Для оценки вероятности завершения первой операции (ка пиллярной пропитки) до момента «заплывания» капилляров необходимо определить скорости диффузии и движения пла стификатора в капиллярах.
В общем случае скорость движения жидкости в одиночном
капилляре определяется уравнением [50, 51]: |
|
||
9 К |
4цШ’ |
|
(3.11) |
|
|
|
|
где г — радиус капилляра; ц — вязкость жидкости |
(НГЦ); |
||
R — радиус кривизны мениска; а — поверхностное натяже |
|||
ние; / — толщина пропитанного слоя. |
|
|
|
Подставляя значения параметров для |
НГЦ: т| = |
0,36 П, |
|
«г = 36,5 дин/см и принимая для НЦ: г = |
10-5 см, / = |
10-5 см, |
|
получаем массовую скорость капиллярного движения НГЦ че рез единицу поверхности НЦ: 9 К= 40 кг/с м2.
Скорость диффузии определим по уравнению [52]:
DSB(q —С2)
ç. |
J |
(3.12) |
где D — коэффициент диффузии; |
Sd — |
площадь диффузии; |
8 — толщина диффузионного слоя; (С, —С2) — разность кон центраций диффундирующего вещества.
Приняв значения параметров из работы [53]: DHm = 10-10 см2/с; Sà — 1см2; 8 = 10-5 см; (С/ - С2) = 1,6 г/см3, получаем скорость диффузии НГЦ через единицу площади: 9а = 16-10-5 кг/с-м2.
Вышеприведенный, весьма упрощенный расчет, не учиты вающий сложную структуру капиллярной пористой системы НЦ, многообразия размеров, шероховатости, влияния темпера туры, дает представление о несопоставимости скоростей ка пиллярной пропитки и диффузии, причем: 9 * превосходит 9 д на несколько порядков.
Исследования, в том числе в производственных условиях, показали, что технологические режимы, установленные регла ментами, с точки зрения обеспечения полной капиллярной пропитки и диффузии, т. е. в конечном итоге достижения максимальной однородности пороховой массы, неоптимальны.
На основании этих исследований была предложена коррек тировка технологического процесса, которая будет представле-
1 1 5
на ниже при описании современной технологии изготовления пороховой массы.
3.2.2 Основные этапы развития технологии производства пороховой массы
Первый этап развития баллиститных порохов характеризо вался особенностями, связанными с их становлением: изготов лением простых по химическому составу композиций порохов и периодической, по сути дела, примитивной технологией их производства. Основная задача технологического плана, ре шаемая на этом этапе, — пластификация нитратов целлюлозы малоактивным нитратом глицерина — заключалась в поиске конструктивных решений по следующим направлениям:
—безопасного способа смешения НГЦ с НЦ;
—обеспечения однообразия свойств получаемой порохо вой массы по химическому составу;
—определения оптимальных температурно-временных па раметров совмещения нитратов целлюлозы с пластификатора ми.
Безопасный способ смешения НГЦ с НЦ был найден практически сразу после изобретения баллиститного пороха А. Нобелем — способ Нобеля был совершенно неприемлем по соображениям безопасности. Крайняя необходимость обезопа сить производство баллиститной пороховой массы способство вала изобретению в Англии Лундгольмом и Сайерсом способа смешения пороховой массы под водой, запатентованного ими в 1889 году. Данный способ получил повсеместное распростра нение, в том числе в России, а затем в СССР.
Что касается однообразия распределения компонентов при их смешении в воде, то решение этой, казалось бы, простой задачи растянулось на многие десятилетия. При вводе пласти фикаторов в «варочный котел» струей, причем раздельно, неоднообразие по химическому составу в массе («жучки», в виде налипшей на капли пластификатора НЦ) было настолько ве лико, что в пределах одного мешателя разница по содержанию коллоксилина достигала 12%, а по теплоте горения — 25... 100 ккал/кг.
Для снижения такого неоднообразия по химическому со ставу были введены операция многократного перелопачивания массы в ларях и мешка готового пороха. Таким образом, отно сительно приемлемое однообразие достигалось не организаци ей механизированного технологического процесса, а трудоем116
кими ручными операциями перелопачивания массы и мешки готового пороха.
В 30—40-х гг. А. С. Бакаевым с сотрудниками в ОБ-59 был предложен способ ввода пластификаторов не раздельно, а в виде заранее приготовленного раствора. Смешение массы ста ли осуществлять не в ларе ручным перемешиванием, а в вод ной среде в больших по объему (до 120 м3) смесителях общих партий.
