Разработка элементов технологии гранулирования динитротолуола, модифицированного энергетическими добавками

УДК 662.2-3 : 662.2.036

Н. А. Покалюхин, С. А. Кабиров, А. А. Ибрагимов, Р. А. Ибрагимов

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИИ ГРАНУЛИРОВАНИЯ Д ИНИТРОТОЛУОЛА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ

Ключевые слова: динитротолуол, модифицирующие добавки, гранулирование, реактор, водоэмульсионная технология, детонационная способность, пневматическое заряжание.

В статье приведены результаты исследований по модификации энергетическими добавками и гранулированию литого динитротолуола для использования в качестве горючего компонента в составах ПВВ для механизированного заряжания. Выполнен выбор и обоснование содержания добавок, определены технологические параметры процесса гранулирования водоэмульсионным способом. Предложены варианты опытно-промышленной технологии. Критический диаметр детонации динитротуола модифицированного гранулированного при плотности заряда 0,93-0,94 г/см3 составляет 51,3-64,4 мм в стальной оболочке и 100,1-120,5 мм в картонной.

Key words: dinitrotoluene, modifying agents, granulation, reactor, water-emulsion technology, detonation ability, pneumatic loading.

The results of studies on the modification of energy additives and granulated cast dinitrotoluene for use as a fuel component in the compositions of PVV for pneumatic loading. Made selection and justification of the content of additives, defined technological parameters of the process water-emulsion granulation process. Offered variants of experiment-industrial technology. The critical detonation diameter of the granulated dinitrotoluene modified with a charge density of0,93-0,94 g/cm3 is 51,3-64,4 mm steel shell and 100,1-120,5 mm in cardboard shell.

Хранящийся на складах литой динитротолуол (ДНТ) десятки лет не был востребован по прямому назначению. В связи с необходимостью его утилизации в последние годы ДНТ стал применяться в качестве компонента аммиачно-селитренных промышленных взрывчатых веществ (ПВВ). Для равномерного распределения на поверхности гранул селитры ДНТ вводился в состав ПВВ в виде расплава или комбинированного горючего в смеси с нефтепродуктом [1-2] или его эвтектической смеси с динитроксилолом в патронированном порошкообразном ПВВ [3]. Однако состав, предложенный в [1], непригоден для пневмозаряжания из-за образования «пробок» в зарядном шланге вследствие налипания на его стенки обмасленных частиц ВВ. Это касается и состава подобной рецептуры [2] с содержанием ДНТ до 15 %, более того, из-за присутствия в его рецептуре металлических порошков до 15 % имеется большая вероятность пыления во время заряжания. Испытаниями ПВВ [4], в составе которого гранулы пористой аммиачной селитры (АС) пропитаны расплавом ДНТ с минеральным маслом, установлена возможность пневмозаряжания скважин зарядными шлангами диаметром более 63 мм.

Решение проблемы создания гранулированного ПВВ на основе ДНТ для механизированного заряжания является актуальной задачей.

Для устранения отмеченного недостатка ПВВ на основе ДНТ необходимо изменить физическую структуру ПВВ путём перевода ДНТ в сыпучий материал гранулированием. Это позволит обеспечить технологичность ПВВ на всех стадиях производства и использования на горных работах, в частности осуществлять процесс пневмозаряжания шпуров непрерывно без образования «пробок» в зарядных шлангах.

Целью настоящей работы являются исследования, направленные на разработку рецептуры и эле-

ментов технологии производства динитротолуола модифицированного гранулированного (ДМГ), обладающего сыпучестью и пригодного для использования в качестве горючего компонента в составах ПВВ для механизированного заряжания.

В качестве модификаторов приняты коллоксилин (НЦ) и металлические порошки (МП). НЦ, растворяясь в расплаве ДНТ, связывает его фракции и снижает прилипаемость продукта. Частицы МП играют роль центров кристаллизации в процессе гранулирования расплава и повышают общую калорийность состава.

Технологический процесс получения гранул ДМГ состоит из фазы приготовления расплава ДНТ модифицированного (ДМ) и фазы гранулирования. Отработка технологии осуществлялась на лабораторных установках (рис. 1, 2).

