СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ПИРОКСИЛИНОВЫХ ПОРОХОВ
METHOD OF MOISTURE REMOVAL FROM PYRO POWDERS

Данное изобретение относится к области производства мелко- и среднезерненых пироксилиновых пороков, а именно, удаления влаги из пороховых элементов и может быть использовано при изготовлении порохов к артиллерийским выстрелам и патронам спортивно-охотничьего, пистолетного, винтовочного и другого назначения.
В научно-технической литературе известен периодический способ изготовления пироксилиновых порохов разных марок (Горст А.Г. «Пороха и взрывчатые вещества» - М.: Машиностроение, 1972, с.152-155), в котором после удаления растворителей (спирта и эфира) вымочкой пороха в воде осуществляют окончательную его сушку теплым воздухом.
Известен также способ изготовления зерненых пироксилиновых порохов (Гиндич В.И. «Технология пироксилиновых порохов», т.2, Казань, 1995, с.9-11, 19-59, 102-114, 226-234 и др.), согласно которому удаление спиртоэфирной влаги из пироксилиновых порохов производят периодическим способом вымочкой в воде, а последующее удаление водной влаги из пороховых элементов обеспечивают двухступенчатой сушкой. Этот способ является наиболее близким к предполагаемому техническому решению и поэтому выбран авторами в качестве прототипа. По прототипу способ удаления водной влаги из пороховых элементов при изготовлении зерненых пироксилиновых порохов осуществляется следующим образом.
Пироксилиновый порох, после прохождения ряда последовательных стадий обработки, для удаления спиртоэфирной влаги поступает в бассейн с водой, где в процессе вымочки при постепенном повышении температуры воды от 20-25° до 40-45°C, в основном, удаляют спирт, и остаточное содержание летучих компонентов (спирта и эфира) в порохе доводят до требуемого содержания неудаляемых летучих. Затем производят сушку и увлажнение пороха.
Сушка зерненого пороха производится в столовых сушилках путем продувки нагретого воздуха через слой сырого пороха. В процессе сушки из влажного пороха удаляется как свободная (поверхностная) влага, так и большая часть связанной влаги.
Сушку пороха ведут в две ступени. В начале, для прогрева и удаления поверхностной влаги (1-я ступень) подается нагретый до температуры 75°C воздух. После того, как порох прогреется до температуры 50°C, начинается 2-я ступень - собственно сушки. При этом, температуру подаваемого на сушку воздуха понижают до 55°C и продолжают сушку при этой температуре. В зависимости от марки пороха и высоты слоя загруженного в сушилку пороха, время сушки и увлажнения зерненых порохов в столовых сушилках находится, соответственно, в пределах от 20 до 130 ч и от 2 до 10 ч. После сушки порох с содержанием удаляемых летучих веществ в пределах 0,2-0,7 масс.% охлаждают, затем производят его увлажнение до требуемого содержания удаляемых веществ (от 0,7 до 1,8 масс.%), выгружают из сушильного аппарата и подвергают смешению. Данный способ удаления водной влаги используется в настоящее время при изготовлении всех марок пироксилиновых порохов.
Существенным недостатком данного способа удаления водной влаги сушкой при изготовлении зерненых порохов является наличие в технологическом процессе изготовления стадии сушки, которая характеризуется на практике неоднородностью сушки зерненых порохов и высокой пожаро- и взрывоопасностью процесса. Причиной неоднородной сушки пороховых элементов и неоднородного распределения в высушенном порохе остаточной влаги являются как конструктивные, так и технологические недостатки: конструкция сушилки несовершенна, так как продувание горячего воздуха через слой сырого пороха (толщиной слоя около 40 см) производится только снизу вверх и поэтому нижние слои пороха высушиваются значительно быстрее, чем верхние. Это приводит к большим колебаниям содержания летучих веществ в готовом порохе. Кроме того, неоднородной сушке способствует также и то, что, перемешивание пороха в процессе сушки категорически запрещено из-за возможного при этом возникновения статического электричества и, как следствие, появление угрозы пожара и взрыва высушиваемой продукции.