Завершением этого этапа технологии, реализованной на за водах в виде периодического или полунепрерывного способов, была разработка способа ввода растворителей не инжектирова нием в виде струи, а в виде заранее приготовленной в специ альном аппарате (АПР) водной эмульсии растворителей (пла стификаторов) На рис. 48 показана принципиальная техноло гическая схема периодического (полунепрерывного) способа изготовления пороховых баллиститных масс.
Организация технологического процесса в данном варианте базируется на следующих основных принципах, которые были установлены как результат многолетних исследований:
—смешение всех пластификаторов в аппарате АПР, вклю чая предварительно расплавленный ДНТ, приготовление эмульсии и инжектирование дозируемого количества в «вароч ный котел»;
—использование поверхностно-активных веществ для улучшения смачивания НЦ пластификаторами, химической за щиты порошкообразных компонентов (сульфорицинат Е, стеа
риновая кислота и ее |
соли и т. д.); |
— приготовление |
коллоксилино-водной взвеси (КВВ) |
с определенной концентрацией с последующим объемным до зированием необходимого количества в «варочный котел»;
— усреднение пороховой массы после «варочного котла»
впромежуточном смесителе с последующим длительным пере мешиванием в смесителе общих партий, обеспечивающем «со зревание» пороховой массы и повышение ее однообразия по химическому составу.
Данная технологическая схема нашла широкое применение
впромышленности и длительное время не изменялась.
Для повышения производительности периодическая схема, имеющая один «варочный котел», была модернизирована в так называемую полунепрерывную схему, в которой вместо одного «варочного котла» устанавливались четыре, работаю щих последовательно и обеспечивающих непрерывную подачу
117
Централin
НГЦ
Рис. 48. Принципиальная технологическая схема изготовления пороховой массы:
1 — аппарат точной концентрации коллоксилина; 2 — дозирующее устройство; 3 — аппарат приготовления раство рителей; 4 — «варочный» котел; 5 — промежуточный смеситель; 6 — смеситель общих партий
предварительно смешанной массы в промежуточный смеситель и далее в смеситель общих партий.
Производительность «варки» в полунепрерывном варианте повышалась до 3...4 т/час.
Высокая трудоемкость данного производства на операциях подготовки компонентов и их дозирования путем взвешивания или объемным методом, осуществляемых вручную, требовала механизации этих операций и, прежде всего, создания автома тических дозаторов.
В 40—50-х гг. разрабатываются автоматизированные дози рующие устройства, позволившие реализовать в промышлен ности непрерывное производство пороховой массы. Основной конструктивной особенностью этого производства было объ емно-импульсное дозирование жидко-вязких компонентов, ве совое дозирование сыпучих компонентов и непрерывное сме шение всех компонентов массы в двух мешателях («варочных котлах»), установленных каскадно. Принципиальная техноло гическая схема производства приведена на' рис. 49.
Краткое описание первого варианта непрерывного производ ства пороховой массы
Непрерывное смешение всех компонентов, входящих в со став пороховой массы, осуществляется в двух мешателях, рас положенных последовательно (поз. 4, 5). В первый мешатель вводится КВВ, вазелиновое масло и стеарат цинка. КВВ по ступает из производства НЦ, где она предварительно изготав ливается и перемешивается в ажитаторах в виде водной взвеси
сконцентрацией 7... 10%.
Важитаторе точной концентрации (поз. I) КВВ доводится до нужной концентрации и подается массонасосом 2 в объем но-импульсный дозатор 3, имеющий две камеры: верхнюю (произвольного объема) и нижнюю (мерного объема).
Индустриальное (вазелиновое) масло из бака 8 через доза тор 10 поступает в эмульгатор 6, где смешивается с расплавом стеарата цинка и по переливной обогреваемой линии самоте ком поступает к воздушному инжектору, которым подается в первый мешатель.
Порошкообразные компоненты — катализаторы и стабили заторы горения (РЬС03, ТЮ2, Со20 3, С, Sal Pb и др.) в зави симости от состава топлив в необходимом количестве совме стно с сульфорицинатом загружаются в суспензатор периоди ческого действия, из которого в дозируемом количестве подаются в первый мешатель.
119
Рис. 49. Первый вариант непрерывной технологической схемы производства пороховой массы
1 — ажитатор точной концентрации КВВ; 2 — насос центробежный; 3 — импульсный дозер коллоксилина; 4 — 1-й
варочный котел; 5 — 2-й варочный котел; 6 — эмульгатор; 7 — суспензатор; 8 — бак напорный; 9 — насос шесте ренчатый; 10 — импульсный дозер вазелинового масла; 11 — дозер стеарата цинка; 12 — дозер весовой твердых до бавок; 13 — аппарат для пассивации Al+Mg; 14 — аппарат для гидрофобизации Al+Mg; 15 — ванна для плавки ДНТ; 16 — расходный бак; 17 — импульсный дозер; 18 — бачок-смеситель; 19 — сепаратор; 20 — объемно-импульс ный дозатор НГЦ; 21 — аппарат АПР-1700; 22 — инжектор; 23 — смеситель промежуточный; 24 — смеситель об
щих партий; 25 — весовой дозер централита
Алюминиево-магниевйй сплав при изготовлении металло содержащих Топлив, подвергшийся предварительно пассивации бихроматом калия и гидрофобизацйи стеариновокислым на трием, вводится в первый же метатель в виде суспензии в растворе хромовокислого калия (КСг04) с сульфорицинатом из двух поочередно работающих суспензаторов.