Расплав ДМ приготавливался следующим образом. В плавитель 1 (рис. 1) с температурой воды в «рубашке» 65-75 °С загружалась навеска ДНТ. В образовавшийся расплав ДНТ добавлялась навеска НЦ 2-8 масс. %. После растворения НЦ в расплав добавлялась мелкими порциями навеска МП 2-10 масс. %. Готовый расплав ДМ представлял собой однородную серебристо-серого цвета массу.

Отработаны два способа гранулирования расплава ДМ.

Технология «холодного» способа гранулирования основана на диспергировании расплава ДМ в холодном водном растворе ПАВ, играющим роль дисперсионной среды (ДС), с температурой менее 20 °С.

Второй способ гранулирования осуществляется по эмульсионной технологии, являющейся основой технологии производства сферических порохов [5], адаптированной к производству ДМГ и отличающейся от «холодного» способа тем, что расплав ДМ диспергируется в подогретую дисперсионную среду

с температурой 30-50 °С. Схема установки представлена на рис. 2, плавитель которой аналогичен, показанному на рис. 1.

Рис. 1 - Схема лабораторной установки гранулирования ДМГ «холодным» способом: 1 - плавитель; 2 - термостат; 3 - реактор; 4 -водопроводная колонка

Рис. 2 - Схема лабораторной установки гранулирования ДМГ по эмульсионной технологии: 1, 3 -тройники; 2 - реактор; 4 - термостат; 5 -водопроводная колонка

В ходе отработки «холодного» способа гранулирования было исследовано влияние на размер и форму гранул ДМГ содержания НЦ анц=2-8%, МП амп=2-10%, числа оборотов мешалки N=350-750 об/мин и глубины установки лопастей мешалки h=22-80 мм.

Высушенные гранулы рассеивались на фракции, по фракционному составу определяется эквивалентный диаметр гранул dэкв.

Результаты опытов при донном расположении лопастей мешалки реактора ^=80 мм) и содержании в расплаве ДМ порошка МП 10% представлены в таблице 1.

В зависимости от содержания в расплаве ДМ коллоксилина гранулы имеют различную форму независимо от интенсивности вращения лопастей мешалки реактора. Так при анц=2-3,5 % гранулы получаются в основном шаровидной, округлой и каплевидной формы. При анц=5-8 % вязкость расплава ДМ существенно выше, поэтому затвердевшие частицы имеют продолговатую форму в виде прямых и серповидных игл.

Для продолговатых гранул игольчатой или каплевидной формы эквивалентный диаметр соответствует их эквивалентному размеру в поперечнике.

Длина гранул-игл составляет от 4 до 10 мм.

Таблица 1 - Зависимость эквивалентного диаметра dэкв и формы гранул ДМГ от рецептурных и технологических факторов

№ п/п Факторы Характеристики

анц, % амп, % об/мин ^кв, мм Форма гранул

1 2 10 350 1,565 шаровидная, округлая

2 2 10 550 0,973 шаровидная, округлая

3 2 10 750 1,126 шаровидная, округлая

4 5 10 350 1,351 продолговатая игольчатая, серповидная

5 5 10 550 0,854 продолговатая игольчатая, серповидная

6 5 10 750 0,785 продолговатая игольчатая, серповидная

7 8 10 350 1,380 продолговатая игольчатая, серповидная

8 8 10 550 1,099 продолговатая игольчатая, серповидная

9 8 10 750 1,033 продолговатая игольчатая, серповидная

10 3,5 10 550 1,354 88,8% шаровидная

Из сравнительного рассмотрения данных таблицы 1, не прибегая к их графическому представлению, можно отметить, что зависимости dэкв(aнц) при всех значениях N имеют минимум при анц~5%. В то же время при N=550 об/мин в интервале содержания коллоксилина от 2 до 5%, где происходит смена механизма формирования гранул от шаровидной и округлой формы к продолговатой игольчатой, эта зависимость имеет максимум при анц~3,5%. Увеличение размера гранул при содержании коллоксилина от 5 до 8% связано с тем, что с ростом вязкости расплава ДМ увеличиваются энергетические потери на его диспергирование.

Из таблицы 1 также следует, что и зависимости dэкв(N) имеют минимум, который с ростом анц смещается в сторону более высоких оборотов.

Аналогичный характер зависимостей выявлен и при амп=2% где получаются гранулы с dэкв=1,0-1,6 мм, а также при амп=10 % и верхнем ^=22 мм) расположении лопастей мешалки.

