СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ВОЗДУШНОЙ ВЗВЕСИ ЧАСТИЦ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING CELLULOSE NITRATES FROM AIR SUSPENSION OF PARTICLES OF WOOD WASTES AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к технологиям получения нитратов целлюлозы из исходного сырья на основе целлюлозы, а также к применяемым в процессе выполнения такого рода технологий устройствам.
Известен метод получения нитрата целлюлозы из синтезированного при осуществлении специальной обработки древесины исходного сырья.
При его осуществлении измельченную древесину предварительно обрабатывают физическим полем (DE 19847755, С06В 25/18, опубл. 20.04.2000). Обработку осуществляют в специально для этого разработанном устройстве. После предварительной обработки целлюлоза передается на стадию нитрования. Известный способ облегчает протекание процесса нитрования и улучшает качество получаемого продукта.
Недостатком известного способа является наличие дополнительной стадии обработки целлюлозы с применением соответствующего оборудования, а также применение при нитровании смеси концентрированных кислот - азотной и серной.
Прежде всего это объясняется необходимостью применения дорогостоящих исходных материалов: очищенного коротковолокнистого хлопка и смеси из концентрированных кислот - азотной и серной.
Работа с этими химически активными материалами - т.е. кислотами, связана с необходимостью соблюдения целого ряда требований, обеспечивающих повышенную безопасность, выполнение которых должно гарантировать защиту обслуживающего это производство персонала, а также обеспечить предохранение от попадания вредных выбросов в окружающую это производство внешнюю среду.
В названном выше случае синтеза нитратов целлюлозы с использованием известного способа (далее - прототипа) затраты на его осуществление являются недопустимо высокими.
Задачей предлагаемого способа получения нитратов целлюлозы является снижение необходимых для его проведения затрат.
Достижение указанной выше задачи в предлагаемом способе и устройстве обеспечивается за счет наличия действия следующих факторов. Предлагаемый способ включает в себя обработку исходного сырья во внутренней полости используемой при ее осуществлении емкости. В последнюю вводятся обеспечивающие в процессе выполнения синтез нитратов целлюлозы азотосодержащие соединения. Кроме того, при осуществлении процесса применяется специально создаваемое физическое поле, воздействующее на все эти участвующие в его протекании компоненты непосредственно в самой рабочей зоне.
Новым в способе является то, что заполняющая емкость масса сырья представляет собой воздушную взвесь, полученную из частиц отходов древесины. Габариты входящих в состав взвеси этих частиц составляют 0,02-1,0 мм. Содержание такого рода составляющих в последней равно 20-40% от общего ее объема. В качестве же выделяющего азотосодержащие группы соединения в предлагаемом способе используется входящий в состав атмосферного воздуха газ-азот. Применяемое же в процессе обработки физическое поле представляет собой переменное вращающееся магнитное поле.
3
6
2
Напряженность его в рабочей зоне составляет 1,5×10÷1×10 А/м, а частота 40-70 Гц. При осуществлении такого рода обработки емкость с загруженным в нее сырьем выполняет функции замыкающего соединительного звена для генерируемого применяемой магнитной системой и создаваемого в ней потока. Кроме того, в толщу осевшего на дно применяемой емкости осадка производится подача струй сжатого воздуха под избыточным давлением 0,1÷0,3 кгс/см, формирующих в этой области так называемый «кипящий слой».
Используемое при осуществлении предлагаемого способа устройство состоит из следующих элементов. Прежде всего, оно содержит емкость для размещения в ней обрабатываемой смеси. В состав его также входят рабочие элементы, обеспечивающие формирование воздействующего на обрабатываемые частицы сырья и соединения азота физического поля. Эти рабочие элементы подключаются к внешнему источнику электрического питания.
Новым в устройстве является то, что рабочие его элементы выполнены виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала. Последние при выполнении их совместного монтажа друг с другом формируют замкнутый прямоугольный контур. При этом в теле составляющих его отдельных элементов размещаются три обмотки-катушки, а каждая из этих обмоток-катушек соединена с соответствующей отдельной фазой внешнего трехфазного источника электрического питания. В одном из составляющих контур генератора элементов выполнен сквозной паз, габариты которого обеспечивают размещение в нем содержащей обрабатываемую воздушную взвесь емкости.
Помимо всего этого на верхнюю часть этой емкости, на ее торце, устанавливается крышка. Назначением ее является изоляция внутреннего объема емкости от прямой связи его с окружающей устройство внешней средой. По дну же емкости прокладывается заглушенный с торцевой части патрубок, в стенках которого выполнены отверстия перфорации.
Последние обеспечивают вывод в окружающие такой патрубок придонные слои продукта струй подаваемого через них сжатого воздуха.
Внутренняя его полость соединена с подающей сжатый воздух под избыточным давлением внешней магистралью.
При использовании всего набора перечисленных выше особенностей выполнения предлагаемого способа, а также и в конструкции используемого при его проведении устройства, характер протекания процесса обработки в ходе ее осуществления претерпевает следующие изменения.
На начальных этапах выполнения этого процесса проводится предварительная подготовка используемой для получения нитратов сырьевой массы. Последняя перед самым началом его осуществления проходит через операцию так называемого «тонкого помола».
