Материал: Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология

L

¥

GL

5

Рис. 40. Гидродинамическая мельница типа ВВК:

1 — конические роторные диски; 2- статорные кольца; 3 — ротор; 4 — вал; 5 — переходник от массопровода; 6 — крыльчатка; 7 — корпус мель­ ницы; 8 — статор; 9 — патрубок отводящий

танавливается с зазорами 0,07; 0,08; 0,1; 0,12 мм, регулируе­ мыми прокладками.

К верхней торцевой части корпуса крепится конусный пе­ реходник от массопровода к мельнице. Для отвода из мельни­ цы измельченной НЦ на выходе из боковой части корпуса имеется патрубок 9.

Гидродинамические мельницы типа ВВК отличаются не­ большими габаритами и металлоемкостью. От вышеописанных мельниц типа РК, ДМК, МД они отличаются характером из­ мельчения волокна, которое по длине изменяется незначи-

98

тельно, но существенно увеличивается его удельная поверх­ ность за счет разрыхления (разрыва волокна).

Окончательная стабилизация

Операцию окончательной стабилизации проводят в лаверах (фр. laveur — промывной аппарат) аналогично операциям, проводимым в чанах горячей промывки. Отличие состоит в том, что при промывке измельченных нитратов целлюлоз отделение воды осуществляется сифонированием.

Сифонируемые промывные воды всегда содержат некото­ рое количество измельченных НЦ, поэтому они поступают в отстойники для улова уносимых ими НЦ. Взвесь до задан­ ных температур подогревается острым паром, поступающим через сопла в нижнюю часть лавера.

Емкость лавера — 20...35 м3., одновременная загрузка НЦ — 2,5...4 т, что составляет одну частную (малую) партию. Исходная концентрация НЦ — 7... 10%, после оппонирова­ ния — 20...25%.

Перекачку из лавера осуществляют после получения тре­ буемых физико-химических характеристик по стойкости, вяз­ кости, растворимости, азоту.

Полный оборот лавера около 20 часов.

Следует сказать, что технологический процесс окончатель­ ной стабилизации в лаверах — один из самых несовершенных в производстве НЦ. До 80...90% времени занимают вспомога­ тельные операции, только простои в ожидании анализов зани­ мают 50...70%.

Рассматривая в целом производственные процессы изго­ товления нитратов целлюлозы различной степени этерифика­ ции, необходимо отметить их несовершенство и несоответст­ вие современному уровню техники. Даже в непрерывном ва­ рианте с отделением кислот в НУОК и стабилизацией в непрерывном трубчатом автоклаве длительность производст­ венного цикла составляет несколько суток, а для обеспечения приемлемого однообразия необходимо усреднять несколько частных партий с изготовлением общих партий массой в де­ сятки тонн НЦ. Более того, при современном техническом уровне изготовление партии НЦ, однородной по характери­ стикам во всем объеме, без усреднения невозможно.

По контрасту с данным производством очень выгодно смотрится производство нитрата глицерина, рассмотренное в предыдущей главе. Использование только одного физическо­ го приема — центробежной силы при разделении кислотной

99

о

о

Рис. 41. Непрерывный процесс изготовления НЦ с сокращенным технологическим циклом

смеси от нитропродукта — позволило за счет увеличения фак­ тора разделения в 3000 — 4000 раз сократить технологический цикл и загрузку зданий взрывоопасным продуктом в десятки и сотни раз.

Конечно, гетерогенный процесс нитрования аморфно-кри­ сталлического капиллярно-пористого полимера с высокой энергией межмакромолекулярного взаимодействия, связанный с неоднократным движением нитрующих и стабилизирующих растворов по капиллярам и в межкапиллярном объеме поли­ мера, несоизмеримо сложнее и длительнее аналогичного по химизму процесса этерификации глицерина.

Тем не менее, применение физических методов ускорения процессов могло бы существенно сократить технологический цикл и превратить условно непрерывный процесс в непрерыв­ ный на всех фазах производства.

На рис. 41 предложен один из возможных вариантов не­ прерывного процесса с ускорением операции этерификации УЗ и СВЧ-генераторами, отделения кислот и стабилизации — принудительным отжимом и вакуумированием в шнековых прессах типа СПА-300 (с ускорением операции диффузии УЗ и СВЧ-генераторами).

Реализация такого процесса в производстве позволит не только сократить технологический цикл до нескольких часов, но и за счет воздействия на структуру полимера гидродинами­ ческих, кавитационных режимов и СВЧ-излучения в значи­ тельной мере нивелировать ее неоднообразие и исключить не­ обходимость формирования многотоннажных общих партий.

101

Преимущества данного метода с точки зрения безопасно­ сти очевидны.

В СССР, начиная с 30-х годов прошлого века, изготовле­ ние баллиститных порохов производилось по периодической схеме. Пороховая масса готовилась в варочном котле (мета­ тель Броунса) путем последовательного ввода всех компонен­ тов и смешения в водной среде при температуре 45...50°С (рис. 43).

Нитрат глицерина готовился по способу Натана и после проверки химической стойкости самотеком подавался сначала в общий, затем в локальный распределитель, откуда расходо­ вался по мере надобности в мастерскую «варки».

