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

Следует отметить, что для метода Биацци характерна высо­ кая эффективность основного оборудования: нитратора, сепа­ ратора, промывного аппарата.

Недостатки производства по методу Биацци:

— большая загрузка оборудования НГЦ, составляющая 1000... 1200 кг, из них ~ 1/3 отсепарированный НГЦ;

—загромождение аппаратурой здания нитрации, что за­ трудняет обслуживание и контроль за работой аппаратов;

—высокие капитальные затраты, связанные с большими производственными площадями и обваловкой зданий.

3 СССР работы по созданию непрерывного производства НГЦ были выполнены в 1936—48 гг. Пашковым, Бакаевым, Баженовым [15—18] и созданы две промышленные установки по сепарационному и бессепарационному методам. На рис. 5 представлена непрерывная схема сепарационного метода, разра­ ботанная Бакаевым и Пашковым, по которой была создана первая промышленная установка в нашей стране.

Нитросмесь и глицерин, подогретый до 40°С, подаются в дозаторы-контролеры, откуда при помощи ковшевого элева­ тора точно отмеренное количество глицерина поступает не­ прерывно в нитратор.

Корпус дозатора-контролера разделен на две части, в каж­ дой из которых находится диск с ковшами. Диски вращаются общим валом. Жидкость из дозировочного отделения ковшом переливается в контрольное, откуда таким же ковшом переда­ ется по трубам к нитратору. В контрольном отделении попла­ вок, связанный со световым сигналом на щите («много», «ма­ ло»), обеспечивает поддержание необходимого уровня.

Нитратор имеет механическую мешалку и змеевики для ох­ лаждения. Из нитратора эмульсия непрерывно подается в се­ паратор типа Биацци, откуда кислый НГЦ поступает в аппа­ рат предварительной промывки и затем в промывной аппарат. Установка для промывки НГЦ включает аппараты предвари­ тельной и окончательной промывки.

Аппарат предварительной промывки представляет собой цилиндрический сосуд с рубашкой и змеевиками для охлажде­ ния. Перемешивание — воздушное. В верхней части — карман прямоугольного сечения для сепарации НГЦ. Аппарат оконча­ тельной промывки состоит из шести секций, в нижней части каждой секции установлен инжектор. Жидкости подаются по принципу противотока. Разделение — в верхней части.

22

В 60-х годах установки, работающие по этой схеме, были полностью переведены на дистанционное управление. Вся ап­ паратура выполнялась из хромоникелевой стали со сваркой швов в атмосфере аргона.

Химическая стойкость НГЦ определяется экспресс — ме­ тодом [19, 20]. Кислоты отработанная и с предварительной промывки поступают на разложение нитротел и денитрацию.

На ряде заводов была реализована схема предложенного Баженовым в 1947 г. бессепарационного процесса (рис. 6).

В данной схеме эмульсия НГЦ в отработанной кислоте не­ прерывно перетекает в разбавитель, где смешивается с про­

в отделитель (типа Биацци), где НГЦ собирается в нижней части, а разбавленная кислотная смесь — в верней части, от­ куда она непрерывно перетекает в лабиринт для улова остат­ ков НГЦ. Затем кислотная смесь идет на разложение нитротел и денитрацию. НГЦ из нижней части отделителя поступает

впромывную систему, состоящую из промывных колонн типа

К.Шмидта в количестве 5—6 штук. По мнению авторов [21—23] данный способ является более безопасным, так как исключается самая опасная фаза сепарации после нитратора, на которой по статистическим данным произошло много ава­ рий вследствие недостаточной стойкости кислого НГЦ.

Анализируя в историческом аспекте реализованные про­ мышленные периодические (Нобеля, Натана) и непрерывные технологии (Шмидта — Майснера, Биацци, Бакаева — Паш­ кова, Баженова), следует отметить существенное преимущество непрерывных технологий. Вследствие уменьшения загрузки ап­ паратуры взрывоопасным продуктом, использования дистанци­ онного контроля и управления, повышения точности и надеж­ ности дозирующих устройств опасность производства НГЦ при непрерывном способе значительно снижается.

Тем не менее в высокопроизводительных установках за­ грузка аппаратуры НГЦ была по-прежнему велика, что требо­ вало больших капитальных затрат при создании как непрерыв­ ных производств, так и периодических.

