Химические реакторы в производстве нитропродуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный Технологический институт

(Технический Университет)

Кафедра машин и аппаратов химических производств

РЕФЕРАТ

на тему "Химические реакторы в производстве нитропродуктов"

Студент Духов А.И.

Руководитель Данильчук В.С.

Санкт-Петербург 2015



Условные обозначения

Ц - целлюлоза

НЦ - нитроцеллюлоза

ПП - пироксилиновый порох

НС - нитрующая смесь

ОВ - отработанный воздух

НУОК-непрерывное удаление отработанных кислотных смесей

ДФА - дифениламин

РА - резательный агрегат

НДМ - непрерывно действующая мешалка

ПВВ - пироксилино-водную взвесь



Оглавление

Введение

1. Непрерывный способ производства нитроцеллюлозы. Подготовка целлюлозы к нитрованию

1.1 Непрерывный способ нитрования целлюлозы

2. Изготовление пирокслилиновых порохов

3. Установка по производству жидких нитроэфиров

Список использованной литературы



Введение

нитроцеллюлоза нитроэфир пирокслилиновый порох

Нитраты спиртов, или нитроэфиры, составляют основу бездымных порохов и твердых ракетных топлив, а также входят в состав многих промышленных взрывчатых веществ (динамитов, победитов, некоторых аммонитов и др.). Ассортимент используемых для вооружения и промышленных целей нитроэфиров, который долгое время ограничивался нитроглицерином и пироксилином, все время расширяется. Широкому применению нитроэфиров в технике, несмотря на их высокую чувствительность к механическим воздействиям и относительно низкую стойкость, способствует легкость получения, доступность исходных материалов и высокие взрывчатые свойства. Многие нитроэфиры способны пластифицировать высокомолекулярный нитроэфир -- нитроцеллюлозу. Такая пластификация, приводящая к образованию эластичных масс с хорошими физико-механическими показателями, используется при производстве высокоэнергетического баллиститного пороха.



1. Непрерывный способ производства нитроцеллюлозы. Подготовка целлюлозы к нитрованию

Известно, что на процесс нитрования существенное влияние оказывают: степень химической чистоты, форма и физическое состояние целлюлозы, а также состав нитрационной кислотной смеси.

В табл.2.1. в качестве примера приведены виды целлюлоз, применяемых для получения НЦ, и некоторые их характеристики.

Основные производственные процессы отражены в приводимой блок-схеме (см. рис.2.1.).

Таблица 2.1. Некоторые технические показатели целлюлоз

Показатели целлюлозы Содержание б- целлюлозы %, не менее	Древесная сульфитная	Древесная сульфатная	Хлопковая (ХЦ)* марка
	Марка ЦА	Марка АБ	марка	марка	25	35
	П	К	П	К	ЦА	РБ
	92	93	92	93	96	96	96-98	96-98
Содержание золы, % не более	0,3	0,16	0.3	0,2	0,15	0,15	0,1-0,3
Смачиваемость (поглощение воды навеской Ц в 15 г), г, не	125	135	-	-	135	-	130-145	130-145
Впитываемость по воде, мм, не менее	-	-	60	70	-	100	-	-
Вязкость 1%-ного медно-аммиачното раствора целлюлозы, сП	30-55	30-55	30-70	30-50	Не менее 20	20-21	31-45

Примечание: П - для производства пироксилинов;

К - для производства коллоксилинов и пироксилина № 2;

*- для производства пироксилина № 2 и всех видов коллоксилина.



Подготовка целлюлозы к этерификации заключается в ее рыхлении с последующей сушкой. Рыхлую форму имеют: хлопковая целлюлоза марки УЦ и древесная целлюлоза марки ЦА. Они поступают на производство в виде кип. Плотную форму имеет Ц в виде бумаги марки РБ. Бумага подается рулонами. Для придания хорошей смачиваемости кислотными смесями и обеспечения равномерного процесса этерификации целлюлоза всех марок измельчается и подсушивается до влажности не более 5%. Станки для рыхления кип или резки бумаги объединены с пневмотранспортными сушильными агрегатами. Такие установки обеспечивают непрерывность процессов рыхления или резки с сушкой и транспортировкой подсушенной целлюлозы на фазу этерификации.

