НИТРАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ НИТРОЭФИРОВ
NITRATOR FOR PRODUCING LIQUID NITROESTERS

Изобретение относится к области производства эфиров азотной кислоты, в частности азотнокислых эфиров глицерина, этиленгликоля, ди- и триэтиленгликоля, 1,2-пропиленгликоля и их смесей, используемых при получении баллиститных порохов, промышленных взрывчатых веществ, жидких унитарных топлив.
Технологический процесс получения нитроэфиров включает несколько стадий: подготовка технологических жидкостей, нитрование исходных спиртов, разделение реакционной смеси, промывка нитроэфиров, удаление нитроэфиров из отработанных кислот, обезвреживание сточных вод, абсорбция окислов азота. Важнейшей стадией является стадия нитрования спиртов, именно на ней обеспечивается основной выход нитроэфиров, стабильность реакционных масс, безопасность процесса. В качестве устройств для нитрования спиртов используют нитраторы, различающиеся по конструкции, производительности, габаритам, принципом смешения компонентов.
На существующих до недавнего времени непрерывных отечественных и зарубежных установках нитрацию ведут в реакторах с механической мешалкой, змеевиком или трубчаткой для отвода теплоты реакции. Эти устройства отличаются высокой загрузкой (300-1000 кг) взрывоопасными продуктами, требуют много времени на запуск и остановку процесса (до 4 часов), размещаются совместно с устройствами сепарации и промывки в обвалованных зданиях.
Более совершенны действующие в ряде стран и в России непрерывные инжекторные установки, не имеющие загрузок нитроэфирами, так как время пребывания реакционных компонентов в нитраторе измеряется 1-2 секундами (патенты Швеции №165427, США №№2217903, 311538, Великобритании №№808103, 735888, 822870).
Наряду с их заметным преимуществом имеется серьезный недостаток в виде необходимости возврата в нитрационный процесс подавляющей части отработанной кислоты (в 2-3 раза больше количества используемой нитрующей смеси азотной и серной кислот), что позволяет затрачивать реакционное тепло на нагрев этих кислот, не допуская повышения температуры нитрации до опасных пределов. Как следствие, резко возрастает нагрузка на сепарационное оборудование по объему разделяемых жидкостей.
Введение в нитросмесь отработанной кислоты с растворенными нитроэфирами усложняет кислотное хозяйство нитроузла, так как получаемые, так называемые рабочие, нитросмеси при хранении требуют постоянного охлаждения, чтобы не допустить разложения в них нитроэфиров. Это особенно усложняется при получении малостабильных в кислотах динитратов ди- и триэтилегликолей.
Нитраторы типа инжектора не могут использоваться на установках с низкой производительностью (ниже 100 кг/ч) из-за необходимости уменьшать диаметр рабочего сопла инжектора до размеров, не позволяющих пропускать частички кислотного шлама, всегда присутствующие в нитрующих смесях. Забивка сопла шламом прерывает процесс нитрования и создает угрозу попадания кислот в спиртовые коммуникации с последующим разложением смеси.
Из уровня техники известно устройство для нитрования спиртов по патенту РФ №91717 на полезную модель (опубл. 27.02.2010 г.), содержащее корпус с крышкой, вращающийся на валу элемент, в полость которого введены трубки подачи нитрующей смеси и спирта, для которых в крышке выполнены отверстия.
Данное устройство позволяет вести нитрование спиртов при низких соотношениях нитрующих кислот и спирта и при температуре до 100°С. Но при этом обязательным требованием является его размещение в большом реакторе, заполненном водой. Разогретая реакционная смесь для предотвращения разложения сразу же сливается в большой объем воды. После накопления некоторого количества нитроэфира далее его отделение от разбавленной кислотной смеси и последующая промывка осуществляются в периодическом режиме. Для организации непрерывного процесса такой нитратор неприемлем в силу своих конструктивных особенностей.