Такое измельчение применяемого исходного сырья, а именно, опила, стружек, щепок, тонких веток, может быть выполнено с помощью любых известных на настоящее время технологий, например с применением нашедших широкое распространение шаровых мельниц.
После завершения этой операции исходный сырьевой материал превращается в мелкодисперсные частицы с габаритными размерами от 0,02 до 1,0 мм.
Прошедшая такой помол готовая мелкодисперсная масса затем «просушивается» в жарочном шкафу при температуре 120°-150°С в течение 30-50 минут. На этом этап предварительной подготовки сырья к последующей его обработке можно считать законченным.
Полученная из отходов древесины пылевидная сырьевая масса затем помещается во внутреннюю полость технологической емкости 3.
Помещаемый в емкость 3 сырьевой материал затем проходит через операцию перемешивания его с объемом заполняющего ее внутреннюю полость воздуха. В итоге всего этого в последней формируется устойчивая пылевидная взвесь. Операция перемешивания указанных выше компонентов в объеме емкости 3 может осуществляться с помощью любых известных технических приемов, например, при помощи вводимой в сосуд механической лопастной мешалки или за счет подачи к дну ее струй сжатого воздуха из специального сопла.
После получения такой взвеси емкость 3 закрывается крышкой 8 и устанавливается в сквозной паз «Б» генератора магнитного потока.
Перфорированный патрубок 6, используемый для подачи в емкость 3 сжатого воздуха, после завершения операции по ее установке в генератор, подсоединяется к подающей его внешней магистрали.
По окончании всех этих указанных выше переходов все обмотки-катушки 2 (см. фиг.1) используемого генератора подключаются к соответствующим фазам внешнего источника питания (на чертеже не показан).
Каждая из этих трех обмоток-катушек 2 при поступлении на нее переменного электрического тока, подаваемого от соответствующих фаз внешнего источника питания, начинает генерировать собственное магнитное поле.
Так как все используемые в контуре обмотки-катушки 2 смонтированы в соответствующих монтажных окнах (на чертеже не показаны), выполненных непосредственно в объеме магнитопроводящих рабочих элементов 1, то генерируемые ими отдельные магнитные потоки с помощью последних объединяются в единый суммарный. Таким образом, в контуре создается общее магнитное поле, сформированное с помощью этих трех отдельных составляющих, полученных в зонах установки каждой из указанных выше обмоток-катушек 2. Так как подаваемый для их питания переменный ток в каждой из используемых фаз внешнего источника имеет угловые сдвиги составляющих его синусоидальных волн относительно таких же соседних, то сформированное таким образом суммарное магнитное поле получается не только переменным, но и как бы осуществляющим «вращение» в окружающей его пространственной области.
Следует еще обратить внимание и на то, что образующийся в контуре генератора при его включении суммарный магнитный поток будет стремиться замкнуть разорванные пазом «Б» его половины, как бы соединяя их в единое целое (создавая своеобразную замкнутую «петлю»).
В процессе осуществления этого он неизбежно производит «проскок» через внутреннюю полость емкости 3, заполненную частицами 4 обрабатываемой сырьевой массы.
Последняя в ходе осуществления такого рода его перехода из одной половины контура в другую выполняет роль замыкающего соединительного звена в применяемой для выполнения этой обработки магнитопроводящей системе. Т.е. она становится своеобразной «ступенькой», с опорой на которую этот переход между рабочими элементами 1 такого рода генератора магнитного поля и становится осуществимым с минимально возможными потерями энергии.
Все перечисленное выше обеспечивает максимально возможную концентрацию силовых линий генерируемого в устройстве магнитного поля непосредственно в зоне проведения процесса получения из сырьевых частиц 4 конечного продукта их переработки - волокон нитратов целлюлозы 5.
Соответственно, сформированный в этой же области результирующий вектор суммарного магнитного потока совершает там колебательные угловые перемещения, осуществляя при этом перенос зоны своего влияния на окружающие его частицы сырья 4 по всем трем пространственным координатам (х; y; z).
К тому же в процессе этого последний меняет не только направление воздействия, но и саму свою величину (с заданной частотой 40-70 Гц).
Если соединить при помощи кривых линий точки нахождения его конца, обегающего участки окружающего этот вектор пространственного объема в течение заранее выбранного определенного временного промежутка, то получим фигуру, по очертанию наиболее близкую к трехмерному «эллипсоиду». (См. зону «Д» на фиг.1.)
Сужение его переднего и заднего конца определяется увеличением магнитного сопротивления, неизбежно появляющегося ввиду возникновения монтажных зазоров «а» в момент установки емкости 3 в генератор.
Так как этот результирующий вектор совершает весь этот набор из указанных выше действий в заполненной обрабатываемой средой внутренней полости емкости 3, то на находящиеся там частицы сырья 4, а также молекулы газа-азота, обрушивается целая серия периодически повторяющихся (40-70 Гц) «толчков» и «ударов». Под их влиянием неизбежно активируются образующие и входящие в состав этих компонентов атомы их молекул, электроны которых переходят на более высокие орбиты относительно их ядра. При этом разрываются ранее имеющиеся молекулярные ковалентные и структурные связи, и в зоне обработки появляются новые радикалы из числа ранее входящих в состав исходных органических сложных соединений. В самой зоне обработки в итоге этого появляются активированные молекулярные фрагменты, ранее составляющие полимерную цепочку молекул самой целлюлозы, других присутствующих в древесине структур, и, кроме того, еще и ионы азота.
