УСТРОЙСТВО ДЛЯ НИТРОВАНИЯ СПИРТОВ

Полезная модель относится к технологии получения нитроэфиров (нитратов спиртов), применяемых в производстве бездымных порохов, твердых ракетных топлив, взрывчатых составов, промышленных взрывчатых веществ.
В промышленном производстве нитроэфиры получают нитрованием спиртов серно-азотными кислотными смесями с использованием различных устройств для нитрования. Известен инжекторный способ получения нитроэфиров, в котором кислотную смесь смешивают со спиртом в инжекторе, после чего реакционную массу направляют в межтрубное пространство холодильника для охлаждения массы рассолом, подаваемым в трубное пространство (Е.Ю.Орлова "Химия и технология бризантных взрывчатых веществ", изд. Химия, Л, 1977 г., стр.614-615).
Известен также способ получения жидких нитроэфиров с устройством для нитрования спирта (патент Германии на изобретение №1058039), взятый нами в качестве наиболее близкого по техническому решению прототипа.
Этот способ заключается в нитровании спирта в инжекторе-нитраторе, охлаждении реакционной смеси в проточном холодильнике, сепарации нитроэмульсии и промывке нитроэфира. Недостатками данного способа, для реализации которого используется инжектор-нитратор, являются ограничение по давлению подаваемой через сопло рабочей нитросмеси (оно должно быть не ниже 0,4 МПа), забивание сопла инжектора кислотным шламом, что имеет место при производительности ниже 100 кг/ч, а также необходимость проведения специальных приемов для отвода реакционного тепла. Предварительно нитрующую смесь кислот охлаждают до максимально низкой температуры, не ниже минус 10°С, количество нитрующей смеси кислот увеличивают в 2-3 раза, чтобы после смешения с нитруемым спиртом и выделения всего реакционного тепла температура реакционной массы не превышала допустимых по соображениям безопасности пределов. Увеличение количества нитросмеси достигается добавлением к свежей нитросмеси, которая участвует непосредственно в процессе нитрования, отработанной кислоты, являющейся как бы инертным растворителем, на нагревание которого расходуется избыточная теплота реакции. Кроме того, реакционную массу после нитратора немедленно охлаждают в проточном холодильнике, дальнейшие операции с ней во избежание возможности разложения нитроэфиров проводятся при безопасных температурах. Таким образом, возврат в процесс отработанной кислоты с растворенными в ней нитроэфирами увеличивает в 2-3 раза объем кислотных смесей, подаваемых в нитратор, соответственно возрастает нагрузка на сепарационное оборудование и усложняется вспомогательное кислотное хозяйство.
Недостатком инжекторного способа также является возможность разложения реакционной массы при нарушении технологических параметров в инжекторе и холодильнике. Кроме того, установка занимает значительные производственные площади, требует изготовления большого количества специального химического оборудования, и непригодна для получения малых партий нитроэфиров.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка конструкции надежного и безопасного в эксплуатации нитратора с малым реакционным объемом, позволяющего вести нитрование спиртов при низких модулях кислотной смеси и при температуре 60÷100°С, а также расширить эксплуатационные возможности путем снижения производительности в соответствии с существующей потребностью.
Технический результат достигается тем, что устройство для нитрования (фиг.1) состоит из двух вертикально расположенных секций. Первая секция состоит из вращающейся камеры смешения, выполненной в виде колеса 1 центробежного насоса, закрепленного на валу 2 привода 3. Между нижним диском 4 и верхним диском 5 колеса расположены перегородки 6 в виде равномерно расположенных по окружности спиралей, образующих самостоятельные ячейки для нитрования. Патрубки 7 и 8 подачи смеси спиртов и кислоты закреплены на общей крышке 9 и введены в полость колеса сливными концами 10 и 11 на меньшем диаметре. Сливные концы патрубков расположены на минимальном расстоянии друг от друга. Вторая секция состоит из камеры смешения, выполненной в виде конического корпуса 12, снабженного в верхней части 13 кольцевой полостью 14, в которой концентрично установлена камера смешения первой секции. Кольцевая полость 14 снабжена отражательным диском 15, внутренний диаметр которого составляет 0,5÷0,7 диаметра колеса, за счет чего образовано свободное кольцевое отверстие 16 для прохода оксидов азота из полости первой секции. В нижней части конический корпус 2 снабжен патрубком 17. Отражательный диск 15 закреплен на общей крышке 9 с помощью ребер 18. На крышке 9 закреплено устройство 19 для измерения температуры реакционной массы в полости 14.
Устройство для нитрования спиртов, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Колесо 1, закрепленное на валу 2 привода 3, вращается с большой скоростью. При поступлении в полость вращающегося колеса 1 из сливных концов 10 и 11 патрубков 7 и 8 смесь спиртов и азотная кислота вступают в реакцию, а расположение сливных концов 10 и 11 патрубков на минимальном расстоянии друг от друга способствует быстрому предварительному смешению компонентов. За счет центробежной силы реакционная масса за доли секунды равномерно распределяется в полости колеса между нижним 4 и верхним 5 дисками и спиральными перегородками 6, совместно образующими самостоятельные реакционные ячейки, в которых и происходит основной процесс нитрования. Нитромасса с большой окружной скоростью вытекает из полости колеса 1 в кольцевую полость 14 конического корпуса 12. За счет центробежной силы нитромасса формируется в полости 14 в виде вращающегося кольца жидкости, при этом одновременно с процессом нитрования происходит смешение нитромассы, вытекающей из самостоятельных реакционных ячеек колеса. Далее нитромасса из полости 14 перетекает в виде вращающегося тонкого слоя жидкости на коническую поверхность корпуса 12, откуда поступает в полость патрубка 17 и далее в аппарат, заполненный холодной водой, где происходит разбавление нитромассы для понижения температуры до 40÷45°С, что достаточно для ведения дальнейших процессов нейтрализации, сепарации. Процесс нитрования контролируется по температуре нитромассы в полости 14. При повышении температуры выше 95°С автоматически уменьшается подача смеси спиртов, а при понижении температуры ниже 60°С увеличивается подача смеси спиртов. При повышении температуры выше допустимой автоматически прекращается подача смеси спиртов и азотной кислоты, а содержимое в полости устройства вытекает в аппарат. Выделяющиеся в процессе реакции оксиды азота из кольцевого отверстия 16 проходят в полость аппарата, в котором поддерживается разрежение для отсоса оксидов.
Предлагаемое техническое решение позволяет вести процесс нитрования спиртов при температуре кислотной смеси плюс 15÷20°С, при этом нет необходимости в использовании насосов-дозаторов высокого давления, холодильников и другой сложной техники. Подача кислотной смеси и спиртов в полость устройства происходит самотеком с любой производительностью, при этом отсутствует забивка патрубков шламом. Устройство позволяет получать нитроэфиры производительностью от 10 кг/ч до 100 кг/ч, в то время как производительность существующих установок с нитратором-инжектором составляет 200÷1600 кг/ч.
Предложенное устройство было изготовлено и показана надежность его работы в условиях опытно-валового производства.