Из патента РФ №2188817 (опубл. 10.09.2002 г.) известен принятый за прототип нитратор для получения жидких нитроэфиров, содержащий заключенную в корпус с крышкой и вращающуюся на вертикальном валу открытую сверху тарель с закрепленным на ней посредством радиальных перегородок диском и оснащенную загнутыми вверх бортами, образующими торообразную полость, и введенные внутрь торового пространства смесительную трубку, конец которой направлен навстречу вращения тарели и расположен с минимально возможным зазором относительно поверхности тарели, трубку для подачи нитросмеси в центр тарели и трубку для подачи спирта с размещением ее от заборного конца смесительной трубки на расстоянии, соответствующем углу поворота тарели вокруг своей оси на 100-180°.
По времени пребывания реакционных жидкостей и по загрузке нитроэфирами нитратор по прототипу не отличается от инжекторов. Нитросмесь и нитруемый спирт поступают в нитратор самотеком без напора, что позволяет не ограничивать нижний предел его производительности. Наличие кислотного шлама не оказывает влияния на ход процесса нитрования.
Но при эксплуатации такого нитратора выявлено разбрызгивание реакционной жидкости при входе в смесительную трубку, в результате чего капли попадают на внутреннюю поверхность корпуса нитратора. Капли реакционной жидкости, состоящей из отработанной кислоты и нитроэфира, содержащего растворенные кислоты, попадающие на неохлаждаемую поверхность, становятся источником разложения нитроэфира, сопровождающегося ростом температуры и выделением газообразных окислов азота. Особенно большую взрывоопасность представляют капли чрезвычайно нестабильных реакционных масс, содержащих динитраты диэтилен- и триэтиленгликолей.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка нитратора для получения жидких нитроэфиров, позволяющего повысить безопасность процесса нитрования спиртов за счет создания условий для гарантированного предотвращения попадания капель реакционной жидкости на поверхность корпуса нитратора и исключения их разложения без применения охлаждения при одновременном сохранении малых габаритов нитратора и времени пребывания в нем на уровне прототипа.
Поставленная задача решается заявляемым нитратором для получения жидких нитроэфиров, содержащим заключенную в корпус с крышкой и вращающуюся на вертикальном валу открытую сверху тарель с закрепленным на ней посредством радиальных перегородок диском и оснащенную загнутыми вверх бортами, образующими торообразную полость, и введенные внутрь торового пространства смесительную трубку, конец которой направлен навстречу вращения тарели и расположен с минимально возможным зазором относительно поверхности тарели, трубку для подачи нитросмеси в центр тарели и трубку для подачи спирта с размещением ее от заборного конца смесительной трубки на расстоянии, соответствующем углу поворота тарели вокруг своей оси на 100-180°. Особенность заключается в том, что нитратор снабжен отбойником в виде вертикально размещенной криволинейной пластины с незамкнутой цилиндрической поверхностью, в поперечном сечении представляющей собой дугу сегмента с центральным углом, составляющим 180°, начало пластины расположено в зоне заборного конца смесительной трубки с последующим продолжением по ходу вращения тарели, при этом верхний торец пластины прикреплен к внутренней поверхности крышки корпуса, а нижний торец отогнут под углом 25-35° и введен в торовое пространство тарели, при этом радиус дуги отбойника меньше радиуса кромки загнутых бортов тарели.
Проведенный сопоставительный анализ показывает, что предлагаемый нитратор отличается от прототипа наличием отбойника пространственной конфигурации, закрепленного на крышке корпуса.
В уровне техники отсутствует нитратор для получения жидких нитроэфиров, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков, но именно такое сочетание позволило решить поставленную задачу.
Из уровня техники известны технические решения, в которых имеется такой элемент, как отбойник.
Патент РФ №2076675 - горизонтально расположенный отбойник в виде плоской пластины, патент РФ №2220759 - два вертикальных отбойника в виде плоской пластины каждый, патент РФ №2346723 - горизонтально расположенный отбойник в виде плоской пластины, патент РФ №108320 на полезную модель - два горизонтально расположенных дискообразных отбойника, патент РФ №135645 на полезную модель - колено неравноплечной трубки, выполняющее функцию отбойника.