При протекании в последующем целого рода реакций эти полученные таким образом компоненты формируют «зародыши» нового, ранее отсутствующего в сырьевом материале соединения, а именно нитрата целлюлозы.
3
Другие же вещества, так же как и целлюлоза входящие в состав древесины (лигнин, пентозаны, маннан, галактан, уроновые кислоты), распадаются на отдельные составляющие их радикалы. Последние частично выполняют роль дополнительного «строительного» материала в процессе протекания синтеза «зародышей» нитратов целлюлозы или формируют новые газовые микрообъемы (например, такие как метан), которые в последующем выходят из полости емкости прямо в атмосферу. Так как полученные в зоне такого энергетического воздействия «зародыши» из нитратов целлюлозы обладают достаточно высокой объемной плотностью (1,68-1,76 г/см), то они оседают под действием сил гравитации, попадая на дно емкости 3. Перемещаясь в вертикальном направлении, «зародыши» вновь полученных соединений захватывают по дороге мелкие частицы 4 окружающей их сырьевой массы, обрастая своеобразной «шубой».
2
Попадая в самую нижнюю часть полости емкости 3, они создают там искусственно сформированный за счет действия этих факторов «придонный слой». Как только в толщу последнего начинают поступать струи подаваемого под избыточным давлением (0,1÷0,3 кгс/см) сжатого воздуха, то входящие в него составляющие под действием последних начинают совершать интенсивные колебательные перемещения. При этом создается так называемый «кипящий слой».
Указанные выше процессы, обусловленные воздействием переменного вращающегося магнитного поля на входящие в «придонный слои» соединения, протекают и в этой области точно так же, как и в остальном объеме обрабатываемой в устройстве сырьевой взвеси.
Отличия в выполнении такого рода процесса в этой области полости емкости 3 будет состоять лишь в том, что в условиях формируемого в ней «кипящего слоя» значительно возрастает количество подаваемых к «зародышам» появившихся там новых соединений из числа так называемых «строительных» элементов.
В перечень последних входят получение при деструкции остальных составляющих древесину материалов (кроме самой целлюлозы) атомов углерода, кислорода, а также и обеспечивающих генерацию дополнительных нитросодержащих структурных групп атомов азота.
Ионы азота, как и указывалось ранее, формируются из объемов подаваемого в зону обработки газа-азота, входящего в состав используемого сжатого воздуха. Все перечисленное выше позволяет существенно интенсифицировать процесс получения нитратов целлюлозы из применяемой массы исходного сырья, а также создает условия для протекания формирования ее в виде имеющих габаритные размеры в пределах 3-7 мм скоплений волокон, вырастающих там из ранее осевших на дне емкости «зародышей».
Остальные же составляющие древесины, как и указывалось ранее, тоже входящие в ее состав, разрушаются на составные элементы и служат строительным материалом, обеспечивающим процесс выполнения синтеза нитратов, а также образующих выходящие в атмосферу микрообъемы углеводородных газов.
В придонной области емкости 3, таким образом, по окончании процесса обработки, накапливается однородная плотная волокнистая масса, содержащая только полученные с помощью ее нитраты целлюлозы.
Преимущественное формирование именного этого соединения в процессе выполнения мощного энергетического воздействия на обрабатываемую многокомпонентную сырьевую массу объясняется тем, что только указанная выше структура имеет минимально возможное значение своей внутренней энергии в условиях складывающегося в зоне обработки энергетического равновесия, из всего возможного набора вариантов синтеза присутствующих там соединений.
2
Сама предложенная обработка осуществляется при комнатной температуре (18-27°С), с использованием диапазона давлений, лишь незначительно отличающихся от атмосферного (на 0,1÷0,3 кгс/см больше исходного).
Выход конечного продукта из используемой сырьевой массы находится в пределах 56%-74,2%, в зависимости от содержания основного исходного компонента, т.е. самой целлюлозы в применяемой сырьевой массе.
Остальную часть ее составляют образующиеся газовые продукты, выходящие непосредственно в атмосферу или в предназначенные для их утилизации улавливающие системы.
Следует обратить внимание еще и на то, что получаемый в процессе обработки конечный продукт - нитраты целлюлозы, обладает рядом специфических свойств, отличающих их от аналогичных, но синтезируемых с применением известных классических методик.
Структурная формула нитрата, получаемого с помощью предложенной технологии, будет выглядеть следующим образом.
2
Т.е относительно получаемых известными способами нитратов целлюлозы указанные выше соединения содержат в молекулах уже не три, а четыре азотосодержащие группы О-NO. Кроме того, в составе такого рода нитратов увеличивается количество атомов углерода (с шести до восьми) и, соответственно, кислорода.
3
Полученные нитраты обладают более высокой объемной плотностью - она составляет 1,66-1,84 г/см, а также повышенным содержанием в своем составе атомов азота 15,7-16,9%. Температура их воспламенения незначительно отличается от классической тринитроцеллюлозы и составляет 50-70°С. Как и тринитроцеллюлоза, полученный в соответствии с предлагаемым способом конечный продукт переработки практически нерастворим в воде, бензине, толуоле, но хорошо растворяется в ацетоне.
