависимости от способа подачи теплоносителя (воздуха) барабанные сушилки были трех типов: с прямото­ ком, противотоком и поперечной продувкой. Сушилки этого типа отличались высокой пожароопасностью вследствие не-

222

достаточно эффективной противопожарной защиты (сложность подачи пожаротушащей жидкости внутрь сушилки). В этом отношении более безопасными являются шнек-транспортер- ные сушилки, в которых пороховой полуфабрикат рассредото­ чен, а сам аппарат защищен быстродействующей пожаротуша­ щей системой.

Однако оба типа аппаратов обладают существенным недос­ татком: технологический процесс сушки осуществляется мед­ ленно вследствие разнонаправленности двух действующих гра­ диентов — влагосодержания и температурного. Время сушки составляет от 40 до 90 минут, а загрузка аппарата полуфабри­ катом при его максимальной производительности составляет 500...750 кг, что при авариях может приводить к тяжелым по­ следствиям. Поэтому на протяжении длительного времени шел поиск путей сокращения времени сушки с одновременным резким снижением энергозатрат. Очевидно, это возможно только при увеличении скорости сушки за счет изменения на­ правления температурного градиента, т. е. совмещения его с направлением градиента влагосодержания. Возможные пути решения этой задачи — использование диссипативной энер­ гии, СВЧ-генераторов и переменного режима «нагрев — охла­ ждение» — были опробованы в реальных конструкциях. Су­ шилки с СВЧ-нагревом и типа КСВР были в эксперименталь­ ном порядке опробованы в опытном производстве, однако, по определенным причинам, о которых речь пойдет в разделе сушки, не нашли практического применения, и серийное про­ изводство осуществлялось по технологическим схемам с су­ шилками барабанного типа и шнек-транспортными.

Фаза формования — самая опасная по аварийным послед­ ствиям, — начиная со времени создания непрерывной техно­ логии (на базе шнековых прессов), подвергалась многочислен­ ным модернизациям, диктуемым необходимостью повышения безопасности работ и качества продукции.

Первые формующие пресса типа Ш-3 и Ш-4 (рис. 109, ПО), открывшие, по сути дела, эру непрерывной технологии переработки пороховой массы, имели конусные винт и втулку, обеспечивающие за счет уменьшения диаметров по ходу прес­ сования массы снижение объема канала, что приводит к сжа­ тию массы и сдвиговым деформациям вследствие обратного потока под действием противодавления и внешнего трения массы о поверхность винта. Сечение канала винта уменьшает­ ся от загрузочной к головной части пресса вследствие умень-

223

ской, а далее и непрерывной технологических схем. Исходя из целевого назначения, процесс заключается в удалении воды, придании массе заданной формы и спрессовыванию ее до плотности, близкой к теоретической (сумме аддитивных плот­ ностей компонентов). Казалось бы, процесс прост — удалили воду, высушили массу до окончательной влажности и спрессо­ вали ее в заданной форме при высоком давлении.

Однако первые же эксперименты по поиску оптимальной непрерывной технологии показали невозможность такого ре­ шения по следующим причинам:

— вследствие незавершенности процесса пластификации на фазе изготовления пороховой массы не обеспечивается од­ нородность спрессовываемой массы, наблюдаются белые вкра­ пления непропластифицированного полимера;

— двух параметров теплосилового поля (температура и давление) оказалось недостаточным для перестройки надмо­ лекулярной структуры полимерной системы. Необходимы сдвиговые деформации с разрывом межмакромолекулярных связей и рекомбинацией их в новом упорядоченном положе­ нии.

Таким образом, при поиске условий формования из полу­ ченной пороховой массы зарядов с требуемыми плотностью, прочностью и однородностью была выявлена необходимость, кроме удаления воды, организации такого режима течения по­ роховой массы, при котором четыре параметра «теплосилово­ го» поля — температура, давление, скорость сдвига и необра­ тимая деформация сдвига (как интеграл скоростей сдвига) — обеспечили бы завершение процесса пластификации, пере­ стройку структуры пластифицированной пороховой компози­ ции и необходимую прочность аутогезионного шва.

В процессе экспериментальных исследований и производ­ ственных испытаний нового оборудования была выработана определенная последовательность технологических операций: фильтрование — водоотжим — пластификация (вальцевание с одновременной сушкой) — досушка (на вальцах или специ­ альных сушилках) — гранулирование (таблетирование) — прессование на шнековых прессах с пресс-оснасткой в виде диффузорно-конфузорного раструбного пресс-инструмента.

Ниже рассматриваются результаты теоретических и экспе­ риментальных работ по каждой из фаз производства перера­ ботки, выполненных в 60 — 80-х гг. и завершившихся разра­ боткой нового технологического процесса переработки.

