Способ измельчения нитратов целлюлозы

Изобретение относится к области производства нитратов целлюлозы (НЦ) с содержанием азота 209,0 мл NO/г и более, в частности изготовления пироксилина №1 из древесной волокнистой целлюлозы марки ЦА и хлопкового сырья марки ХЦ в промышленных условиях.

Как известно, пироксилиновые пороха изготавливаются из пироксилинов №1 и №2, взятых в определенном соотношении, причем, пироксилин №1 с содержанием азота 209,0-217,0 мл NO/г преимущественно изготавливается из древесной (волокнистой) целлюлозы марки ЦА, а пироксилин №2 с содержанием азота 193,7-199,3 мл NO/г - из хлопковой целлюлозы марки ХЦ нитрацией их серноазотной кислотной смесью [1, стр. 150-151; 2, стр. 290-294]. Поэтому, в производствах НЦ, связанных с изготовлением пироксилиновых и других видов порохов, особое значение придается качественному измельчению исходных нитратов целлюлозы - пироксилинов №1 и №2, так как оно обеспечивает как полноту удаления из капилляров волокон остатков отработанных кислот (HNO₃ и H₂SO₄), и последующую высокую технологичность переработки пироксилинов в пороха.

Известен [3, стр. 350; 4, стр. 318-324] способ измельчения НЦ, в том числе и пироксилина №1 на конических мельницах РК-01 (Жордана) непрерывного действия. Измельчаемые нитраты целлюлозы в виде водной суспензии проходят через 3-5 последовательно соединяемых мельниц РК-01, причем между отдельными аппаратами устанавливаются сгущающие устройства (сгустители), а массовая концентрация НЦ в водной суспензии при измельчении обычно поддерживается на уровне от 3,0 до 4,5 мас. %. Способ обеспечивает удовлетворительное качество измельчения, но он весьма неэкономичен и не соответствует современным требованиям производства. Основными недостатками способа являются получение недостаточно однородных измельченных волокон НЦ, так как время пребывания продукта в мельнице, из-за обратного потока и переброса массы продукта, различно (1,5-5,0 с). Кроме того, ротор и статор мельницы имеют сложную наборную гарнитуру, что требует значительной трудоемкости при замене ножей. Мельницы имеют, кроме того, большую металлоемкость.

В литературе описывается также и другой способ измельчения пироксилина №1 с использованием дисковой мельницы Кузьмина (ДМК) [4, стр. 324-330], которая за один проход осуществляет измельчительный процесс продукта. При использовании мельниц типа ДМК получают также недостаточно высокую однородность измельчаемых волокон нитратов целлюлозы и малую удельную поверхность волокна. В то же время, при сравнительно малой производительности мельницы требуется сложная размалывающая гарнитура.

Из известных, других способов непрерывного измельчения нитратов целлюлозы, в том числе пироксилина №1 из древесной целлюлозы марки ЦА, а также пироксилина №2 и коллоксилина «Н», изготавливаемых из хлопковой целлюлозы марки ХЦ, необходимо отметить способ с использованием установки, состоящей из двух дисковых мельниц МД-31 [5, стр. 267-269].

Аналогичный же способ измельчения НЦ, в том числе и пироксилина №1 приводится в другом источнике [6, стр. 77-80], где также описывается способ измельчения НЦ на двух последовательно работающих дисковых мельницах МД-31.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ измельчения НЦ на двух дисковых мельницах МД-31, приведенный в вышеуказанном источнике [5, стр. 267-269, 272], который авторами и был выбран в качестве прототипа. В соответствии с прототипом, измельчение пироксилина №1 (из древесной целлюлозы марки ЦА) производится на установке, состоящей из двух последовательно соединенных дисковых мельниц МД-31. Водная взвесь измельчаемого продукта с массовой долей от 4,0 до 5,0% из смесителя массонасосом подается в измельчительную камеру первой дисковой мельницы, далее поступает к размалывающим дискам. Переходя далее в зазор между дисками и рабочими поверхностями ножевой гарнитуры волокна измельчаются перерезанием, растиранием (гидродинамический эффект аморфизация).