Для простоты изложения материала напоминающий тринитроцеллюлозу продукт в дальнейшем будет именоваться из-за большого сходства по полученным свойствам с последней как «квадронитроцеллюлоза».
«Квадронитроцеллюлоза» представляет собой плотную массу желто-серого цвета, образованную скоплением коротких волокон, длина которых находится в пределах 3-7 мм.
Как и тринитроцеллюлоза, предлагаемый продукт успешно может использоваться в качестве бездымного пороха (как «пироксилин»). При этом в его массу не требуется введения никакого рода дополнительных добавок. Полученные на ее основе огнеприпасы обладают повышенной мощностью и имеют хорошие баллистические характеристики.
Квадронитроцеллюлоза сохраняет все свои свойства и по истечении достаточно длительных сроков ее хранения. Так, характеристики изготовленных с ее применением огнеприпасов в течение года остаются точно такими же, как и в самом начальном периоде после осуществления процесса их снаряжения такого рода взрывчатым веществом.
Далее выполнение предлагаемого способа иллюстрируется с помощью указанных ниже примеров.
Пример 1. Для получения нитратов целлюлозы использовался опил и щепа, полученные при проведении изготовления пиломатериалов из ели обыкновенной.
Содержание целлюлозы в них составляло 46,3%. Остальное - до 100% - лигнин, пентозаны, маннан, галактан, уроновые кислоты.
Перед началом процесса обработки проводилось дополнительное измельчение опила и щепы с получением мелких частиц с габаритами от 0,02 до 1 мм на шаровой мельнице.
Полученная сырьевая масса проходила подсушку в жарочном шкафу при 120°С в течение 50 минут.
После этого она засыпалась в полость емкости с вместимостью 5 л. Объем засыпаемых в емкость частиц древесины составил 20% относительно имеющегося у нее собственного внутреннего.
После завершения операции заполнения емкости 3 осуществлялось размешивание полученного после ее выполнения донного пылевидного осадка с помощью вводимой туда механической мешалки до получения в ней однородной непрозрачной устойчивой взвеси, заполняющей равномерно всю ее внутреннюю полость.
После осуществления этого перехода емкость 3 закрывалась крышкой 8, и производился ее монтаж в установочный паз «Б» генератора магнитного поля (см. фиг.1).
После окончания операции монтажа емкости 3 в генераторе производилось подсоединение перфорированного патрубка 6 к внешней подающей сжатый воздух магистрали.
2
Одновременно с подачей сжатого воздуха под избыточным давлением 0,1 кгс/см было выполнено подключение всех трех обмоток-катушек 2 генератора магнитного поля к их внешнему источнику электрического питания.
6
Замеренная при помощи датчика Холла и измерительного моста напряженность возникшего в зоне обработки магнитного поля составила 1×10 А/м, частота магнитного поля составляла 70 Гц.
По истечении одной минуты с момента включения генератора в работу заполняющая всю внутреннюю полость емкости взвесь приобрела прозрачность, а на дне сформировался плотный волокнистый осадок желтовато-серого цвета. Длина составляющих его волокон квадронитроцеллюлозы находилась в пределах от 2 до 4 мм. С учетом того что к имеющейся в исходной сырьевой массе целлюлозы был присоединен входящий в состав атмосферных газов атомарный азот, а также фрагменты от других молекулярных соединений, тоже являющихся компонентами древесины, общее количество полученных нитратов относительно использованной при обработке сырьевой массы составляло 60,4%.
3
Объемная плотность осевшей на дне емкости квадронитроцеллюлозы соответствовала значению 1,72 г/см. Температура воспламенения ее была равна 50°С.
Остальную часть от использованного в ходе обработки сырья составляли полученные новые газовые соединения, ушедшие в атмосферу.
Пример 2. По той же схеме, что и указанная в примере 1, проводилась обработка древесного сырья (стружка, мелкие ветки), содержащего в составе входящие в него частицы целлюлозы в количестве 35,5% (отходы от обработки стволов березы пушистой).
Как и в ранее указанном случае, стружка и мелкие ветки, входящие в состав применяемых отходов, измельчались в шаровой мельнице до получения частиц с габаритами 0,02-1,0 мм. Полученная сырьевая масса подсушивалась в жарочном шкафу при 150°С в течение 30 мин.
После этого она помещалась в полость емкости 3, при этом ее объем составлял 40% от объема последней.
После завершения всех необходимых для выполнения обработки переходов (см. данные, указанные в примере 1) осуществлялась операция по получению из этой сырьевой массы необходимого конечного продукта.
2
3
Обработка выполнялась с подачей в придонную область емкости 3 сжатого воздуха под избыточным давлением 0,3 кгс/см. Напряженность магнитного поля в зоне обработки составляла 1,5×10 А/м при частоте его 40 Гц.
Время ее выполнения составило 4 минуты. Выход конечного продукта переработки из всей исходной массы в итоге ее осуществления соответствовал значению 56,1%.
3
Длина волокон, составляющих осевший на дно емкости плотный осадок, находилась в пределах от 1 мм до 3 мм. Количество входящих в состав полученных молекул нитратов в пересчете на атомы азота было равным 15,7%. Объемная плотность полученной квадронитроцеллюлозы была равна 1,66 г/см. Воспламенение полученного продукта происходило при температуре 62°С.