Высокая производительность требовала использования нитраторов и сепараторов большого объема с мощной системой охлаждения. Именно нитраторы и сепараторы сосредотачива-

24

ют большую массу взрывоопасной среды, возможность взрыва которой повышается недостаточной стойкостью кислого, еще не очищенного НГЦ.

Поэтому усилия инженеров были направлены в первую очередь на модернизацию операций нитрации глицерина и от­ деления его от отработанных кислот.

В конце 50-х — начале 60-х гг. на заводах Гитторпе в Шве­ ции и Ардире в Англии на промышленных установках исполь­ зовался инжекторный способ нитрации глицерина (рис. 7), который можно рассматривать как сочетание двух методов, ав­ торами которых являются Ильсон [24] и Брунберг [25].

Рис.7. Технологическая схема получения нитроглицерина инжекторным ме­ тодом (фаза нитрации и сепарации):

1 — инжектор для подачи водной эмульсии нитроглицерина на фазу ста­ билизации в промывные колонны; 2 — центрифуга; 3, 22 — кожухотруб­ ные теплообменники; 4 — холодильник; 5 — электромагнит; 6 — инжек­ тор — нитратор; 7, 9, 11, 12 — термометры; 8 — игольчатый клапан для впуска воздуха в инжектор; 10 — вакуумметр; 13 — электромагнитное ре­ ле; 14 — сигнальный колокол; 15 — хранилище кислотной смеси; 16 — хранилище глицерина; 17 — выключатель; 18 — ротамер для воды; 19 — ротамер для глицерина; 20 — ротамер для кислотной смеси; 21 — засасы­ вающий бак с постоянным уровнем для глицерина; 23 — хранилище воды

26

По первому смешение компонентов и нитрация осуществ­ ляется в инжекторе с полным отводом тепла предварительно охлажденной нитрующей смесью. Разделение эмульсии произ­ водится в статическом сепараторе типа Биацци.

Второй метод предусматривает нитрацию в инжекторе сме­ сью свежей и отработанной кислот. Состав кислот может ко­ лебаться в пределах: HN03 — 15...45%, H2S04 — 45...70%, Н20 — 5... 15%. Температура кислот — 10±5°С. Температурный режим нитрации — 30...45°С. Давление кислоты, подаваемой сжатым воздухом, — 3...5 кгс/см2, вакуум — 150...500 мм рт. ст., регулируется подачей в инжектор воздуха. За инжектором установлены два холодильника.

Эмульсия НГЦ с кислотой поступает на разделение в цен­ тробежный аппарат, имеющий число оборотов 3000 1/мин. Се­ паратор размещается в обвалованном здании или в бетонном бункере. Максимальное содержание НГЦ в сепараторе при производительности 750 кг/ч находится в пределах 5 кг.

НГЦ из сепаратора жидкостным промывным инжектором передается в виде невзрывоопасной эмульсии в здание про­ мывки. В качестве промывных жидкостей используется чистая вода, аммиачная вода, содовый раствор.

Предложены и другие способы нитрации в небольших объ­ емах. Так, фирмой Hercules Powder Company использован спо­ соб Мак-Кинея [26] смешения в трубе спирта и охлажденной кислоты при высокой турбулентности (Re >2100). При этом нитратор представляет собой смесительную Т-образную трубку. Глицерин и охлажденная нитрующая смесь подаются с проти­ воположных концов Т-образной трубы дозирующими насоса­ ми. Температура кислоты поддерживается на уровне 5...10°С. Два потока соударяются друг с другом при достаточно высо­ ких скоростях, создавая турбулентный режим движения при Re > 1000. Трубчатый реактор не охлаждается, а температура нитрации поддерживается в пределах безопасности за счет температуры нитрующей смеси и соотношения компонентов.

Из трубчатого нитратора эмульсия НГЦ проходит по этой же трубе зону охлаждения, где температура смеси понижается до 15...16°С. Затем производится добавка глицерина в трубки для увеличения отношения НГЦ/кислота при сепарации. Эта добавка следует за зоной охлаждения и осуществляется в до­ полнительной трубке для нитрации и охлаждения. Подобным образом может быть выполнена третья добавка. Таким обра­

2 7

зом, схема предусматривает возможность порционной дозиров­ ки глицерина.