Процесс сушки зерненого пороха осуществляется периодическим способом, в столовых сушилках. К тому же, сушка в них длится весьма продолжительное время (до 20-130 часов для различных марок), поэтому она имеет небольшую производительность (от 50 до 150 кг в час на 1 стол). Процесс сушки этим способом сопровождается также значительными удельными расходами тепловой энергии и большими трудозатратами, связанными с ручной загрузкой и выгрузкой пороха. Кроме того, при ручных операциях выгрузки и перемещения высушенной продукции также имеет место высокая вероятность возникновения в порохе статического электричества, в связи с чем проведение этих работ может привести к опасности пожара и взрыва.
Задачей предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительной и экономичной технологии изготовления мелко- и среднезерненых пироксилиновых порохов, обеспечивающих также высокое качество продукции и пожаро- и взрывобезопасность производства.
Технический результат достигается тем, что при изготовлении мелко- и среднезерненых порохов вытеснение приобретенной в процессе вымачивания пороховых элементов водной влаги (в количестве до 15-20 масс.%) производят этиловым спиртом объемной концентрацией 95-96% под действием центробежной силы по следующему режиму: орошение пороха спиртом при его дозировке (дозировочном коэффициенте) в пределах 0,35-0,50 л/кг - для мелкозерненого пороха (с толщиной горящего свода от 0,20 до 0,35 мм) и 0,50-1,00 л/кг - для среднезерненого пороха (с толщиной свода от 0,40 до 0,60 мм) с одновременным отжимом пороха в течение 2-3 мин и окончательный его отжим в течение не менее 10 мин, причем вытеснение из пороха водной влаги спиртом осуществляют в центрифугах периодического действия (например, ВГ-1000×400, НМ-4 и др.) при рабочей скорости вращения его ротора не менее 1000 об/мин.
При этом, значения остаточного содержания удаляемых и не удаляемых летучих компонентов могут не соответствовать требованиям технологической документации, т.е. может быть завышенное содержание влаги в выгруженном из центрифуги порохе, поэтому для исключения этого явления при изготовлении пороха данным способом, последний подвергается в сушильном или провялочном аппаратах дополнительной подсушке (в одну стадию) нагретым до 25-40°C воздухом в течение не менее 1 часа с одновременным принудительным отводом отработанного воздуха из аппарата или подсушке в вакууме при разрежении не менее 70 мм рт.ст. в течение не менее 1,5 часов.
В процессе орошения пороха спиртом-ректификатом и одновременного воздействия на пороховые элементы центробежной силой добиваются замещения во внутренних слоях пороховых элементов воды спиртом и вытеснение ее на поверхность пороха (то есть, переводят гигроскопическую влажность в поверхностную). После проведения окончательного отжима пороха содержание в нем остаточной влаги, в основном, приближается к требованиям нормативно-технической документации. Если после вытеснения спиртом порох имеет завышенное содержание влаги, то его доводят подсушкой нагретым воздухом до требуемых норм или обработкой в вакууме.
Положительный эффект предлагаемого способа изготовления мелко- и среднезерненого пироксилинового пороха заключается в том, что в процессе его изготовления стадию двухступенчатой сушки (т.е., удаления летучих веществ до принятых норм) и увлажнение пороха заменяют на операцию вытеснения приобретенной во время вымочки водной влаги спиртом-ректификатом под действием центробежных сил и, при необходимости, последующую кратковременную подсушку пороха нагретым воздухом или обработкой в вакууме. При этом замена стадии сушки на ускоренное удаление водной влаги позволяет сократить на 35-40% продолжительность изготовления продукции и примерно настолько же увеличить общую производительность технологической линии.
В то же время, вытеснение из пороха водной влаги спиртом под действием центробежных сил и последующая его подсушка обеспечивают требуемую степень вытеснения водно-спиртовой влаги и более равномерное содержание остаточных не удаляемых веществ в пороховых элементах и, следовательно, стабильное качество выпускаемого пороха, а устранение из технологического процесса изготовления пожаро- и взрывоопасной стадии сушки пороха значительно повышает общую безопасность порохового производства.