Пример 3. В соответствии со схемами осуществления обработки, приводимыми в примерах 1, 2, проводилась переработка сырьевой смеси, полученной из отходов древесины (ветки, сучки) сосны обыкновенной.
Содержание целлюлозы в этом исходном сырье соответствовало 49,7%.
Как и в примерах 1, 2, такого рода отходы древесины измельчались с помощью шаровой мельницы до получения частиц с габаритными размерами 0,02÷1,0 мм. Полученная масса такого сырья подсушивалась в жарочном шкафу при 135°С в течение 45 минут.
2
После установки содержащей эту взвесь емкости 3 в генератор магнитного поля в придонную ее часть производилась подача сжатого воздуха под избыточным давлением 0,2 кгс/см.
4
Напряженность магнитного поля при осуществлении процесса переработки составляла значение, равное 8,4×10 А/м. Частота его соответствовала 50 Гц.
Продолжительность процесса обработки составляла 2,8 минуты.
Количество полученного по завершении процесса конечного продукта составляло 74,2% от всего количества использованной сырьевой массы.
Полученный продукт - «квадронитроцеллюлоза», был сформирован в виде плотного осадка серовато-желтого цвета из волокон, длина которых соответствовала 5-7 мм.
3
Температура воспламенения этого конечного продукта составляла 70°С. Его объемная плотность соответствовала значению 1,84 г/см. Содержание же азота в его структуре соответствовало 16,9%.
Для осуществления проверки возможности применения полученного с помощью предлагаемого способа конечного продукта в качестве бездымного пороха (пироксилина) был осуществлен следующий эксперимент.
В стандартном патроне к охотничьему карабину АКС с калибром 7,62/40 была проведена замена имеющегося в нем заполнителя (пироксилина) на конечный продукт, полученный по схеме, приведенной в примере 3.
После такой замены в патронах наполнителя осуществлялось испытание полученных таким образом огнеприпасов на предмет соответствия их баллистических характеристик тем, что имеются в стандартных образцах.
Дальность выстрела была выбрана равной 500 м. В конце назначенной дистанции устанавливалась сосновая доска толщиной 50 мм.
По указанной выше мишени были выполнены выстрелы с помощью стандартных огнеприпасов к карабину АКС, а также снаряженных полученным в примере 3 конечным продуктом.
Количество и тех и других в применяемых для выполнения испытаний партиях соответствует десяти.
В ходе осуществления последних было получено, что пули стандартного огнеприпаса застревают в толще применяемой мишени, высовываясь относительно ее передней плоскости на величину, равную 1/2 или 1/3 от собственной длины.
Пули же, выпущенные с помощью огнеприпаса, снаряженного предложенным конечным продуктом - "квадронитроцеллюлозой", прошивают такого рода мишень насквозь и продолжают полет дальше.
После осуществления хранения такого рода "опытных" огнеприпасов в течение календарного года снижения баллистических характеристик в этой изготовленной партии выявлено не было.
Сам выстрел с применением в огнеприпасе такого рода конечного продукта сопровождается лишь легким хлопком, грохота выстрела почти было не слышно. Это обстоятельство косвенно указывает на высокую начальную скорость, развиваемую пулей при выходе из обреза ствола карабина (сравнимую или большую, чем скорость звука).
Т.е. произведенные испытания подтвердили возможность применения полученных нитратов целлюлозы вместо пироксилина, позволили получить сведения о их более высокой мощности, а также доказали факт их высокой устойчивости.
Выбор значений, используемых в ходе обработки параметров магнитного поля, а также других технологических характеристик, проведен исходя из следующих соображений.
3
Размеры частиц сырья 0,02-1,0 мм и указанные выше пределы заполнения ими внутренней полости в емкости 3 - 20-40% от ее объема назначены исходя из необходимости формирования с их применением устойчивой пылевидной воздушной взвеси. Последняя не должна расслаиваться на отдельные составляющие за необходимый для завершения процесса временной промежуток. Пределы же напряженности магнитного поля подобраны в силу наличия следующих соображений. При применении значений напряженности последнего, меньших чем 1,5×10 А/м, не удается обеспечить синтез нитратов целлюлозы, который должен гарантировать "пропитку" этим вновь создаваемым соединением всех слоев составляющих объем участвующих в процессе обработки сырьевых частиц.
6
Использование величин напряженности поля, больших чем 1×10 А/м, не обеспечивает достижения каких-либо дополнительных преимуществ в ходе проведения такого рода процесса обработки.
Но в то же время при этом значительно увеличиваются необходимые для ее осуществления затраты технологической энергии.
Границы диапазона используемых в ходе выполнения способа частот генерируемого магнитного поля выбраны с учетом следующего.
При частотах, меньших чем 40 Гц, не обеспечивается формирование нитратов целлюлозы в используемых в качестве сырья частицах взвеси. Получаемый в процессе создания переменного магнитного поля результирующий вектор суммарного магнитного потока при таком значении диапазона частот воздействует на них с недостаточно высокой интенсивностью. Т.е. он в окружающем его облаке последних перемещается слишком "вяло".
Наоборот, при значениях частот, более высоких чем 70 Гц, такой вектор движется настолько стремительно, что попадающие на траекторию его пространственного переноса частицы не успевают вступить с ним во взаимодействие. Опять-таки и в этом случае не гарантируется создание оптимальных условий для формирования соединений нитратов целлюлозы.