На первой мельнице устанавливается межножевой зазор от 0,10 до 0,12 мм, а на второй мельнице - зазор от 0,07 до 0,08 мм. Для того, чтобы процесс разрезания волокон происходил более интенсивно, используют гарнитуры с тонкими ножами.

Если учесть, что степень измельчения оценивается по ситовому анализу, в основе которого лежит фракционирование массы по предельно допустимой длине волокна, то чем интенсивнее происходит укорочение (разрезание) волокон, тем эффективнее осуществляется работа мельниц. Учитывая различные требования к качеству измельчения пироксилинов №1, №2 и коллоксилина «Н», необходимо для каждого из них подобрать свою измельчительную гарнитуру.

Существенными недостатками данного способа (прототипа) измельчения пироксилина №1 из древесной целлюлозы марки ЦА являются использование на установке для измельчения двух мельниц мощностью по 500 кВт, что требует весьма большого расхода электроэнергии. Кроме того, установка имеет высокую металлоемкость, а также то, что измельченная на данной установке масса НЦ обладает значительной неоднородностью по длине волокон - т.е. большим разбросом фракций по длине волокон (от 0,15 мм и менее и до 1,0-3,0 мм). Как известно, большой разброс по длине измельченных волокон НЦ оказывает влияние как на технологию их последующей переработки в пороха, так и на качество изготавливаемых из них различных марок порохов.

Задачей настоящего изобретения является устранение или сокращение вышеуказанных недостатков, а именно создание более совершенного и экономичного способа измельчения пироксилина №1 из древесной целлюлозы марки ЦА и хлопкового сырья марки ХЦ, обеспечивающего на базе используемой одной мельницы МД-31 в получении измельченных волокон с узким фракционным составом по длине волокна, например в диапазоне от 0,20 и до 0,60 мм и качественную их последующую переработку во все марки пироксилиновых и других видов порохов.

Технический результат достигается тем, что измельчение нитратов целлюлозы с содержанием азота 209,0 мл NO/r и более (пироксилина №1, изготавливаемого из древесной целлюлозы марки ЦА и хлопкового сырья марки ХЦ) осуществляют непрерывно, в виде водной суспензии с концентрацией от 3,0 до 9,0 мас. % и в одну ступень на дисковой мельнице МД-31, содержащей на рабочих поверхностях дисков тонкие ножи и имеющей рабочий зазор между ножами ротора и статора в пределах от 0,07 до 0,10 мм. Затем суспензию измельченных волокон пироксилина №1 для последующего сортирования пропускают через ситовый фракционер с окончательным выделением деловой, крупной и мелкой фракций продукта, причем деловую (основную) узкую фракцию пироксилина №1 (с длиной волокон от 0,20 до 0,60 мм) направляют в лавер для окончательной стабилизации и последующей переработки в пороха, крупную фракцию НЦ с длиной волокна от 0,60 мм и более возвращают в производство на повторное измельчение, а мелкую фракцию с длиной волокна менее 0,20 мм подвергают последующей утилизации в состав перерабатываемого пироксилина №1 в производстве сферического пороха (1 Пл).

При этом требуемую концентрацию сгущенной (водной) суспензии нитратов целлюлозы для измельчения обеспечивают как предварительным отстаиванием исходной суспензии в смесителе и с последующим сифонированием из него (отводом через специальные патрубки) избытка осветленной воды - для создания суспензии с концентрацией от 3,0 до 5,0 мас. %, так и с использованием для получения суспензии измельчаемых НЦ с концентрацией в интервале от 5,0 до 9,0 масс. % типового барабанного сгустителя непрерывного действия, устанавливаемого над мельницей на высоте не менее 3,0 м (для обеспечения непрерывной и стабильной подачи концентрированной массы в мельницу за счет создаваемого при этом соответствующего напора). Причем, для получения сгущенной суспензии НЦ с концентрацией от 3,0 до 5,0 мас. % и подачи ее непрерывно на мельницу сгущение суспензии НЦ осуществляют одновременно в нескольких смесителях (в количестве до 4-х шт.).

