Результат интеллектуальной деятельности: Способ оценки качества измельчения нитратов целлюлозы

Изобретение относится к области производства нитратов целлюлозы (НЦ), в частности оценки качества измельчения различных марок НЦ в промышленных условиях.

В производстве НЦ, предназначенных в первую очередь для изготовления пироксилиновых и других видов порохов, имеет большое значение осуществление качественного измельчения нитратов целлюлозы -пироксилинов №1 и №2 и некоторых других марок.

Требуемое качество измельчения НЦ непосредственно связано как с необходимостью обеспечения полноты удаления из капилляров и пор волокон остатков отработанных кислот (HNO₃ и H₂SO₄), так и последующей переработкой нитратов целлюлозы в пороха.

При этом оптимальные параметры (длина и ширина волокон, степень фибрилляции, соответствующий фракционный состав и др.) измельченных НЦ также влияют на технологические (реологические) свойства пороховой массы и на конечные характеристики готовой продукции.

Известны различные способы и методы оценки качества промышленного измельчения как волокнистых материалов типа целлюлозы (древесной и хлопковой), так и нитратов целлюлозы, в особенности идущих на изготовление порохов [1, 2].

Использование термина «степень измельчения» в литературе [2] является не совсем корректным. Степень измельчения - это характеристика, оценивающая изменение длины волокна в процессе измельчения. Поэтому для оценки процесса измельчения НЦ правильнее применять термин «качество измельчения».

Наиболее распространенным методом оценки размола массы целлюлозы в целлюлозно-бумажной промышленности является метод с использованием прибора СР-2 или СР-3 (Шоппера-Риглера) [1, стр. 79-82; 2, стр. 353-354], позволяющий оценить степень помола по изменению фильтрационных свойств массы и определяемая в условных градусах Шоппера-Риглера (°ШР). Этот прибор совсем не подходит для использования при промышленном измельчении нитратов целлюлозы, предназначенном для изготовления пироксилиновых порохов.

В литературе [1, стр. 78-79] описывается метод оценки качества помола целлюлозных волокон с использованием прибора СДВ (прибора Иванова С.Н.), который позволяет определить среднюю длину волокна и степень помола целлюлозы по массе осевших на рабочую рамку волокон при пропускании через нее водной суспензии. Данный метод также является косвенным определением и недостаточно точным и применяется только в целлюлозно-бумажной промышленности.

Практическое применение в промышленности имеет другой метод [2, стр. 351-352] оценки качества измельчения нитратов целлюлозы, известный как ситовый, который основывается на принципе мокрого просеивания измельченной пробы НЦ через сита определенных размеров и последующей оценке качества измельченного продукта по остаткам на сите (в %). Определение степени измельчения осуществляют на специальном аппарате с использованием проволочных сеток №016 и №063 по ГОСТ 6613-86 и ГОСТ 3584-73. При этом остаток на сите №063 для пироксилина №1 допускается не более 0,09% и пироксилина №2 - не более 0,2%, на сите №016 - соответственно не более 7,0% и 9,0%. Этот метод также несовершенен, так как, результаты измерения зависят не только от степени, но и от характера измельчения: он не учитывает форму частиц волокна и его удельную поверхность. Поэтому этот метод преимущественно используется при измельчении пироксилина №1 (изготавливаемого из древесной целлюлозы например, марка ЦА) на таких мельницах (с ножевыми системами) как ДМК, РК-01, МД-02-2 и др.

Известный метод [3, стр. 292] используется и за рубежом (Польша) при оценке степени измельчения нитратов целлюлозы, в частности при их измельчении в голландерах и на мельницах Рочинского. В соответствии с этим методом предварительно в стеклянном измерительном цилиндре объемом 250 мл готовят из 10 г навески измельченных НЦ водную суспензию, которую после перемешивания оставляют осаждаться в течение 60 минут. Измельчение нитратов целлюлозы считается завершенным, если образец имеет в результате седиментации объем выпавшего осадка в пределах от 80 до 100 см³ или ниже этих значений. Утверждается, что эти значения объема осадка соответствуют длине измельченного волокна в интервале от 0,2 до 0,5 мм.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является вышеприведенный отечественный способ определения степени измельчения НЦ объемным методом [2, стр. 350-351], базирующийся на принципе седиментации и характеризующий косвенно степень измельчения частиц волокна по скорости их осаждения в воде. При этом степень измельчения волокна НЦ определяется объемом осадка, осевшего в течение 60 минут в мерном цилиндре. Данный метод включает приготовление из навески измельченного продукта в измерительном цилиндре водной суспензии, перемешивание ее путем взбалтывания содержимого цилиндра, седиментационное осаждение суспензии до постоянного уровня и последующее измерение в цилиндре занимаемого осажденными волокнами нитратов целлюлозы объема (в мл). На практике метод осуществляется следующим образом:

Берут навеску измельченных нитратов целлюлозы в количестве 10 г, взвешенных с погрешностью 0,01 г и влажностью не более 1%, и взмучивают ее в 250 мл дистиллированной воды, находящейся в стеклянном измерительном цилиндре вместимостью 250 мл (по ГОСТ 1770-74). Затем полученную суспензию оставляют в течение 60 минут в покое и после чего замеряют объем осевших нитратов целлюлозы.