Назначение применяемого при обработке интервала времени в 1 - 4 минуты произведено исходя из наличия следующих соображений. При значениях его, меньших чем 1 минута, не успевают закончиться необходимые для формирования конечного продукта структурные преобразования в частицах используемой для обработки сырьевой массы.
При использовании значений временного интервала, больших чем 4 минуты, не обеспечивается получение какого-либо дополнительного положительного эффекта. В то же время применение больших, чем необходимые, временных промежутков приводит к увеличению суммарных затрат, связанных с выполнением переработки исходного сырья в необходимый конечный продукт.
2
Исходя из таких же соображений выполнено назначение избыточного значения давления в подаваемом в придонный слой объемах сжатого воздуха. При величине избыточного давления, меньшей чем 0,1 кгс/см, падает производительность процесса получения нитратов целлюлозы из исходного сырья.
2
При величинах его, больших чем 0,3 кгс/см, не удается обеспечить дополнительную интенсификацию процесса выработки конечного продукта. В то же время, при использовании значений избыточного его давления, больших, чем указанная выше величина, возрастают затраты необходимой для получения и подачи применяемых в ходе обработки объемов сжатого воздуха электрической энергии.
На представленном чертеже изображены:
общий вид предлагаемого устройства - фиг.1.
На фиг.1, в свою очередь, обозначены:
Позицией 1 - рабочие элементы, изготовленные из магнитопроводящего материала, например из трансформаторного железа, с помощью которых формируется сам магнитный контур в применяемом генераторе.
Позицией 2 - обмотки-катушки, установленные непосредственно в теле рабочих элементов 1 и предназначенные для генерации магнитного потока.
Позицией 3 - емкость для размещения в ее полости воздушной взвеси из частиц 4 обрабатываемого сырья.
Позицией 4 - частицы, полученные из отходов древесины, равномерно распределенные в окружающей их атмосфере, заполняющей внутреннюю полость емкости 3.
Позицией 5 - волокна нитратов целлюлозы, полученные в придонном слое применяемой емкости 3.
Позицией 6 - перфорированный патрубок, осуществляющий подачу сжатого воздуха под избыточным давлением в толщу лежащего на дне емкости осадка.
Позицией 7 - сквозные отверстия перфорации в стенках патрубка 6, через которые и осуществляется выход воздушных струй.
Позицией 8 - крышка, лежащая на стенках емкости 3 у ее верхней открытой части и изолирующая ее внутренний объем от прямого соединения с окружающей емкость воздушной средой.
Буквой "Б" - сквозной паз, предназначенный для проведения установки емкости 3 в генератор магнитного поля.
Буквами "а" - полученные в ходе монтажа корпуса емкости 3 в установочный паз "Б" воздушные зазоры.
Буквой "Д" - формируемая перемещением результирующего вектора магнитного потока пространственная фигура, размещенная во внутренней полости емкости 3.
Буквой "Р" - направление подачи и величина избыточного давления в объемах подаваемого к данному осадку сжатого воздуха.
Работа предлагаемого устройства, изображенного на фиг.1, протекает следующим образом.
Перед включением магнитного генератора внутренняя полость емкости 3 заполняется обрабатываемой взвесью.
Указанная выше взвесь содержит частицы 4, полученные дроблением содержащих древесину отходов, образовавшихся в процессе изготовления пиломатериалов. Такого рода частицы при осуществлении обработки равномерно распределяются в полости емкости 3 в окружающем их со всех сторон столбе атмосферного воздуха.
Перед началом осуществления процесса обработки емкость 3 с полученным на дне ее осадком сырьевой массы подвергается перемешиванию с помощью механической мешалки (на чертеже не показана) до получения в полости последней устойчивой непрозрачной взвеси.
Затем емкость 3 с заполняющими ее частицами 4 закрывается крышкой 8, изолирующей внутреннюю полость емкости от окружающей среды.
Указанная крышка 8 укладывается на ее стенки, расположенные в верхней части емкости, у ее открытого конца.
По завершении этого этапа емкость 3 устанавливается в сквозной паз "Б" контура магнитного генератора (см. фиг.1).
После окончания операции ее монтажа полость размещенного в ее придонной части перфорированного патрубка 6 соединяется с полостью подающей сжатый воздух внешней магистрали. Такое соединение может быть выполнено, например, с помощью гибкого рукава и быстроразъемного узла крепления (на чертеже не показаны).
Этим самым обеспечивается возможность осуществления подачи под избыточным давлением в объем емкости 3 струй сжатого воздуха, проходящего туда через отверстия перфорации 7, выполненные в стенках патрубка 6 (см. фиг.1). Одновременно с этим производится подключение всех трех обмоток-катушек 2 к соответствующим фазам внешнего источника подачи переменного электрического тока.
При поступлении последнего на указанные выше обмотки-катушки 2, выполняющие роль соленоидов, в каждой из них начинает создаваться переменное магнитное поле.
Так как все эти обмотки-катушки 2 соединены между собой образующими единый контур магнитопроводящими элементами 1, в последующем в нем формируется за счет слияния таких индивидуальных полей уже одно единое суммарное.