Качество измельчения нитратов целлюлозы на мельнице МД-31 контролируется на образцах измельченного продукта (из состава деловой фракции) стандартными методами (ситовый и объемный метод) и определением интервала длины волокна с помощью анализатора свойств волокна Metso FS5 (производства фирмы «Metso», Финляндия).

Для тонкого и грубого сортирования измельченных волокон НЦ (т.е. выделения основной, деловой фракции, а также крупной и мелкой фракций) применяется напорный, многоступенчатый ситовый фракционер с щелевидными отверстиями и работающий при рабочем давлении не менее 0,40 МПа, причем, объемная производительность его равна или больше производительности мельницы МД-31. В процесс работы фракционера регулирование консистенции суспензии НЦ осуществляют, при надобности, частичным ее разбавлением дополнительно подаваемой в аппарат технологической водой.

Утилизируемую мелкую фракцию НЦ после фракционера в виде водной суспензии с концентрацией от 2,0 до 4,0 мас. % пропускают через вакуумный фильтр и далее собирают в технологическом сборнике в виде однородной продукции для изготовления сферического пороха.

Основными отличительными признаками заявленного изобретения от прототипа являются:

1) проведение процесса измельчения НЦ непрерывно и только в одну ступень на мельнице МД-31, снабженной тонкими ножами и работающей при рабочем между ножами ротора и статора в пределах от 0,07 до 0,10 мм;

2) проведение процесса измельчения НЦ на сгущенной суспензии в широком интервале концентрации (от 3,0 до 9,0 мас. %), а по прототипу - в виде суспензии с концентрацией НЦ от 4,0 до 5,0 мас. %, причем сгущение суспензии НЦ до концентрации от 3,0 до 5,0 мас. % производится в смесителе (или в смесителях) отстаиванием взвеси и сифонированием избытка воды, а для большей концентрации (от 5,0 до 9,0 мас. %) - используют барабанный сгуститель, располагаемый над мельницей на высоте не менее 3 м;

3) сортировка измельченного продукта по длине волокна и выделение из него деловой, крупной и мелкой фракций и использование для этого напорного многоступенчатого ситового фракционера с щелевидными отверстиями (с производительностью, превышающей производительность мельницы МД-31) и работающего при рабочем давлении не менее 0,40 МПа;

4) возможность регулирования консистенции сортируемой суспензии НЦ во фракционере за счет подачи в него, при необходимости, для разбавления сортируемой массы дополнительной технологической воды;

5) получение после фракционирования измельченных НЦ основной (деловой) фракции продукта, соответствующей узкому интервалу по длине волокна (от 0,20 до 0,60 мм) и использование НЦ этой фракции при последующей переработке их в пироксилиновые пороха;

6) возврат в производство для повторного измельчения крупной фракции НЦ, полученной после сортирования во фракционере и имеющей длину волокна от 0,60 мм и более;

7) утилизация мелкой фракции (с длиной волокна менее 0,20 мм) измельченных нитратов целлюлозы в производстве сферического пороха;

8) оперативный контроль качества измельчения НЦ на мельнице МД-31 осуществляется на образцах измельченного продукта из состава деловой фракции методом определения интервала длины волокна на анализаторе свойств волокна Metso FS5;

9) разделение суспензии утилизируемой мелкой фракции продукта (с длиной волокна менее 0,20 мм) после сортирования на фракционере на вакуумном фильтре и сбор ее в технологическом сборнике в виде однородной продукции.

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

В соответствии с данным изобретением способ измельчения нитратов целлюлозы с содержанием азота 209,0 мл NO/г и более (пироксилина №1), изготавливаемых из древесной целлюлозы марки ЦА или хлопкового сырья марки ХЦ, в промышленных условиях осуществляется следующим образом (фиг.).

В нескольких смесителях (1) одновременно готовят для измельчения на мельнице МД-31 (3) сгущенную суспензию НЦ с концентрацией от 3,0 до 5,0 мас. % за счет отстаивания исходной суспензии и последующего сифонирования (отвода) избытка осветленной воды через специальные патрубки в смесителе, а для получения суспензии с концентрацией от 5,0 до 9,0 мас. % применяют барабанный сгуститель непрерывного действия (2), устанавливаемый над мельницей на высоте не менее 3 м и который обеспечивает за счет создаваемого напора непрерывное поступление сгущенной массы из барабанного сгустителя в мельницу МД-31 для измельчения.