Одновременно производят два параллельных определения, по результатам которых вычисляют среднее арифметическое значение объема, округляемого до 1 мл. Расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 2 мл. Анализы считаются удовлетворительными, если значение объема выпавшего осадка для пироксилинов №1 и №2 соответственно не превышают 80 и 90 мл.

Вышеописанный метод имеет ряд существенных недостатков, а именно:

1) метод является несовершенным, так как для точного определения необходима точная навеска, а здесь используются образцы с влажностью 1% (но она может превышать это значение, так как трудно и опасно достичь такую низкую влажность) и потому результаты двух параллельных определений иногда отличаются на 3-4 мл и более;

2) смешение пробы в цилиндре осуществляют вручную простым взбалтыванием, что снижает надежность и воспроизводимость данных анализов;

3) продолжительное время осуществления анализа (60 минут);

4) результаты измерения объема осадка зависят не только от степени, но и от характера измельчения исходных нитратов целлюлозы (на различных мельницах), от типа используемого целлюлозного сырья (древесной или хлопковой целлюлозы);

5) седиментационный метод при этом дает несколько искаженные результаты, в особенности при определении степени измельчения пироксилина №1, получаемого из древесной целлюлозы марки ЦА. Поэтому этот метод в основном применяется при измельчении в голландерах пироксилина №2, изготавливаемого из хлопковой целлюлозы марки ХЦ.

Данный метод не универсальный и преимущественно применяется в производствах пироксилина №2, изготавливаемого из хлопковой целлюлозы марки ХЦ.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно создание более совершенного, надежного и универсального способа оценки качества измельчения промышленно выпускаемых нитратов целлюлозы (пироксилинов №1 и №2), изготавливаемых как из древесной, так и хлопковой целлюлозы и с возможностью его применения в условиях цеховой лаборатории.

Способ оценки качества измельчения нитратов целлюлозы, включающий приготовление из навески измельченного продукта в измерительном цилиндре водной суспензии, перемешивание ее путем взбалтывания, седиментационное осаждение суспензии до постоянного уровня и последующее измерение в цилиндре объема, занимаемого осажденными волокнами нитратов целлюлозы.

Для приготовления водной суспензии нитратов целлюлозы используют стеклянный измерительный цилиндр объемом 50 мл и применяют навеску измельченных и частично отжатых нитратов целлюлозы с водной влажностью от 35 до 45 мас. % и массой 5 г, причем анализ влажности образцов исходного измельченного продукта осуществляют также одновременно и параллельно анализу оценки качества измельчения, а массу измельченных нитратов целлюлозы, предназначенную для взятия навесок, предварительно отжимают в лабораторной центрифуге или иным способом (например, вручную) до водной влажности от 35 до 45 мас. %.

Определение величины плотности осадка нитратов целлюлозы производят одновременно на двух измерительных цилиндрах, а само вибрационное воздействие на осаждение частиц в цилиндрах осуществляют на вибрационной установке (Фиг. ), состоящей из обечайки 1, верхней вибрационной платформы 2 с вертикально закрепленными измерительными цилиндрами 3 объемом по 50 мл, нижней плиты 4 с пружинной опорой 5, электролобзика 6 с вибратором 7 мощностью 400 -600 Вт находящегося на нижней плите и питающегося от электросети (напряжением 220 В и частотой от 50 до 60 Гц), и двух шпилек 8, соединяющих верхнюю плиту с траверсой 9 для плотной фиксации цилиндров. Причем для регулирования степени воздействия вибрационных колебаний на осаждение суспензии в измерительных цилиндрах предусмотрена возможность частичного перемещения по высоте верхней платформы с цилиндрами и фиксации ее на соответствующем рабочем уровне.

Непосредственную оценку качества измельчения НЦ производят по значениям плотности осадка, рассчитываемой по формуле:

где m - масса НЦ из навески (после вычета содержащейся в ней массы воды), г, V - объем осадка из опыта, мл и ρ_ос - расчетная плотность осадка при виброседиментационном осаждении суспензии, г/мл.