В силу того что электрический ток на обмотки-катушки 2 подается переменный, то и получаемое в самом генераторе магнитное поле будет таким же. Благодаря имеющимся угловым сдвигам в применяемых в качестве подающих волновые синусоидальные импульсы фазах этого внешнего источника питания получаемое с помощью последних суммарное поле еще как бы "вращается" в области осуществления своего воздействия.
Это "вращение" и обеспечивается с помощью непрерывно поступающего на каждую из трех обмоток-катушек 2 питания, подводимого от отдельных фаз внешней обслуживающей их сети промышленного трехфазного тока (на чертеже не показана).
Так как замкнутый прямоугольный контур генератора разорван выполненным в нем сквозным пазом "Б", то формируемый в его рабочих элементах 1 суммарный магнитный поток, появившийся в результате подключения последнего к источнику питания, стремится замкнуть обе половины контура в единое целое.
Для этого созданный в контуре суммарный магнитный поток должен "перепрыгнуть" через область пространства, занимаемую сквозным пазом "Б". На пути, пролегающем через зону выполнения такого "прыжка", поток неизбежно пересекается с внутренней полостью, размещенной в этой области емкости 3.
Последняя в этом случае выполняет роль "опорной ступеньки", помогающей преодолеть разделяющие обе половины контура пустое пространство проходящему через этот его участок указанному выше потоку. Т.е. емкость 3 с размещенной внутри ее взвесью частиц 4 выполняет роль замыкающего соединительного звена для генерирующей переменное магнитное поле и созданной с этой целью системы.
В итоге всего этого непосредственно в лежащей на пути такого потока области, занимаемой объемом обрабатываемой взвеси, формируется магнитное поле с максимально достижимыми для этих условий параметрами его напряженности.
Соответственно, воздействие на частицы 4 сырьевого материла со стороны последнего будет осуществляться с максимально возможной интенсивностью, что и обеспечивает оптимальные условия для осуществления их преобразования в сам необходимый конечный продукт.
Создаваемая в зоне этого перехода магнитного потока зона, обозначенная буквой "Д" (см. фиг.1), сформирована за счет соединения с помощью кривых линий точек конечного нахождения результирующего вектора магнитного потока в момент осуществления его угловых колебательных перемещений во всех трех пространственных координатах.
Полученная слиянием такого рода отдельных кривых зона "Д" представляет собой, в конечном итоге, пространственный эллипсоид, внутри которого собственно и осуществляется такого рода перемещения этого вектора.
Этот эллипсоид "Д" целиком размещается в объеме внутренней полости емкости 3, и все находящиеся там сырьевые частицы 4, а также и заполняющие ее слои газа, неизбежно оказываются расположенными непосредственно в зоне влияния последнего. Воздействие формируемого таким образом результирующего вектора на обрабатываемые с его помощью компоненты протекает с периодически осуществляемой сменой его направления (частота 40-70 Гц), а также и его величины.
Сплющенность получаемого в зоне обработки эллипсоида в передней и задней его частях определяется резким возрастанием суммарного магнитного сопротивления в местах возникновения монтажных промежутков "а" (см. фиг.1).
Таким образом, содержащие целлюлозу частицы 4 в момент осуществления обработки проходят через целую серию "ударов" и "толчков".
При этом нанесение их производится со всех сторон и на всех возможных направлениях.
Под влиянием всего этого электроны атомов, входящие в состав подвергнутых такого рода обработке соединений, переходят с нижележащих орбит на более удаленные от ядра их атомов. Ранее созданные ковалентные связи в молекулах разрываются, и они разделяются на отдельные фрагменты, проявляющие за счет продолжающегося энергетического воздействия высокую химическую активность.
Образующиеся в ходе протекания такого рода процессов полученные ионы азота соединяются с этими формирующимися вблизи них фрагментами, создавая при этом ранее отсутствующие в этой области нитраты целлюлозы. Так как полученные из взвеси частиц 4 вновь образованные компоненты обладают более высокой плотностью, то под действием сил гравитации они оседают на дне емкости 3. Попавшие в ее придонную область мелкие "зародыши" таких соединений одеваются в «шубу» из захватываемых попутно мелких сырьевых частиц, составляющих окружающие их слои взвеси, и, опускаясь на дно, формируют там саму эту толщу высаживаемого в самой нижней части емкости 3 твердого осадка.
Через слои последнего и проходят струи сжатого воздуха, подаваемого сквозь отверстия 7 патрубка 6.
Так как подача их осуществляется под небольшим избыточным давлением, то находящиеся в зоне их воздействия составляющие этот донный осадок компоненты начинают совершать колебательные перемещения, то подымаясь вверх, то снова опускаясь вниз.
Т.е. на дне емкости 3 образуется так называемый "кипящий слой". Так как все указанные выше процессы в составляющих его соединениях продолжают протекать все в том же порядке, то "омывающие" их со всех сторон и получаемые из молекул газа ионы азота оказывают интенсивное воздействие на все участвующие в таком синтезе элементы. Разрастанию ранее полученных нитратных "зародышей" будет способствовать и подвод в область формирования новых волокнистых образований фрагментов молекул других, кроме клетчатки, составляющих древесины. Последние возникают за счет происходящей деструкции этих соединений в зоне осуществления мощного энергетического воздействия (на отдельные фрагменты разлагаются молекулы лигнина, маннана, галактана и т.д.).