Сам процесс измельчения нитратов целлюлозы с требуемой концентрацией продукта в водной суспензии (в пределах от 3,0 до 9,0 мас. %) осуществляют непрерывно и в одну ступень на дисковой мельнице МД-31, содержащей на рабочих поверхностях дисков тонкие ножи и имеющей рабочий зазор между ножами ротора и статора в пределах от 0,07 до 0,10 мм (соответствующий зазор устанавливается заранее).

Затем суспензию измельченных нитратов целлюлозы для последующего сортирования (по длине волокна) направляют из мельницы в напорный, многоступенчатый ситовый (с щелевидными отверстиями) фракционер (4) например, марки MultiSTage Screen (производства фирмы «Valmet», Финляндия), при рабочем давлении от 0,40 до 0,50 МПа, где производится разделение суспензии НЦ с выделением деловой (основной), крупной и мелкой фракций измельченного продукта. Деловая фракция нитратов целлюлозы с длиной волокна от 0,20 до 0,60 мм направляется далее в лавер (6), для окончательной стабилизации и последующей переработки в пороха, крупная фракция нитратов целлюлозы, с длиной волокна от 0,60 до 1,0 мм и более возвращается в производство на повторное измельчение (добавкой в суспензию исходного измельчаемого продукта), а мелкую фракцию НЦ с длиной волокна менее 0,20 мм подвергают последующей утилизации в производстве сферического пороха.

Качество измельчения нитратов целлюлозы на мельнице МД-31 контролируется определением на образцах измельченного продукта (из состава деловой фракции) допустимого интервала длины волокна (в пределах от 0,20 до 0,60 мм), осуществляемого на анализаторе свойств волокна Metso FS5.

Объемная производительность фракционера, в то же время, должна быть больше производительности используемой дисковой мельницы МД-31. При этом регулирование консистенции суспензии продукта в процессе сортирования во фракционере, при необходимости, производится частичным разбавлением суспензии дополнительно подаваемой в аппарат технологической водой.

Остаточную мелкую фракцию НЦ после фракционера пропускают в виде водной суспензии через вакуумный фильтр (5) и получают в технологическом сборнике в виде концентрированной и однородной продукции, которая затем направляется для изготовления сферического пороха.

В таблицах 1 и 2 приведены примеры осуществления способа измельчения нитратов целлюлозы в промышленных условиях. Из приведенных примеров следует, что при измельчении НЦ на одной мельнице МД-31 (табл. 1) содержание крупной фракции (более 0,60 мм) несколько выше аналогичного показателя прототипа (11,1-17,7 мас. % против 8,8-11,7 мас. %) и качества измельчения НЦ по результатам ситового анализа также находится на пределе допустимого (примеры №№4-9).

Примечание: 1. Фракционный состав образцов измельченных НЦ в примерах №№1-9 определялся на анализаторе свойств волокна Metso FS5.

2. Анализ по остаткам на ситах №№016 и 063 измельченных НЦ производился согласно ГОСТ В 5765-75, по которому для измельченного пироксилина №1 остатки на ситах №№016 и 063 соответственно не должен превышать 7,0 мас. % и 0,09 мас. %.

3. Для примеров №№6, 7 и 8 барабанный сгуститель суспензии НЦ располагался над мельницей МД-31 на высоте 3,0 м, 4,0 м и 3,5 м соответственно.

4. В графе 4 таблицы 1 дробь означает: числитель - зазор на 1-й мельнице, знаменатель - зазор на 2-й мельнице.

Примечание: 1. В примерах №№10-15 образцы отбирались из фракционера при непрерывной работе установки (1 мельница МД-31 и фракционер), после 2-х часов с начала их совместной работы.

2. Фракционный состав образцов анализировался на анализаторе свойств волокна Metso FS5, а остаток на ситах №№016 и 063 замерялся в соответствии с методикой по ГОСТ В 5765-75.

3. Для образцов в примерах №№11, 13 и 14 барабанный сгуститель суспензии НЦ располагался над мельницей МД-31 на высоте 3,0 м.