Подготовка и дозировка остальных компонентов пороховой массы производилась кустарным способом, что не обеспечива­ ло постоянства химического состава.

Коллоксилин через сито вручную протирался в большой ларь, в котором путем перелопачивания усреднялась его влаж­ ность, и готовилась усредненная партия сырья. После опреде­ ления влажности коллоксилин на сухой вес дозировался в ме­ татель. Остальные компоненты также вручную развешивались на обычных весах.

При таком способе производства длительность собственно операции «варки» (смешивания под водой около 250 кг мас­ сы) с отжимом продолжалась около трех часов.

Рис. 43. Периодическая схема изготовления пороховой массы в водной среде:

1 — общий распределитель; 2 — локальный распределитель; 3 — сито; 4 — ларь; 5 — мешатель; 6 — отжимная центрифуга; 7 — разрыхлитель­ ное (протирочное) устройство

1 0 3

Режим «варки» на примере порохов НФ и НФ-2 был сле­ дующим:

—загрузка в котел — 265 кг массы;

—модуль (вода: масса) — 7,5;

—число оборотов мешалок в котлах Броунса — 180/90 об/мин;

—температура варки — 45...50°С;

—загрузка коллоксилина вручную — 5 мин;

—перемешивание массы — 5 мин;

—инжектирование ДБФ — 15 мин;

—перемешивание — 10 мин;

—заливка НГЦ самотеком — 30 мин;

—перемешивание — 10 мин;

—инжектирование вазелина — 5 мин;

—перемешивание — 5 мин;

—охлаждение до 25°С — 60 мин;

—выгрузка массы в центрифугу — 30 мин;

Итого длительность одного цикла — 175 мин. «Сваренная» и протертая пороховая масса для усреднения

химического состава перелопачивалась в специальных ларях, вмещающих одну смесь массой около 4 тонн. Затем пороховая масса подвергалась химическому анализу, который проводился в течение 8... 10 часов. В случае получения неудовлетворитель­ ных результатов смесь подвергалась вторичному перелопачива­ нию и повторному анализу. При повторном неудовлетвори­ тельном анализе смесь поступала на исправление.

Операция переработки (рис. 44) осуществлялась путем многократного вальцевания массы на горизонтальных вальцах (около 25...30 прокаток в течение 50...60 мин), затем калиб­ рующего вальцевания на вертикальных вальцах и последующе­ го прессования на гидравлических прессах.

Вся работа производилась вручную, в условиях высокой пожароопасности и токсичности (в рабочей зоне Снгц — до 100 мг/м3 при ПДК = 0,02 мг/м3).

Особенно тяжелые условия труда были при вальцевании на горизонтальных вальцах — последовательные загрузки массы сверху и прием полотна снизу с горячего стола и повторение этих операций до 30 на одну вальцовку (~ 20 кг).

Вышеописанный технологический процесс смешения ком­ понентов пороховой массы в воде с последующим ее отжимом на центрифуге и усреднением путем перелопачивания в ларе, решивший вопрос безопасности нобелевского метода, обладал

104

рядом существенных недостатков, среди которых наиболее важными были следующие:

—недостаточное однообразие пороховой массы по хими­ ческому составу вследствие неточного дозирования и неудов­ летворительного метода перемешивания (перелопачиванием);

—недостаточная глубина пластификации («созревания») вследствие грубого диспергирования компонентов в водной среде, неинтенсивного перемешивания и малого времени со­ зревания массы (в суспензии или в отжатом виде);

—длительность технологических операций, высокие тру­ дозатраты при практически отсутствии механизации.

В СССР в 30—40-х годы большой группой исследователей во главе с А. С. Бакаевым были проведены фундаментальные исследования процессов, протекающих при варке пороховой массы — диспергирования, смешения, смачивания, капилляр­ ной пропитке и т. д., — позволившие модернизировать произ­ водство сначала в периодическом, полунепрерывном, а затем и в непрерывном вариантах [17, 39, 40].

На основе теории смачивания Ребиндера [38] были иссле­ дованы поверхностные явления на границе НЦ — жидкость — жидкость и определены закономерности пропитывания кол­ локсилина водой, нитроглицерином, диэтиленгликольдинитратом, вазелиновым маслом, дибутилфталатом и др.

Установлено, что наибольшей скоростью пропитывания об­ ладают вазелиновое масло, ДБФ, НГЦ и ДЭГДН. Скорость пропитывания водой значительно меньше.

3.2Непрерывная технология «варки»

3.2.1Физико-химические процессы пластификации при «варке»

пороховой массы

Недостатки технологического процесса, представленного выше на рис. 43, приводящие к неоднообразию химического состава продукции и громадным затратам ручного труда, дик­ товали необходимость усовершенствования технологии и, пре­ жде всего, в направлении исследования механизма взаимодей­ ствия всех компонентов в водной среде, а также механизации ручных операций.

Работами ОБ-59 [39] в 39—40 гг. было установлено, что причинами макронеоднородности пороховой массы (разброс химического состава по объему массы) является плохое пере-

106