Для обработки кип используется кипорыхлитель, который имеет три быстро вращающихся в одном направлении барабана, два из которых разрыхляют кипу Ц, а один выбрасывает ее в разгрузочную воронку. На поверхности барабанов закреплены зубья. Пройдя многократную обработку, разрыхленная Ц марки ЦА поступает в загрузочный бункер конфузорно-диффузорной воронки пневмотранспортной сушильной трубы,

Подготовка полотна бумаги к этерификации сложнее, чем подготовка рыхлых форм Ц из-за высокой ее плотности. Впитывающие свойства полотна бумаги со стороны образующих его плоскостей меньше, чем у свежеобразованных торцевых поверхностей. При этом отдельные волокна перерезают в направлении, перпендикулярном их расположению, и раскрываются глубинные слои материала.

Основными формами бумажной сечки является ромбовидная (3,0х3,8 мм) и прямоугольная (2-3х8-10 мм). Для резки бумаги применяют станки, снабженные механизмами поперечной и продольной резки.

Для сушки Ц используется непрерывный, конвективный, прямоточный иневмотранспортный сушильный агрегат. В нем объединены две операции: сушка Ц и ее транспортирование в отделение нитрования.

Рис. 1.1. Блок-схема производства нитроцеллюлозы

Необходимый подогрев воздуха обеспечивает калориферная установка, куда воздух подается вентилятором и подогревается до 55-120°С (в зависимости от применяемого сырья), а затем через конфузорно-диффузорную воронку подается в пневмотранспортную трубу. Скорость воздушного потока должна быть такой, чтобы Ц находилась во взвешенном состоянии и не оседала на стенках трубы. Длина пневмотранспортных труб зависит от расстояния между отделениями подготовки Ц и ее нитрования; составляет 100-150 м, но иногда достигает 250 м, а диаметр -0,3850,500 м (в зависимости от производительности).

При излишне высоких температурах и длительной сушке происходит гидрофобизация поверхности целлюлозного волокна, при этом ухудшаются его впитывающиеся свойства, снижается выход и качество нитроцеллюлозы.

После сушки Ц поступает в бункер-дозатор, который установлен над аппаратами для нитрования (см. рис.2.2). Бункер-дозатор имеет в нижней части четыре рукава в виде усеченных конусов (в соответствии с количеством нитраторов).

Рис. 1.2. Схема фазы предварительного нитрования целлюлозы:

1- бункер-дозатор,

2- нитратор-дозатор;

НС - подача нитросмеси;

Ц - подача целлюлозы;

OB - подача отработанного воздуха на фильтр улова пыли

Для предотвращения уноса целлюлозы с отходящим воздухом к крышке бункера подвешен зонт с отражателем. По центру усеченных конусов в бункере смонтированы четыре вертикальных вала, на которых в нижней части крепятся дозирующие шнеки. Их вращение осуществляется специальными приводами. По середине бункера установлен дополнительный вал с лопастями, предназначенный для равномерного распределения поступающей целлюлозы по всем дозирующим шнекам. Бункеры-дозаторы могут работать в автоматическом режиме. Отходящий воздух, содержащий пыль, поступает в фильтр, где очищается и вентилятором выбрасывается в атмосферу. Уровень Ц в бункере поддерживается постоянным для обеспечения точности работы шнека дозирующего Ц в нитратор.

1.1 Непрерывный способ нитрования целлюлозы

Нитрование целлюлозы предварительно осуществляется периодически действующих нитраторах-дозаторах, которые работают циклично и поочередно на один круговой аппарат непрерывного удаления отработанных кислотных смесей (НУОК), в котором избыток нитросмеси отделяется за счет естественного стока (см. рис. 2.1.1). Над аппаратом установлено четыре нитратора с корпусом эллиптической формы, коническим днищем и сливным патрубком. Нитраторы имеют по двелопастных мешалки, которые вращаются в разные стороны.

Рис.1.2.1. Технологическая схема окончательного нитрования Ц и рекуперации удержанных кислот на аппарате НУОК:

1 - 4 - напорные баки орошающих кислот;

5 - 8 - холодильники орошающих кислот;

9 - нитратор - дозатор;

10 - аппарат НУОК;

11 - бак-сборник отработанной кислоты

Они установлены так, чтобы угол между лопастями смежных валов был равен 90°. Форма лопастей способствует погружению Ц, орошаемой сверху кислотной смесью, из верхней в нижнюю зону нитратора. В верхней части имеется люк для подачи Ц, а также патрубок для подвода нитросмеси.