4. Результаты ситового анализа, обозначенные *, относятся к продукту деловой фракции.

В то же время, измельченные на мельнице МД-31 и прошедшие сортировку на фракционере образцы выделенной деловой фракции НЦ (примеры №№10-15) (табл. 2) по длине волокна уже находятся в значительно узком и требуемом фракционном интервале (от 0,20 до 0,60 мм) и тем самым обладают хорошей однородностью.

Следует также отметить, что качество измельчения этих образцов НЦ (пироксилина №1) на одной мельнице МД-31 с последующим их фракционированием, как по результатам ситового анализа, так и по фракционному составу, с запасом соответствовали требуемым нормам и поэтому все они (табл.2) в дальнейшем перерабатывались по штатной технологии в пироксилиновые пороха различных марок.

Представленные в таблицах 1 и 2 результаты свидетельствуют о явном преимуществе предлагаемого способа измельчения нитратов целлюлозы в сравнении с прототипом.

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

1) в результате разработанного изобретения создан более совершенный способ непрерывного измельчения промышленно выпускаемых нитратов целлюлозы - пироксилина №1, изготавливаемого из древесной целлюлозы марки ЦА, хлопкового сырья марки ХЦ и являющегося основным компонентом при изготовлении пироксилиновых и других видов порохов;

2) способ измельчения нитратов целлюлозы, в практической реализации, за счет использования одной дисковой мельницы МД-31 (с тонкими ножами) и при комплексной ее работе с фракционером обеспечивает промышленное получение качественного и однородного по фракционному составу (от 0,20 до 0,60 мм) пироксилина №1, соответствующего требуемым нормам и годного для последующей его переработки в различные марки порохов;

3) предлагаемый способ, по сравнению с прототипом обладает высокой экономичностью, так как имеет место высвобождение одной дисковой мельницы МД-31 (мощностью 500 кВт), а потребляемая мощность напорного фракционера составляет всего около 20 кВт;

4) способ обеспечивает полный возврат неиспользуемой крупной фракции продукта (длиной волокна более 0,60 мм) в производство для повторного измельчения в составе исходной суспензии НЦ;

5) в то же время, образующаяся при измельчении на мельнице МД-31 и последующей сортировке мелкая фракция пироксилина №1 (с длиной волокна менее 0,20 мм) в количестве от 20,0 до 25,0 мас. % также утилизируется направлением в производство сферического пороха;

6) возможность осуществления на данной измельчительной установке процесса измельчения НЦ в широком интервале концентраций (от 3,0 до 9,0 мас. %), получаемых как с использованием метода с применением барабанного сгустителя, располагаемого (для создания напора) над мельницей МД-31 на высоте не менее 3,0 м;

7) контроль качества измельчения нитратов целлюлозы основной деловой фракции производится на образцах методом определения интервала длины волокон (фракции) на анализаторе свойств волокна Metso FS5;

8) качественная и непрерывная работа напорного фракционера обеспечивается также регулированием консистенции сортируемой массы за счет дополнительной подачи во фракционер технологической воды.

На основе данного изобретения на предприятии разработана новая промышленная технология измельчения нитратов целлюлозы (пироксилина №1) с последующим освоением ее на предприятиях отрасли.

Литература

1. Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества. - М.: Машиностроение, 1972, - 208 с.

2. Орлова Е.Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ: Учебник для вузов, - 3-е изд., перераб. -Л. Химия, 1981, - 312 с.

3. Закощиков А.П. Нитроцеллюлоза. Государственное издательство оборонной промышленности, -М., 1950, - 370 с.

4. Гиндич В.И. Технология пироксилиновых порохов, т. 1, Производство нитратов целлюлозы и регенерация кислот. Казань, изд. ГосНИИХП, 1995, - 554 с.

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

6. Дементьева Д.И. Введение в технологию энергонасыщенных материалов: учебное пособие/Д.И. Дементьева, И.С. Кононов, Р.Г. Малышев, В.А. Харитонов, Алт.гос.техн.ун-т: БТИ, - Бийск: Изд-во Алт.гос.техн.ун-та, 2009, - 254 с.