При введении в составы, содержащие окись магния, по следняя подвергается гидратации, после чего отдозированное количество Mg(OH)2 поступает в гидрофобизаторы непрерыв ного действия, куда подаются в отдозированном количестве стеарат цинка, ДБФ и часть ДНТ. Mg(OH)2 в среде ДНТ и ДБФ воздушным инжектором подается во второй мешатель.
Расплавленный в ванне 14 ДНТ через расходный бак 16 и объемно-импульсный дозер поступает в бачок — смеситель, куда также дозируется централит, дифениламин, сульфорицинат.
Содержимое бачка — смесителя непрерывно самотеком по обогреваемому трубопроводу поступает в АПР-1700 для приго товления смеси растворителей (пластификаторов). Сюда же подается отдозированное количество нитроэфиров. Смесь рас творителей из АПР-1700 по переливной линии поступает к водяному инжектору, которым подается во второй мешатель.
Полученная во втором мешателе («варочном котле») поро ховая масса самотеком поступает в промежуточный смеситель, откуда периодически или непрерывно массонасосом перекачи вается в смеситель общих партий, где производится формиро вание пороховой (топливной) смеси.
Пороховой смесью считается количество пороховой массы одного состава, сформированное в одном или двух смесителях.
3.2.3. Характеристика основного технологического оборудования
Приемный ажитатор КВВ — стальной аппарат цилиндри ческой формы (емкость 60 м3) с тремя механическими мешал ками: внизу — турбинные, в середине вала — трехлопастной пропеллерный винт.
Частота вращения — 180 об/мин. Внутри емкости на рас стоянии 1,5 м от крышки в боковой стенке закреплена си фон-труба, меняющая положение от вертикального до гори зонтального. По сифон-трубе отстоявшаяся вода сливается в промежуточный ажитатор (для увеличения концентрации КВВ).
121
Ажитатор точной концентрации — цилиндрический аппа рат с коническим дном (емкость 20 м3) с тремя мешалками, имеющими в середине пропеллерные винты и в нижней части турбинки открытого типа. Частота вращения — 280 об/мин. По боковой поверхности имеется рубашка для обогрева. В крышке имеется четыре отверстия (для залива водой, для залива КВВ из переливного устройства и из здания нитрации целлюлозы).
Объемно-импульсный дозатор предназначен для дозирования жидких компонентов: КВВ, ДНТ, вазелинового масла. ДБФ и др. Состоит из двух сосудов — верхнего (произвольного объема) и нижнего (мерного). Сосуды между собой крепятся фланцевым соединением. Нижний (мерный) сосуд сверху и снизу имеет клапана, жестко связанные со штоком. Сжатая пружина, связанная со штоком, удерживает клапана в закры том положении.
Шток связан с пневмоцилиндром, в котором поршень под действием сжатого воздуха совершает возвратно-поступатель ное движение, закрывая и открывая клапана.
В крайнем верхнем положении поршня нижний клапан плотно закрыт, а верхний открыт. Производится заполнение мерного сосуда жидкостью. При движении поршня вниз за крывается верхний клапан, открывается нижний клапан и со держимое мерного сосуда спускается в воронку и далее само теком в мешатель. Время заполнения и слива сосуда составля ет полное время цикла, которое устанавливается на программном регуляторе с учетом производительности мешателей.
Объемно-импульсный дозатор мембранного типа предназна чен для дозирования нитроэфиров. Состоит из двух одинако вых половин, работающих поочередно от одного программно го регулятора с целью обеспечения непрерывной подачи дози руемого нитроэфира.
Дозатор изготовлен из нержавеющей стали и состоит из корпуса, мембранных пневматических клапанов наполнения и слива одинаковой конструкции, воздушной и импульсной трубок контролирующего устройства. В каждом клапане (на полнения и слива) имеются две резиновые мембраны, между которыми крышкой зажимается специальное кольцо с отвер стиями. Крышка имеет штуцер для подачи воздуха на клапан. Крышка с воздушной и импульсной трубками контролирую щего устройства смонтирована сверху корпуса дозатора.
122