С внутренней части нитратора к патрубку подсоединен ороситель для нитросмеси в виде трубы с отверстиями, согнутой по контуру аппарата и заглушенной в конце. При работающих мешалках начинается заливка из Расходного бака кислотных смесей, которые проходят теплообменник, где подогреваются или охлаждаются до заданной температуры. Благодаря большому модулю нитрования температура реакционной массы в не повышается более чем на 3-4°С, поэтому нитратор не имеет рубашки Ц теплообмена. Затем автоматически включается загрузка целлюлозы из бункера-дозатора, при этом подача кислот не останавливается в соответствии с принятым модулем этерификации, дозировка Ц и нитрос производится автоматически.

В табл. 1.1.1 в качестве примера приведен ориентировочный работы нитраторов-дозаторов при непрерывном производстве некоторых типов НЦ.

Таблица 1.1.1. Примерный режим работы нитраторов-дозаторов

Тип НЦ	Марка НЦ	Масса Ц, кг	Модуль	Состав нитросмеси, %	Темра нитро- смеси, °С	Время этерификации, мин.
				НNO3	H2SO4	H2O
Пирок-силин № 1	ЦА	35ч40	33ч40	26ч28	64,5ч67,5	6,5ч7,5	26ч32	15ч18
Пирок-силин № 2	ХЦ	35ч40	33ч40	22,5ч23,5	60,5	16ч17	25ч36	12ч18

Через заданные интервалы времени шнек-дозатор бункера автоматически производит отмеривание и загрузку Ц в нитратор. По истечении времени предварительной этерификации (15-25 мин) из нитраторов-дозаторов поочередно (согласно графику работы) производи слив реакционной массы (при непрерывно работающих мешалках) в аппарат НУОК. После опорожнения нитратора его сливной кран закрывается, и цикл работы продолжается.

В аппарате НУОК, имеющем диаметр 7,6 м (10 на рис. 2.1.1), равномерно распределяется на дне перфорированного кольцевого транспортера, медленно вращающегося в закрытом кожухе.

По мере его вращения новые порции НЦ из других нитраторов подаются на его ложное дно. Продукт укладывается специальной гребенкой ровным слоем определенной высоты (25-40 см) и орошается по всей поверхности из оросительных желобов.

Отработанная кислотная смесь стекает через перфорированное дно в соответствующее отделение неподвижного кольцевого поддона, разделенного перегородками, и самотеком поступает через кислотный фильтр в бак-сборник отработанной кислоты 11, затем насосом подается в напорный бак 4 орошающих кислотных смесей и самотеком через холодильник 8 поступает в зону окончательной проточно-оросительной этерификации, длительность которой составляет 15-25 мин. Избыток отработанной кислоты направляется на фазу смешения кислот для укрепления и дальнейшего использования в производственном цикле.

Зона рекуперации кислот в аппарате НУОК разделена на четыре секции ступени вытеснения отработанных кислот, удержанных нитроцеллюлозой, кислотами убывающей концентрации, а затем водой. При этом необходимо отметить, что термин "вытеснение" не точно отражает физическую сущность этого процесса, так как вытеснение - это конкуренция двух несмешивающихся жидкостей. В данном же случае происходит экстрагирование (выщелачивание) более концентрированных нитросмесей менее концентрированными и, наконец, водой. Кинетика процесса описывается законами массопередачи. Однако указанный термин широко используется в промышленности, поэтому он будет применяться и при дальнейшем изложении материала.

В четвертой секции зоны рекуперации НЦ орошается водой, которая подается в систему в строго расчетном количестве. Из поддона четвертой секции слабые кислотные смеси (при концентрации 30-40 мас %) через напорный бак 1 и холодильник 5 поступают на орошение НЦ в третьей секции, из нее кислотные смеси (при концентрации 50-60 мас %) через напорный бак 2 и холодильник 6 орошают НЦ второй секции, а затем при концентрации 65-75 мас %) поступают через напорный бак 3 и холод 7 на орошение НЦ в первой секции.

Таким образом, вытесненная кислота каждой последующей является орошающей кислотой предыдущей ступени вытеснения.

Отработанная кислотная смесь из первой секции разделяется на 2 потока: первая, более концентрированная фракция (65-75% от общей массы вытесненной кислоты), направляется на фазу смешения кислот укрепления, а оставшаяся часть поступает на фазу регенерации кислот.