Данный способ изготовления распространяется только на получение мелко- и среднезерненых пироксилиновых порохов, в которых, вследствие более плотной упаковки мелких пороховых элементов в слое загруженного в центрифугу продукта вытеснение водной влаги спиртом происходит более эффективно, чем у крупнозерненых порохов. При этом, в противоположность крупнозерненым порохам, у мелко- и среднезерненых пороков в процессе их обработки свободного проскока спирта между пороховыми элементами без вытеснения влаги не происходит.
Способ удаления водной влаги из пороховых элементов при изготовлении мелко- и среднезерненых пироксилиновых порохов по предлагаемому изобретению осуществляется следующим образом:
После извлечения из бассейна вымоченный порох с содержанием влаги в пределах 15-20 масс.% загружают в центрифугу периодического действия, где при ее работе удаление водной влаги из пороха осуществляют вытеснением ее спиртом при следующих технологических режимах:
1. При достижении рабочей скорости вращения ротора центрифуги (например, 1000 об/мин) осуществляют орошение пороха спиртом с дозировкой его для мелко
-зерненых порохов в пределах 0,35-0,50 л на 1 кг продукции и для среднезерненых порохов в пределах 0,50-1,00 л на 1 кг продукции и одновременный отжим пороха в течение 2-3 мин до удаления остаточной влаги примерно до уровня 2,8-4,0 мас.%.
2. При рабочей скорости вращения ротора в течение не менее 10 мин производят окончательный отжим пороха до содержания не удаляемых (водно-спиртовой влаги) 1,9-2,2 мас.% и более. В процессе этого отжима под действием центробежной силы происходит вытеснение водно-спиртовой влаги как из объема между пороховыми элементами, так и изнутри их. При этом, средняя продолжительность операции вытеснения из порохов водной влаги не превышает 0,5 часа.
Выгруженный из центрифуги порох далее направляют на дополнительную кратковременную подсушку нагретым до 25-40°C воздухом в аппарат, в качестве которого могут быть использованы как провялочные, так и сушильные аппараты, которые могут быть размещены в обогреваемом до требуемой температуры помещении, например, в столовую сушилку, где в течение не менее 1 часа производится удаление свободной (между пороховыми элементами) и частично связанной (внутри элементов) спиртоводной влаги и в конечном итоге содержание остаточной водной влаги в порохе доводится до требуемых норм (не более 1,6 масс.% для мелкозерненых и не более 1,8 масс.% для среднезерненых порохов). Для повышения эффективности процесса подсушку осуществляют с одновременным принудительным отводом из обрабатываемого аппарата отработанного (нагретого) воздуха, содержащего пары воды и спирта или при вакууме не менее 70 мм рт.ст. и продолжительности обработки не менее 1,5 часов. После вытеснения влаги спиртом и последующей дополнительной подсушки пороха воздухом или при вакууме не менее 70 мм рт.ст. (в течение 1,5 часов и более) мелко- и среднезерненые пороха по содержанию остаточных удаляемых полностью соответствуют требуемым нормам готовой продукции и далее их передают на последующую обработку по принятой серийной технологии.
Основными отличительными признаками нового способа удаления водной влаги из пороховых элементов при изготовлении мелко- и среднезерненых порохов от прототипа являются:
1. Использование после вымочки для удаления водной влаги из пороха, вместо сушки, операции вытеснения этиловым спиртом-ректификатом объемной концентрации 95-96%, т.е. полное исключение стадии двухступенчатой сушки порохов.
2. Проведение операции вытеснения влаги из пороха, под действием центробежной силы, в используемых в серийном производстве для обезвоживания пироксилинов и коллоксилинов центрифугах периодического действия, при рабочих скоростях вращения ротора (не менее 1000 об/мин).
3. Проведение операции вытеснения в центрифугах по режиму: орошение пороха спиртом при дозировках 0,35-0,50 л/кг - для мелкозерненых и 0,50-1,00 л/кг - для среднезерненых порохов, с одновременным отжимом пороха при рабочих скоростях вращения ротора центрифуги в течение 2-3 мин. и окончательный отжим пороха в течение не менее 10 мин.