При этом рассчитанные значения плотности осадка для пироксилина №1, изготовленного из древесной целлюлозы марки ЦА с измельчением на мельницах ДМК и МД-02-2 и пироксилина №2, полученного из хлопковой целлюлозы марки ХЦ с измельчением на мельницах ДМК, МД-02-2 и голландере соответственно составляют от 0,23 до 0,28 г/мл и от 0,25 до 0,30 г/мл или не менее этих значений.

Основными отличительными признаками заявленного изобретения являются:

1) дополнительное воздействие на седиментационное осаждение суспензии измельченных НЦ с помощью вибрационных колебаний в диапазоне частот от 5,0 до 30,0 сек^-1;

2) вибрационное воздействие на осаждение частиц в цилиндрах осуществляют на специальной вибрационной установке, на которой для регулирования степени воздействия вибрационных колебаний предусмотрена также возможность вертикального перемещения верхней вибрационной платформы с образцами вверх и фиксации ее на соответствующей рабочей высоте;

3) для виброседиментационного осаждения частиц нитратов целлюлозы используют два измерительных цилиндра объемом по 50 мл;

4) для приготовления водной суспензии в цилиндрах берут по 5 г навески нитратов целлюлозы (по прототипу 10 г), которые предварительно отжимаются на лабораторной центрифуге или иным способом до узкого интервала значений водной влажности (от 35 до 45 мас. %);

5) дополнительное смешение навески НЦ происходит в цилиндре, кроме ручного взбалтывания (по прототипу) осуществляется также и в процессе вибрационного воздействия на суспензию;

6) продолжительность виброседиментационного осаждения частиц НЦ более короткая и составляет всего 40 минут вместо 60 минут по прототипу;

7) определение водной влажности предварительно отжатого (до интервала влажности от 35 до 45 мас. %) исходного измельченного продукта осуществляют в лабораторных условиях одновременно и параллельно проведению основного анализа оценки качества измельчения. По прототипу - предварительно снижают сушкой влажность образцов измельченного продукта до уровня 1 мас. % и потом только используют для взятия навесок НЦ и приготовления водной суспензии;

8) оценка качества измельчения продукта производится по значениям плотности осадка (по прототипу - только по замеренным значениям объема осадка), рассчитываемым на основе полученных результатов анализа. Причем непосредственную сравнительную оценку качества измельчения нитратов целлюлозы в промышленных условиях осуществляют (с учетом марки продукта, типа исходного целлюлозного сырья и вида применяемого измельчительного оборудования) по полученным значениям плотности осадка, которые для измельченных пироксилинов №1 и №2 составляют от 0,23 до 0,28 г/мл и от 0,25 до 0,30 г/мл соответственно.

Вышеизложенные существенные отличительные признаки данного изобретения в совокупности обеспечивают получение положительного технического результата.

В соответствии с данным изобретением способ оценки качества измельчения нитратов целлюлозы в промышленных условиях осуществляется следующим образом.

После завершения процесса измельчения НЦ на измельчительном аппарате отбирается соответствующее количество измельченной массы продукта для последующего проведения анализов. Взятую исходную массу НЦ для доведения ее водной влажности до уровня от 35 до 45 мас. %, отжимают на лабораторной центрифуге или иным способом (например, отжимают массу вручную). Затем из отжатой исходной массы НЦ отбирают два образца по 5 г, взвешенных на весах с точностью 0,01 г, а также берутся соответствующие образцы на лабораторное определение водной влажности. Причем с целью последующего уточненного расчета плотности осадка НЦ в цилиндрах анализ влажности образцов исходного измельченного продукта производят одновременно и параллельно анализу качества измельчения. Далее берут два стеклянных измерительных цилиндра объемом по 50 мл и в каждом из них образец НЦ (по 5 г) взмучивают с порцией дистиллированной воды, доведя уровень полученной суспензии до отметки 50 мл, и затем устанавливают их на верхней платформе 2 вибрационной установки (Фиг.). После фиксации измерительных цилиндров 3 включают вибрационную установку. При этом на суспензию НЦ в цилиндрах осуществляется непрерывное воздействие вибрационными колебаниями соответствующей частоты, а регулирование этого параметра производится регулятором вибрации 7 электролобзика и, при необходимости, дополнительно путем вертикального перемещения платформы с цилиндрами вверх и фиксации ее на соответствующей высоте. В процессе работы вибрационной установки наблюдается также дополнительное перемешивание суспензии и осаждение ее в виде плотного осадка на дно цилиндра, причем объем осадка фиксируется после 30, 35, 40 и 45 минут воздействия вибрации и при достижении постоянного уровня объема осадка (в мл) установка отключается.

Затем по полученным результатам двух параллельных определений вычисляют среднеарифметическое значение объема осадка, округляемого до 1 мл. При этом расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 2 мл. Далее рассчитывается плотность осадка (в г/мл) по вышеприведенной формуле.