Температура орошающих кислот в зоне проточной этерификации не более 10°С, в зоне рекуперации 6-10°С. Такой режим создается для уменьшения вероятности процесса денитрации НЦ.

Для улова паровоздушной смеси, содержащей пары и туман H2SO4, HNO3 и оксиды азота, нитраторы и аппарат НУОК подключены газовоздуховодами к абсорбционной установке.



2. Изготовление пирокслилиновых порохов

На рис.2.1 представлена технологическая схема стадий смешения, формования и резки при изготовлении зерненых пироксилиновых порохов с помощью мешателя НДМ, двухвинтового шнек-пресса Ш-2В и резательного агрегата РА-1-2.

Рис.2.1. Технологическая схема стадии смешения, формования и резки при непрерывном изготовлении зерненых пироксилиновых порохов с использованием аппаратов НДМ и Ш-2В:

1 - шнек-дозатор; 2- напорный бак раствора ДФА в эфире; 3 - фильтр,

4 - насос-дозатор; 5 - контрольный фонарь; 6 - НДМ; 7 - Ш-2В;

8 - наклонный транспортер; 9 - верхний резательный станок,

10 - нижний резательный станок; 11 - приемный бункер;

12- транспортер в Г-3ф (скиповый подъемник)

При изготовлении трубчатых порохов в схеме изменяется только аппарат для резки. Обезвоженный смесевой пироксилин, содержащий 28-29 мас.% этанола и 3-4 мас.% воды, с помощью подъемника подается к протирочному аппарату, затем шнек-дозатором 1 - в первую секцию трехсекционногонепрерывнодействующегомешателя НДМ 6. Сюда же с помощью насоса-дозатора 4 через контрольный фонарь 5 из расходного бака 2 через фильтр 3 подается раствор ДФА в эфире.

В первую секцию НДМ можно вводить также до 15 мас.% возвратнотехнологических отходов.

Смешанная пороховая масса из НДМ по герметичной течке поступает в двухшнековый пресс 7. Отформованные в нем пороховые шнуры наклонным транспортером 8 подаются в резательный агрегат РА-1-2, состоящий из верхнего 9 и нижнего 10 резательных станков.

Пороховые зерна из приемного бункера 11 транспортером 12 направляются далеев Г-3ф на удаление растворителей.

Смесь воздуха и паров спирта и эфира капсюлирующими устройствами, помещенными вблизи от транспортера 8 и станков 9 и 10, через гравийный огнепреградитель направляется на рекуперационную установку.

Смешение и формование может осуществляться в одном аппарате КСП. На рис.3.2 представлена технологическая схема непрерывного производства ПП с использованием этого аппарата. Пироксилино-водную взвесь (ПВВ) с массовой долей 3% по эстакаде из нитроцеллюлозного производства направляют через пескоуловитель и электромагнитный сепаратор 1 в ажитатор 2. В ажитаторе ПВВ отстаивается и декантируется до массовой доли 7-8%, подогревается острым паром до 40-45°С и массонасосом 3 и насосом-дозатором 6 подается на водоотжим и обезвоживание в фильтрующую горизонтальную автоматическую центрифугу (ФГА) 5.

Нагрев НЦ предотвращает физико-химическое взаимодействие полимера с этанолом, что могло бы затруднить процесс его обезвоживания.

Фильтрат (отжатая вода) после стадии водоотжима поступает в бaк оборотной воды 4, куда подаются также сифонные воды из ажитатора 2.

Обезвоживание осуществляют этиловым спиртом-ректификатом (СР) с объемной долей не менее 95% при 15-30°С, для чего этанол из расходного бака 12 с помощью дозирующего агрегата 11 через ротаметр подают в ФГА. Отработанный спирт (ОС) после ФГА самотеком поступает в емкость 16.

ПВВ - пироксилино-водная взвесь,

СФ -- сифонные воды; ОС - отработанный спирт;

РДЭ - раствор ДФА в эфире;

СР - спирт-ректификат

Рис. 2.2. Технологическая схема стадий смешения, формования и резки при непрерывном изготовлении пироксилиновых порохов с использованием аппаратов КСП:

1 - Электромагнитный сепаратор; 2 - ажитатор; 3 - массонасос; 4 - бак оборотной воды, 5 - ФГА, 6 - насос-дозатор ПВВ; 7 - бункер; 8 - шнек-протирка; 9 - шнек-дозатор; 10-КСП; 11-дозирующий агрегат этанола; 12 - расходный бак этанола;13 - дозирующий агрегат раствора ДФА в эфире, 14 - расходный бак раствора ДФА в эфире; 15 - резательный агрегат; 16 - емкость для отработанного спирта

Обезвоженный пироксилин выгружается в бункер 7, где он частично разрыхляется шнек-винтом и подается в шнек-протирку 8, из нее - в шнек-дозатор 9 и далее в КСП 10. Одновременно с пироксилином в аппарат КСП дозировочным агрегатом 13 из расходного бака 14 через ротаметр дозируется эфир с растворенным в нем дифениламином (РДЭ).