На стадии сепарации используется специальный ролико­ вый центробежный сепаратор малого объема. Масса НГЦ во всей нитрационной системе не превышает 2,5 кг.

Разделение водно-нитроглицериновой эмульсии осуществ­ ляется либо в статических сепараторах, либо в специальной центрифуге.

По одному из английских патентов [27] непрерывный спо­

10...1ГС. Глицерин подается после зоны охлаждения через со­ пло под давлением. Для разделения эмульсии используется статический сепаратор.

Интересен способ нитрования, предложенный несколькими авторами [28, 29] и отличающийся от всех непрерывных спо­ собов нитрования в трубе. В качестве нитратора предлагается аппарат, имеющий вращающийся диск с бортом по перифе­ рии. Компоненты подаются в центр диска, поступают к пери­ ферии и по вертикальным стенкам корпуса стекают вниз к конической части, с которой эмульсия передается в центри­ фугу. Кислотная смесь готовится из свежей и отработанной кислот, предварительно охлаждается до минус Ю...+10°С в за­ висимости от заданной температуры нитрации. НГЦ из цен­ трифуги поступает в сборник, заполненный водой или содо­ вым раствором, далее — на стабилизацию в аппараты с меха­ ническим перемешиванием и разделение в статическом сепараторе.

В конце 50-х — 60-х гг. в нашей стране проводился боль­ шой объем экспериментальных работ по созданию непрерыв­ ного процесса с малыми временами операций нитрования, разделения компонентов и стабилизации НГЦ. Рассматрива­ лись различные технологические схемы, включая ступенчатую инжекторную схему нитрации (в 2—3 этапа) с рециркуляцией кислот и без, разделение в центрифугах и статических сепара­ торах, промывку различными способами. Так, на рис. 8 пред­ ставлена инжекторная схема нитрации без рециркуляции отра­ ботанных кислот [30, 31].

Отсутствие рециркуляции кислот, используемых для охлаж­ дения реагентов, компенсируется многоступенчатой инжектор­ ной схемой производства, в которой за каждым инжектором следует холодильник.

28

Данная схема обладает рядом существенных недостатков:

—сложность мультиинжекторного нитратора, состоящего из 3—4 инжекторов, такого же количества дозирующих узлов

ихолодильников;

—длительность контакта НГЦ с отработанной кислотой возрастает в несколько раз по сравнению с инжекторной схе­ мой с рециркуляцией кислот;

—применение двух последовательных статических сепара­ торов еще более удлиняет время процесса.

Поэтому данная схема не была реализована.

При разработке промышленной схемы непрерывного про­ изводства НГЦ с высокой производительностью и малой за­ грузкой аппаратуры взрывоопасным продуктом были положе­ ны в основу следующие предпочтительные направления про­ ектирования:

—высокая скорость этерификации глицерина в инжекторе

сбыстрым съемом теплоты реакции за счет рециркуляции от­ работанных кислот;

—быстрое разделение нитроэмульсии в сепараторах цен­ тробежного действия;

—интенсификация процесса стабилизации НГЦ за счет тонкого эмульгирования его в промывных жидкостях с разде­ лением эмульсий также в центробежном поле.

Кмоменту создания нового производства с сокращенным временем всего производственного цикла в достаточной степе­ ни были проработаны инжекторная нитрация и непрерывная центробежная сепарация, реализованные в промышленном масштабе в Швеции и Англии.

Процесс же стабилизации, включающий неоднократные промывки с инжекторным смешением и неоднократное разде­ ление эмульсий методом сепарации, был довольно громоздким и требовал доработки.

Ранее было отмечено [32], что при подаче двух компонен­ тов на вращающуюся тарель и отборе их неподвижной труб­ кой происходит тонкое смешение компонентов, при котором достигается дисперсность 3...5 мк при высокой однородности. Качество смешения лучше, чем в инжекторе. При диаметре тарели 300 мм и числе оборотов 3000...4000 мин-1 жидкость входит в отборную трубку тонким слоем со скоростью 50...70 м/с (в инжекторе 20...25 м/с при ДР = 2,5...3 кгс/см2).

Совмещая данное перемешивающее устройство с центри­ фугой, можно получить аппарат непрерывного действия

30