4. Последующее осуществление дополнительной кратковременной (в течение не менее 1 часа) подсушки пороха нагретым до 25-40°C воздухом (с одновременным принудительным отводом его из обрабатываемого аппарата) или подсушки в вакууме при его величине не менее 70 мм рт.ст. и при продолжительности его обработки не менее 1,5 часов.
При отработке технологических режимов удаления влаги готовились образцы порохов, обработанные по предлагаемому способу. Примеры, подтверждающие возможность изготовления этим способом некоторых марок мелко- и среднезерненых порохов приведены в таблицах 1 и 2. Их подсушивание нагретым воздухом осуществлялось в промышленной столовой сушилке.
Как видно из представленных в таблице 1 данных, эффективность процесса вытеснения водной влаги из пороха зависит от количества (дозировки) подаваемого на вытеснение спирта: оптимальная его дозировка для мелкозерненых порохов составляет 0,35-0,50 л/кг и для среднезерненых 0,50-1,00 л/кг, причем при меньшей его дозировке (меньше 0,35 л/кг) вытеснение у мелкозерненых порохов (примеры №№1 и 2) влаги осуществляется недостаточно полно (содержание остаточной влаги после подсушки 2,10-2,20 масс.%), а при большей дозировке (более 0,50 л/кг, примеры №№13 и 14) - существенного увеличения необходимой степени вытеснения даже после подсушки нагретым воздухом не происходит. В то же время, при дозировке спирта в пределах 0,35-0,50 л/кг требуемые значения влажности достигаются после дополнительной подсушки воздухом (примеры №№5, 6 и 9, 10). Такая же закономерность влияния дозировки на степень вытеснения наблюдается у среднезерненых порохов (с толщиной горящего свода 0,50-0,55 мм): оптимальная дозировка спирта для вытеснения водной влаги у этих порохов находится в пределах 0,50-1,00 л/кг (примеры 7, 8 и 11, 12). А у пористых порохов, ввиду их специфической структуры и по аналогии с капиллярно-пористой структурой нитратов целлюлозы, вытеснение из них влаги спиртом по новому способу должно проходить еще эффективнее.
Увеличение времени окончательного отжима с 10 до 30 мин и более на достижение требуемого значения влажности образцов пороха (табл.1 примеры 13-16, табл.2 примеры 19-24) сказывается незначительно. В то же время, с увеличением времени отжима до 30 мин резкого снижения содержания влаги образцов пороха также не происходит. Следовательно, окончательный отжим пороха необходимо производить в течение не менее 10 мин.
При этом, достаточная для вытеснения влаги спиртом центробежная сила обеспечивается при скоростях вращения ротора используемых в серийном производстве для обезвоживания пироксилинов и коллоксилинов центрифуг периодического действия (типа ВГ - 1000×4000, НМ-4 и др.) в пределах 1000-1200 об/мин (таблица 2). При меньшей скорости вращения (<1000 об/мин, например, 700 об/мин) эффект вытеснения незначителен (табл.1), с увеличением ее до 1200 об/мин, и выше центробежная сила (фактор разделения)увеличивается и эффект вытеснения влаги будет возрастать. Следовательно, с увеличением центробежной силы эффект вытеснения влаги спиртом усиливается. Однако, в отечественной промышленности центрифуги периодического действия выпускаются только со скоростью вращения ротора не более 1200 об/мин.
Из приведенных в таблицах 1 и 2 экспериментальных данных также следует, что дополнительная кратковременная подсушка пороха позволяет снизить в нем содержание остаточной влаги до 1,2-1,6 масс.%, т.е. до требуемых предельных значений влажности, получаемой по серийной технологии после сушки и увлажнения мелко- и среднезерненых пироксилиновых порохов. При этом, содержание остаточной влаги в порохах находится в достаточно узком интервале значений и, следовательно, изготавливается однородный по содержанию водно-спиртовой влаги порох.
Предлагаемый способ изготовления мелко- и среднезерненых пироксилиновых порохов, по сравнению с прототипом, позволяет:
1. Получить однородный по содержанию водно-спиртовой влаги пироксилиновый порох.
2. Сократить продолжительность удаления влаги из пороха с 20-130 часов до 1,5-2,0 часов.