226

4.3.1 Отделение пороховой массы от воды. Водоотжимные шнековые пресса

4.3.1.1 Фильтрование суспензий пороховых масс

Ранее закономерности фильтрования суспензий баллиститных масс не исследовались, а параметры водоотасима на шне­ ковых прессах ШС-1, ШД и затем ПО-125 выбирались на ос­ нове эмпирических данных [122, 123].

Современные топлива, содержащие катализирующие систе­ мы в мелкодисперсном (почти коллоидном) состоянии, изме­ нили условия фильтрования:

—возросла связь дисперсной фазы с водой (иногда до коллоидного состояния);

—резко увеличилось сопротивление осадка вследствие за­ полнения пор частицами коллоидноизмельченного катализато­ ра (сажи, ФМС и т. д,).

Это потребовало проведения широких исследований про­ цесса фильтрования суспензий пороховых масс с определени­ ем оптимальных параметров как самого процесса, так и фильтровального аппарата.

Исследования базировались на основных закономерностях, рассмотренных в ряде работ [124, 125]. Учитывая особенности штатных и новых топлив, предполагалось, что в большинстве случаев имеет место фильтрование со сводообразованием осад­ ка на щелях фильтровальной перегородки. Однако для топлив, содержащих значительное количество тонкоизмельченных компонентов, недостаточно связанных с основой, более вероя­ тен механизм с закупориванием пор. Очевидно, с учетом это­ го механизма рамки исследования должны быть расширены.

В соответствии с законом Дарси скорость фильтрования

где V — объем фильтрата, м3; S — поверхность фильтрования, м2; / — время фильтрования, с; АР — разность давлений, Па; ц — вязкость фильтрата, Па-с; Roc — сопротивление слоя осад­

227

Очевидно, удельное сопротивление г0 является функцией нескольких параметров: давления, температуры, химического состава, времени (для случая закупоривания пор), тогда в об­ щем виде дифференциальное выражение примет форму:

dV _______ АР________

(4.38)

Sdt

r0(P,T,t,x,)M^;+Rçn

Для частного случая, когда r0 = const, интегрирование урав­ нения (4.38) приводит к выражению:

Для случая с малым сопротивлением фильтровальной пере­ городки:

Таким образом, закономерности фильтрования в основном определяются удельным сопротивлением осадка, а его иссле­ дование — путь к созданию математической модели процесса.

При разработке методики определения удельного сопротив­ ления осадка учитывалось, что существующие методы, бази­ рующиеся на предварительном сжатии осадка поршнем, для баллиститных топлив не могут дать объективных данных по следующим причинам:

2 2 8

—топливная баллиститная масса относится к классу сжи­ маемых осадков [126, 127], деформирование механическим пу­ тем существенно отличается от сжатия в фильтровальной зоне отжимного пресса;

—в фильтровальной зоне, которая и исследуется в данном случае, имеет место деформация только под действием гидро­ статического давления.

Для проведения исследований была разработана специаль­ ная установка, показанная на рис. 111.

Установка включает в себя стеклянный цилиндр 1 с фильт­ ровальной решеткой 2 в донной части, термостат 3 и центро­ бежный насос 4. Навеска пороховой массы в виде однородной

Рис. I I I . Схема установки определения удельного сопротивления осадка

влажных смесей:

1 — стеклянный цилиндр; 2 — фильтровальная решётка; 3 — термостат; 4 — центробежный насос; 5, 6 — вентили; 7 — мерная емкость

229

суспензии загружается в цилиндр 1. Температура осадка под­ держивается температурой воды, нагреваемой в термостате, а величина давления фильтрования задается насосом с помо­ щью вентилей 5 и 6. Мерным сосудом 7 замеряется объем по­ лученного фильтрата, а высота осадка определяется по мер­ ным делениям стеклянного цилиндра.

Расчет удельного сопротивления производится по уравне­ нию Дарси:

2APSt

(4.42)

Г° ~ №

Установка позволяет проводить исследования г0 в диапазо­ не температур 293...333 К и давлений 0,005...0,15 МПа. С ис­ пользованием данной установки в условиях опытного произ­ водства было определено удельное сопротивление топливных масс более 20 составов (относительная погрешность — 3...5%).

На рис. 112, 113 показаны зависимости удельного сопро­ тивления некоторых топлив от давления и температуры. Там же представлена графическая интерпретация допустимости ап-

Рис. 112. Зависимость удельного сопротивления осадка от давления:

1 - НДТ-ОМК; 2 - РНДСИ-5КМ; 3 - РСИ-60; 4 - МФ-40; 5 - обр. 1367МД

230