В таблице приведены примеры осуществления способа оценки качества измельчения нитратов целлюлозы в промышленных условиях.

Из приведенных примеров следует, что процесс вибрационного воздействия на осаждение с частотой колебаний от 5 до 15 сек^-1 (используются отечественные электролобзики с вибратором мощностью 400 и 500 Вт) применительно к образцам 01-1÷02-21 осуществляется нормально, причем, в интервале частот колебаний от 1 до 4 сек^-1 процесс виброседиментации наблюдается весьма слабо, поэтому при этих частотах опыты не проводились, а в другой серии опытов (образцы 01-22÷02-36) используется более мощный электролобзик с мощностью 600 Вт, причем, при включении вибрации (с частотой колебаний 20 сек^-1) в первых же опытах (образцы 01-22 и 01-23) происходит сильное вспенивание суспензии. Далее, чтобы уменьшить степень воздействия вибрации платформу с образцами подняли вверх, на высоту 80 мм (от нулевого положения) и затем все последующие опыты с образцами 01-24÷02-36 производились при поднятой вибрационной платформе.

Примечание. В опытах 01-24÷02-36 с целью уменьшения воздействия вибрации на образцы верхняя вибрационная платформа поднята вверх (от нулевого положения) на Н 80 мм (до высоты 0A, Фиг.).

При этом необходимо отметить, что данные по плотности осадка НЦ, рассчитанные на основе фиксированных в опытах величин объема осадка, лежат в очень узком интервале значений. В частности для пироксилина №1 (с содержанием азота от 209,4 до 215,5 мл NO/г), изготовленного из древесной целлюлозы и измельченного на мельницах ДМК, МД-02-2, значения плотности осадка (при вибрационном воздействии) лежат в интервале от 0,23 до 0,28 г/мл, а для пироксилина №2 (с азотом от 195,0 до 199,0 мл NO/г), полученного из хлопковой целлюлозы и с измельчением на мельницах ДМК, МД-02-2 и голландере, значения плотности осадка находятся в интервале от 0,25 до 0,30 г/мл.

Следует также подчеркнуть, что качество измельчения пироксилина №1 и №2, приведенных в таблице, соответствовало требуемым нормам и все они далее перерабатывались по штатным технологиям.

Представленные в таблице результаты свидетельствуют о явном преимуществе предлагаемого способа оценки качества измельчения НЦ в сравнении прототипом.

Таким образом, предлагаемый способ оценки качества измельчения нитратов целлюлозы по сравнению с прототипом имеет следующие основные преимущества:

1) в результате разработанного изобретения создан более совершенный и универсальный способ оценки качества измельчения промышленно выпускаемых нитратов целлюлозы - как пироксилина №1, так и пироксилина №2, являющихся основными компонентами при изготовлении пироксилиновых порохов;

2) способ в практической реализации за счет вибрационного воздействия обеспечивает дополнительное перемешивание взвеси нитратов целлюлозы и эффективное ее осаждение с образованием плотного осадка в цилиндрах;

3) при этом имеет место значительное сокращение времени осаждения нитратов целлюлозы в цилиндрах (40 минут вместо 60 минут по прототипу);

4) в способе обеспечивается возможность точного определения массы взятой навески за счет параллельного проведения анализа влажности исходной измельченной массы НЦ, что позволяет ускорить расчеты плотности осадка образцов и соответственно произвести быструю и достоверную оценку качества измельчения нитратов целлюлозы в производстве;

5) также качество и надежность производимых анализов обеспечивается использованием в опытах специальной (лабораторной) вибрационной установки;

6) в то же время проведение предварительного отжима образцов на лабораторной центрифуге с доведением их водной влажности до узкого интервала (в пределах от 35 до 45 мас. %), а также дополнительное воздействие на осаждение суспензии в комплексе обеспечивают получение более однородных результатов по плотности осадка, например, для пироксилина №1 - в пределах от 0,23 до 0,28 г/мл и для пироксилина №2 -от 0,25 до 0,30 г/мл.

Литература

1 Залесская Н.П., Сакалова М.В. Производство асбестовых бумаг, картона, фильтрующих материалов: Учеб. пособие для рабочего образования. - М.: Химия, 1989. - 104 с.

2 Гиндич В.И., Забелин Л.В., Марченко Г.Н. Производство нитратов целлюлоз. Технология и оборудование. ЦНИИНТИ и ТЭИ, 1984. - 355 с.

3 Urbanski Т. Chemie und Technologie der Explosivstoffe, Band II. Leipzig, 1963, 368 S. (на немецком языке: Т. Урбански. Химия и технология взрывчатых веществ, том II, Лейпциг, 1963, 368 с).