Из аппарата КСП пластичная пороховая масса через формующие втулки выпрессовывается в виде пороховых шнуров, которые ленточным транспортером подаются в резательный агрегат 15.

Полученные пороховые элементы поступают на фазу удаления растворителей в горизонтальный трехфазный аппарат Г-3ф (рис. 3.3) и далее на завершающие операции.

Рис. 2.3. Схема горизонтального трехфазного аппарата Г-3ф для непрерывного удаления растворителей из ПП:

1 - скиповый подъемник (межфазньй транспорт от резательного агрегата к Г-3ф);

2- аппарат предварительного провяливания; 3 - Г-3ф;

4- напорные баки секций вымочки;

5- напорный бак воды с теплообменником;

6- теплообменники;

7 - приемный бак спирта (4-9 об. %);

8- приемный бункер;

9- разгрузочный транспортер

3. Установка по получению жидких нитроэфиров

Рис. Установка по производства жидких нитроэфиров

На рисунке мы видим:

1.Бачок спирта

2.Нитросмесь

3.Инжектор-нитратор

4.Холодильник эмульсии

5.Центрифуга

6.Сепаратор контрольный

7.Инжектор транспортирующий

8.Клапан КРКО

9.Тарельчатый насос

10.Крепкая отработанная кислота на обезвреживание

11.На приготовление рабочей смеси

12.Лабиринт

13.Отработанная вода на разложение

14.Аппарат промывной (экстрактор)

15.Слабая отработанная кислота на обезвреживание

16.Распределитель потока

17.Тёплая вода.

18.Содовый раствор.

19.Дозатор-расходомер.

20.Сигнализатор кислотности.

21.Нитроэфир на потребление

22.Реактор

Пульт управления

Экстрактор

Узел нитрирования

На данном оборудовании выполняются следующие операции:

· нитрование многоатомного спирта охлаждённой от -5 до -9 град. С нитрующей смесью в нитраторе типа инжектора(3);

· охлаждение образующейся эмульсии нитроэфира в отработанной кислоте в змеевиковом холодильнике(4) и разделение её в центрифуге(5);

· транспортирование кислого нитроэфира в центробежный экстрактор(14) с помощью инжектора(7) в виде неспособной к детонации эмульсии в охлаждённой воде;

· отделение нитроэфира от кислой промывной воды и промывка содовым раствором и тёплой водой в 3-х ступенчатом центробежном экстракторе;

· непрерывный весовой контроль количества получаемого нитроэфира с помощь дозатора-расходомера(19);

· непрерывный контроль качества получаемого нитроэфира с помощью сигнализатора кислотности(20);

· транспортирование отработанной кислоты и кислой промывной воды черпаковыми бессальниковыми насосами(9) в реакторы для разложения содержащихся в них нитроэфиров;

· обезвреживание от нитроэфиров отработанных кислот и абсорбция образующихся окислов азота в колоннах.

Получаемый нитроэфир может транспортироваться в виде эмульсии в воде с помощью инжекторов в здания переработки их в пороха, промышленные ВВ, а также из него можно непрерывно с помощью черпакового насоса готовить растворы в спирте, подсолнечном масле (для фармацефтических целей) или в другом подходящем растворителе (ацетоне, этилацетете) для пластификации каучуков и других целей.



Список использованной литературы

1. Лит.: Горст А. Г., Пороха и взрывчатые вещества, 3 изд., М., 1972.

2. Лит.: Закощиков А. П., Нитроцеллюлоза, М., 1950; Роговин 3. А., Химия целлюлозы, М., 1972;

3. Энциклопедияполимеров, т. 2, М., 1974, с. 377-80; Коваленко В.И., "Успехи химии", 1995, т. 64, № 8, с. 803-17.

Размещено на Allbest.ru

...