Оказалось, что наличие максимума на зависимостях dэкв(aнц) характерно для всего интервала содержания металлических порошков в расплаве ДМ (0^=2-10%) и числа оборотов мешалки реактора. Одинаковый характер носят и зависимости dэкв(N).

При верхнем расположении лопастей мешалки зависимость dэкв(aнц), как и в случае придонного их расположения, имеет максимум при содержании НЦ~3,5%.

Таким образом, при «холодном» способе формирования гранул наилучшие результаты - шаровидная, округлая и многогранная форма гранул эквивалентным диаметром 1,0-3,2 мм- получаются при содержании НЦ в ДМ анц=2-3,5% и числе оборотов мешалки реактора 350-550 об/мин.

Отработка технологии «холодного» способа формирования гранул ДМГ на опытно-промыш-ленной установке и приготовление взрывчатого состава на его основе показали, что изготовленные гранулы ДМГ необходимо смешивать с АС сразу после изготовления. При этом образцы ПВВ на его основе удовлетворяют всем требованиям по хранению и использованию по прямому назначению. Однако длительному хранению в летнее время вне состава гранулы ДМГ не подлежат вследствие их слипания.

С целью получения более «крепких» гранул, устойчивых к слёживанию в период хранения и перевозки, проведены исследования по гранулированию расплава ДМ с повышенным содержанием коллоксилина 7% эмульсионным (водно-дисперсион-ным) способом. Содержание компонентов в расплаве ДМ составляло: 83% ДНТ, 7% НЦ и 10% МП.

В реактор 2 (рис. 2) заливалась вода при температуре 60 °С, добавлялась навеска эмульгатора и включалась мешалка. В рубашку реактора подавалась горячая вода температурой 65-75 °С. Высота установки мешалки от дна реактора составляла 5 мм. После растворения эмульгатора при работающей мешалке в реактор заливалась навеска расплава ДМ. В образовавшейся прямой эмульсии «масло в воде» дисперсную фазу (ДФ) составляли капли расплава, а ДС - водный раствор эмульгатора. Для отверждения частиц эмульсии в рубашку подавалась холодная вода из колонки 5. При достижении температуры суспензии 20-25 °С открывался кран в донной части реактора. Суспензия сливалась в приёмную ёмкость, имеющую металлическую сетку с размерами ячеек 0,2 мм. Отделённые от ДС гранулы сушились при температуре 25-27 °С.

Предварительными опытами определены интервалы варьирования технологических факторов. Методом математического планирования эксперимента установлены зависимости эквивалентного диаметра гранул dэкв и их насыпной плотности рнас от температуры дисперсионной среды в реакторе Тр (30-50 °С), объемного содержание дисперсной фазы (водного раствора эмульгатора) в обратной эмульсии плавите-ля 5дФпл (0-42 об. %) и объемного содержания расплава ДМ в прямой эмульсии реактора ^цмр (16-32 об. %).

Уравнения регрессии в кодовых значениях факторов имеют вид:

dэкв= 1,03 8+0,056Тр+0,063 5цфплг0,069^мр+ +0,006Тр5цфпл-0,085Тр^мп-0,0495цфпл^цмр-0,026Тр2+ +0,0035цфпл2+0,005^мр2;

Рнас=0,903-0,001Трг0,0Шцфпл+0,050^мрг г0,004Тр5цфплг0,017Т^цмп+0,0075цфпл^мрг0,029Тр2г г0,0595цфпл2-0,026^мр.

Рекомендованы следующие технологические параметры для производства ДМГ эмульсионным способом: температура дисперсионной среды в реакторе 30-50 °С; объемное содержание дисперсной фазы (водного раствора эмульгатора) в обратной эмульсии плавителя 0-40 %; объемное содержание расплава ДМ в прямой эмульсии реактора 16-25 %.

Для промышленной отработки эмульсионной технологии гранулирования была разработана опытная установка. В заводских условиях ФКП «Авангард»

изготовлены 15 тонн гранул ДМГ по эмульсионной технологии. Ситовым анализом выборочных партий установлено, что значение эквивалентного диаметра полученных гранул составляет 1,3-1,7 мм (рис. 3).