3. Уменьшить продолжительность изготовления мелко- и среднезерненых пироксилиновых порохов на 35-40% и настолько же увеличить производительность технологической линии их изготовления.
4. Уменьшить в значительной степени удельный расход тепловой энергии.
5. За счет замены стадии сушки на менее опасные операции значительно снизить пожаро- и взрывоопасность производства мелко- и среднезерненых пироксилиновых порохов.
На основе предлагаемого способа возможно создание современных, высокопроизводительных, экономичных и пожаро- и взрывобезопасных промышленных технологий изготовления мелко- и среднезерненых пироксилиновых порохов широкого ассортимента, в том числе и для патронов охотничьего и спортивного назначения.
Таблица 1
Примеры, подтверждающие возможность осуществления способа удаления влаги из мелко- и среднезерненых порохов
№№ примеров
Исходная влажность образца, масс.%
Толщина горящего свода пороха, мм
Дозировка спирта, л/кг
Содержание влаги в порохе, масс.%
Орошение спиртом и отжим (n=1000 об/мин)
Время обработки, мин
1,5
2,0
3,0
3,5
1
10,2
0,22
0,28
6,20*
-
-
-
2
11,0
0,34
0,28
6,00*
-
-
-
3
10,3
0,55
0,45
6,23*
-
-
-
4
12,1
0,50
0,45
6,80*
-
-
-
5
9,95
0,22
0,35
-
3,52
-
-
6
11,80
0,34
0,35
-
3,23
-
-
7
10,0
0,55
0,50
-
3.68
-
-
8
11,88
0,50
0,50
-
3,82
-
-
9
11,22
0,22
0,50
-
-
2,87
-
10
9,40
0,34
0,50
-
-
2,95
-
11
11,88
0,55
1,00
-
-
2,90
-
12
12,10
0,50
1,00
-
-
3,00
-
13
11,10
0,22
0,60
-
-
-
4,00
14
9,80
0,34
0,60
-
-
-
3,55
15
11,25
0,55
1,15
-
-
-
3,80
16
12,00
0,50
1,15
-
-
-
3,95
17 прототип
9,75
0,25
Общая продолжительность сушки и увлажнения порохов - 93 и 72 часа, с конечной влажностью 1,43 масс.% и 1,70 масс.% соответственно
18 прототип
10,93
0,55
Примечание: 1. Примеры, обозначенные *, выполнены при скорости вращения ротора центрифуги 700 об/мин. 2. Средняя продолжительность вытеснения водной влаги из пороховых элементов спиртом и их подсушки на примерах 1-16 составляет 1,5 часа. 3. Пороха с толщиной горящего свода 0,2-0,35 мм относятся к мелкозерненым порохам, а с толщиной 0,40-0,56 мм принято считать среднезернеными порохами
Таблица 1(продолжение)
№№ примеров
Толщина горящего свода пороха, мм
Содержание влаги, масс.%
Окончательный отжим (n=1000 об/мин)
Досушка воздухом (t=35°C)
Время обработки, мин
8,0
10,0
20,0
30,0
60,0
1
0,22
3,50
-
-
-
2,10
2
0,34
3,80
-
-
-
2,20
3
0,55
3,65
-
-
-
2,43
4
0,50
4,10
-
-
-
2,39
5
0,22
-
2,20
-
-
1,40
6
0,34
-
2,10
-
-
1,45
7
0,55
-
195
-
-
1,28
8
0,50
-
2,00
-
-
1,35
9
0,22
-
-
2,00
-
1,13
10
0,34
-
-
1,96
-
1,04
11
0,55
-
-
1,90
-
1,10
12
0,50
-
-
1,92
-
1,40
13
0,22
-
-
-
2,05
1,90
14
0,34
-
-
-
1.90
1,60
15
0,55
-
-
-
1,85
1,75
16
0,50
-
-
-
1,80
1,70
17 (прототип)
0,25
Общая продолжительность сушки и увлажнения - 93 часа, с конечной влажностью 1,43 масс.%
18 (прототип)
0,55
Общая продолжительность сушки и увлажнения - 72 часа, с конечной влажностью 1,70 масс.%
.