Все известные разработки решают каждая свою задачу и не направлены на создание малогабаритного нитратора, содержащего отбойник в качестве конструктивного элемента. В ходе анализа известных технических решений не была подтверждена известность влияния отличительного от прототипа признака (отбойник) на повышение безопасности процесса получения жидких нитроэфиров за счет гарантированного предотвращения попадания капель малостабильной взрывоопасной реакционной жидкости на внутреннюю поверхность корпуса нитратора и исключения их разложения. При этом следует отметить, что известные отбойники имеют отличную от предлагаемого отбойника форму и иное размещение внутри устройств.
Конструкция предлагаемого нитратора для получения жидких нитроэфиров иллюстрируется графическим изображением.
На Фигуре представлен продольный разрез нитратора с отбойником.
Нитратор содержит корпус 1 с крышкой 2, вращающуюся на вертикальном валу тарель 3 с закрепленным на ней диском 4, смесительную трубку 5, трубку 6 для подачи нитросмеси, трубку 7 для подачи спирта. К внутренней поверхности крышки 2 корпуса 1 прикреплен, например приварен, отбойник 8, выполненный из кислотостойкого материала, например из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
Величина угла, под которым нижний торец отбойника 8 отогнут внутрь торового пространства тарели 3, является оптимальной, обеспечивает надежный сброс капель реакционной массы в торовое пространство. При уменьшении величины угла ниже нижнего заявляемого предела сброс капель будет происходить не только в торовое пространство тарели 3, но и частично на поверхность диска 4, задерживаясь на нем. При увеличении величины угла выше верхнего заявляемого предела возможна задержка капель на поверхности отбойника 8. Выход величины угла за заявляемые пределы может способствовать ускорению разложения нитроэфира, содержащегося в каплях реакционной жидкости, что недопустимо по условиям безопасности.
Нитратор работает следующим образом. Нитросмесь и нитруемый спирт подают соответственно по трубкам 6 и 7. Соотношение между нитросмесью и спиртом выбирают таким, чтобы температура нитрования не превышала допустимых значений, например при нитровании глицерина 55°С, диэтиленгликоля - 41°С. Попадая на поверхность тарели 3 нитросмесь по зазору между диском 4 и поверхностью тарели 3 отбрасывается к ее периферии в торовое пространство. Туда же подают нитруемый спирт. Обе жидкости со скоростью, соответствующей окружной скорости вращения тарели 3, загоняются в смесительную трубку 5 в виде турбулентно перемешиваемого тонкого слоя, который по мере торможения у стенок трубки 5 постепенно увеличивается. Разбрызгивание реакционной жидкости при входе в смесительную трубку предотвращает отбойник 8. Кроме жидкостей в смесительную трубку 5 загоняется поток воздуха, захватываемый вращающейся тарелью 3. На выходе из нитратора образуется насыщенная воздухом реакционная смесь, разогретая до заданной температуры в зависимости от нитруемого спирта.
Заявляемая конструкция нитратора прошла эксплуатационные испытания на действующей установке по получению нитроэфиров в АО «ФНПЦ «Алтай», имеющей производительность 50 кг/ч, имеющей две ступени нитрации, между которыми осуществляют промежуточное охлаждение реакционной смеси. 60% спирта нитруют в первом нитраторе, остальные 40% - во втором нитраторе. Использовали нитраторы с диаметром тарели 80 мм, с внутренним диаметром смесительной трубки 6 мм, частота вращения тарели составляла 3000 об/мин. Нитрованию подвергали циклогексанол, который чрезвычайно легко окисляется при контакте с нитросмесями в условиях недостаточного смешения. В качестве нитросмеси использовали смесь серной и азотной кислот.
Тщательный контроль за работой нитраторов подтвердил полное отсутствие капель реакционной смеси на внутренней поверхности корпуса нитратора. Все капли попадают на поверхность отбойника и сбрасываются внутрь тарели.
Таким образом, предлагаемый нитратор для получения жидких нитроэфиров практически реализуем и позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи с получением при осуществлении изобретения по прототипу.