Таким образом, накопленные в толще донного осадка "мелкие зародыши" нитратов целлюлозы разрастаются в более крупные, хорошо заметные даже невооруженным глазом волокнистые структуры 5 (с габаритными размерами от 1 до 7 мм).
Образующиеся при деструкции других входящих в состав древесины компонентов (за исключением самой целлюлозы) новые газовые микрообъемы выводятся из внутренней полости емкости 3. Оттуда же осуществляется удаление избыточных объемов подаваемого туда сжатого воздуха. Роль отводящих калибровочных каналов и в том и в другом варианте выполняют формирующиеся в момент установки крышки 8 на стенки емкости 3 щелевидные зазоры, размер которых составляет 0,005-0,01 мм (на чертеже не показаны). Т.е. величина последних достаточна велика, чтобы провести выпуск соответствующих газовых объемов, но в то же время она не позволяет проходить наружу мелким частицам загруженного в емкость сырьевого материала (габариты последних превышают габариты такого рода каналов -находятся в пределах 0,02-1,0 мм). Эту же самую функцию может, в случае необходимости, осуществлять и фильтр, имеющий волокнистую набивку (на чертеже не показан).
В этом варианте конструктивного исполнения такой фильтр должен быть пропущен насквозь через одну из стенок емкости, а внутреннюю часть его открытого с обоих концов корпуса должна заполнять набивка из волокон материала, зазоры между которыми и находятся в заявленных пределах (0,005-0,01 мм).
Крышка 8 должна иметь в этом случае уплотнение, обеспечивающее герметичную изоляцию внутреннего объема емкости 3 от окружающей среды в момент ее закрытия (на чертеже не показана).
В предлагаемом случае применен простейший из возможных вариантов конструктивного исполнения устройства (см. фиг.1).
Процесс обработки с помощью предложенного устройства (см. фиг.1) продолжается до тех пор, пока помещаемая во внутреннюю полость емкости 3 взвесь не станет полностью прозрачной. Т.е. до тех пор, пока все входящие в сырьевую массу частицы 4 не будут переработаны в конечный продукт.
Улавливание отходящих газообразных продуктов, возникающих в ходе переработки исходного сырья, может производиться в случае надобности с помощью широко распространенных промышленных методик, применяемых для утилизации последних.
По окончании процесса переработки (т.е. по истечении 1-4 мин) обмотки-катушки 2 отсоединяются от внешнего источника питания, а патрубок 6 отключается от внешней подающей сжатый воздух магистрали.
Емкость 3 с готовым конечным продуктом извлекается из установочного паза "Б" генератора. С нее снимается изолирующая крышка 8, и конечные продукты высыпаются из нее в применяемую для их упаковки технологическую тару (на чертеже не показана). В последней они могут быть отправлены для осуществления других операций технологического производства, в котором предусмотрено их использование по прямому назначению.
Никаких дополнительных операций по доработке до требуемых кондиций полученного в предложенном устройстве конечного продукта при этом выполнять вовсе и не следует.
После завершения всех указанных выше переходов освобожденное от конечных продуктов переработки устройство вновь становиться готовым для выполнения последующего цикла по получению в нем следующих порций нитратов целлюлозы.
Применяемый для подачи энергии внешний источник электрического питания имеет в своем составе дополнительный блок управления (на чертеже не показан).
С помощью последнего осуществляется регулировка характеристик подаваемого на обмотки-катушки генератора переменного тока (силы тока, напряжения, частоты) и, следовательно, технологических параметров создаваемого в зоне синтеза нитратов целлюлозы магнитного поля (на чертеже не показан).
Учитывая все изложенное выше, можно прийти к выводу, что применение предлагаемого способа получения нитратов, а также предназначенного для его осуществления устройства позволяет многократно сократить необходимые для получения этого конечного продукта материальные затраты.
Это снижение величины последних обеспечивается прежде всего тем, что его выработка не связана с применением дорогостоящего импортного сырья (коротковолокнистого хлопка), а также концентрированных кислот. В производстве нитратов целлюлозы используются в качестве основного исходного сырья одни только отходы от деревообработки.
В предлагаемом способе и устройстве осуществление процесса переработки производится при комнатных температурах и в диапазоне давлений, лишь незначительно отличающихся от атмосферного.
Осуществление способа не требует применения в процессе обработки оборудования приточно-вытяжных вентиляционных систем, а также реакторов для проведения очистки сточной воды, использованной в ходе промывки.
Вырабатываемые с помощью предлагаемого способа нитраты целлюлозы отличаются повышенным содержанием соединений азота, и вследствие этого значительно возрастают получаемые качественные характеристики продукта в случае применения их для удовлетворения каких-либо соответствующих нужд существующего промышленного производства.
Получаемые в ходе осуществления обработки по предлагаемому способу ее показатели по выходу конечного сырья из применяемого исходного имеют достаточно высокие значения и в зависимости от содержания целлюлозы в последнем составляют от 56 до 74%.
Изготовление применяемого при осуществлении предлагаемого процесса устройства не связано с необходимостью привлечения существенных капитальных затрат и не требует использования при этом длительных сроков времени для проведения подготовки производства.
Само это предлагаемое устройство отличается высокой степенью простоты его конструктивного исполнения и вследствие этого имеет большую эксплуатационную надежность.