Рис. 3 - Гранулы ДМГ, полученные по водоэмульсионной технологии

Исследованием детонационной способности ДМГ промышленного изготовления при взрывании от промежуточного детонатора из аммонита № 6ЖВ установлено, что критический диаметр детонации составил 51,3...64,4 мм в стальной оболочке и 100,1...120,5 мм в картонной (табл. 2).

Таблица 2 - Детонационная способность ДМГ

№ Материал оболочки dз, мм Нз, мм рзар, г/см3 ^ г Эффект ^Р, мм

1 сталь 35,9 489 0,928 74,6 (г) 51,364,4

2 41,6 529 0,933 81,4

3 51,3 501 0,936 81,4

4 64,4 706 0,940 210

5 80,3 435 0,932 340

6 картон 80,6 827 0,934 385 (г) 100,1120,5

7 100,1 835 0,937 360

8 120,5 834 0,940 580

Примечание: dз - диаметр заряда; Нз - высота заряда; рзар -плотность заряда, при насыпной плотности 0,81 г/см3; тд -масса промежуточного детонатора; (г) отказ, (+) детонация; dкр - критический диаметр детонации.

На основе ДМГ, аммиачной селитры и стабилизирующей добавки разработана рецептура новой взрывчатой композиции «ДИТОЛАН-СГ» марки СГ1 с содержанием минерального масла 1% и марки СГ2 без масла для механизированного заряжания шпуров и скважин в сульфидных рудах.

Предварительные испытания «ДИТОЛАНа-СГ» на разработках сульфидных руд показали, что пнев-мозаряжание шпуров происходило непрерывно, случаев налипания компонентов на стенки зарядных шлангов не выявлено, качество дробления горной породы признано удовлетворительным.

Заключение

1. Разработаны варианты и элементы технологии водоэмульсионного способа получения динитрото-луола модифицированного гранулированного, пред-

назначенного для использования в качестве горючего компонента в составах ПВВ для механизированного заряжания.

2. В результате отработки технологии гранулирования показано, что «холодный» способ, в котором расплав динитротолуола модифицированного диспергируется в холодный водный раствор эмульгатора, позволяет получать гранулы шаровидной и округлой формы эквивалентным диаметром 1,0-3,2 мм при содержании нитроцеллюлозы в расплаве 23,5 масс. % и числе оборотов мешалки реактора 350550 об/мин.

3. Исследованиями установлено, что при содержании нитроцеллюлозы в расплаве динитротолуола 5-8 масс. % процесс гранулирования с получением гранул округлой и шаровидной формы эквивалентным диаметром 1,3-1,7 мм можно осуществлять водоэмульсионным способом, в котором расплав диспергируется в горячем водном растворе эмульгатора. Рекомендованы следующие значения технологи-

ческих параметров: температура дисперсионной среды в реакторе 30-50 °С; число оборотов мешалки реактора 350-550 об/мин; объемное содержание дисперсной фазы в обратной эмульсии плавителя 0-40 %; объемное содержание расплава ДМ в прямой эмульсии реактора 16-25 %.

4. Исследована детонационная способность ди-нитротолуола модифицированного гранулированного промышленного изготовления; установлено, что критический диаметр детонации при плотности заряда

0.93.0,94 г/см3 составляет 51,3-64,4 мм в стальной оболочке и 100,1-120,5 мм в картонной.

Литература

1. Пат. РФ 2216529 (2001).

2. Пат. РФ 2444504 (2010).

3. Пат. РФ 2222518 (2000).

4. Пат. РФ 2305674 (2005).

5. В.Ф. Сопин, Оборудование производства сферических порохов. Изд-во КГТУ, Казань, 2007. 196 с.

© Н. А. Покалюхин - канд. хим. наук, доцент каф. ТТХВ КНИТУ; С. А. Кабиров - канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник КНИТУ, bimetal@rambler.ru; А. А. Ибрагимов - генеральный директор ФКП «Авангард»; Р. А. Ибрагимов - канд. техн. наук, зам. ген. директора ФКП «Авангард», ibragimovra@gmail.com.

© N. A. Pokalyuhin - candidate of chemical sciences, professor of department of TSCC in KNRTU; S. A. Kabirov - candidate of technical sciences, a researcher in KNRTU, bimetal@rambler.ru; A. A. Ibragimov - general director of FSOE "Avangard"; R. A. Ibragimov - candidate of technical sciences, deputy general director of FSOE "Avangard", ibragimovra@gmail.com.