2.3 Холодильники для охлаждения эмульсии

нитроэфир–отработанная кислота

Для охлаждения эмульсии нитроэфиротработанная кислота, выходящей из инжектора-нитратора, используются теплообменники змеевикового типа производительностью по нитроэфиру от 50 до 1600 кг/ч (рисунок 2.2).

Холодильник состоит из корпусов 1, 2 и змеевика 3. Охлаждаемая эмульсия за счёт давления, сообщаемого инжектором, движется по змеевику сверху вниз, а хладоагент подаётся противотоком в межтрубное пространство холодильника, где под действием направляющих перегородок движется по восходящей винтовой линии к выходному патрубку.

В качестве охлаждающего агента используется рассол (раствор кальциевой селитры в воде), имеющий температуру от минус 14 до минус 19 °C.

Рисунок 2.2 – Холодильник эмульсионный односекционный: Б, Б₁ – вход, выход эмульсии; В, В₁ – вход, выход охлаждающего агента

В таблицах 2.6 и 2.7 приведены основные характеристики и размеры холодильников эмульсии Таблица 2.6 – Характеристики эмульсионных холодильников

Производительность по нитроэфиру, кг/ч	Поверхность теплообмена, м2	Температура эмульсии, °C		Давление, кгс/см2		Габариты, мм
		на входе	на выходе	в змеевике	в межтрубном пространстве
50	0,45	48–52	15–18	0,5–1,0	4–5	780250250
100	0,98	48–52	15–18	0,5–1,0	4–5	1110335335
200	2,5	48–52	15–20	0,5–1,0	4–5	1230600600
450	3,55	48–52	15–20	0,5–1,0	4–5	745800800
600800	3,6	48–52	15–18	0,5–1,0	4–5	1614900900
12001600	8,2	48–52	15–18	0,5–1,0	4–5	216911001100

Таблица 2.7 – Размеры холодильников (обозначения по рисунку 2.2)

Производительность по продукту, кг/час	Размеры, мм
	H	H1	d	d1	d2/n
50	347	605	254	350	14/2
100	447	935	335	430
200	565	1227	500	600
450	750	1245	800	900	18/4
600800	968	1614	610	750	23/4
12001600	1060	2169	865	1005

2.4 Центробежные сепараторы для разделения эмульсии нитроэфир–отработанная кислота

Сепарация эмульсии нитроэфир–отработанная кислота является наиболее узким местом в непрерывных производствах, ограничивающим их производительность. При использовании статических сепараторов на существующих установках время пребывания эмульсии НГЦ–отработанная кислота в сепараторе для полного разделения на её составляющие фазы должно быть не меньше 20 минут, а в инжекторном процессе нитрации образующиеся эмульсии содержат не более 20 % нитроэфира вместо 40 % в обычном процессе. Соответственно, время сепарации увеличивается до 35 минут и более.

Наиболее эффективным способом, позволяющим в сотни раз сократить объём и загрузку сепараторов взрывчатым веществом, является использование силового центробежного поля, создаваемого в сепараторе центробежного действия.

Известные сепараторы тарельчатого типа и многокамерные не отвечают требованиям техники безопасности нитроглицеринового производства, так как наличие большого числа вставных элементов в сепарирующей зоне обусловливает возможность существования мест, где может произойти застой или механическое воздействие на нитроглицерин. Кроме того, они имеют ограниченное грязевое пространство, кислотный шлам из которого не удаляется в процессе сепарации.

Основные требования, которым должна удовлетворять центрифуга для разделения НГЦ и отработанной кислоты:

• простота конструкции, обеспечивающая доступность изготовления на неспециализированных заводах;

• отсутствие вставных элементов и резьбовых соединений в зоне нахождения отсепарированного нитроэфира;

• отсутствие застойных и грязевых зон;

• малая загрузка взрывчатым веществом;

• безударный вывод отсепарированного ВВ из вращающегося ротора;

• отсутствие мест трения и соударения вращающихся частей;

• надёжная изоляция подшипниковых узлов от нитроэфира и отработанной кислоты.

Исходя из этих требований, выбрана схема сепарации, представленная на рисунке 2.3.

При испытаниях опытного образца центрифуги на имитаторах эмульсии установлено, что производительность центрифуги определяется в значительной мере количеством тяжёлой фракции в эмульсии и соотношением обеих фракций. Для каждого соотношения соответствует определённая максимальная производительность по тяжёлой фракции в пределах объёмных соотношений тяжёлая фракция:лёгкая фракция от 2:1 до 20:1.

Тяжёлая фракция движется в зону действия высокого разделяющего фактора к периферии ротора из насадок с двумя рядами отверстий в каждом из них. Насадки равномерно распределяют эмульсию по высоте ротора и по окружности уровня насадок. Процесс сепарации идёт практически без совместного или параллельного движения фаз на уровне, близком к вводу эмульсии. Отсепарированные фракции отводятся в диаметрально про-тивоположных направлениях.

Наиболее благоприятной формой внутренней полости ротора является торообразная камера, соединённая с центром ротора узкой щелью, образуемой корпусом ротора и крышкой. Такая форма значительно сокращает загрузку ротора лёгкой взрывоопасной фракцией, исключает наличие застойных зон.

В роторе центрифуги имеют место два радиальных потока от уровня ввода эмульсии (поверхности раздела фаз) к периферии и к оси вращения. Одной из особенностей радиальных потоков во вращающемся роторе является возникновение в них окружных скоростей относительно материала ротора. При движении к периферии жидкость отстаёт от ротора, при движении к центру – опережает его.

Рисунок 2.3 – Схема сепарирующего ротора:

1 – труба подачи эмульсии в ротор; 2 – приёмный стакан ротора; 3 – канал ввода эмульсии в сепарирующую часть ротора; 4 – насадок; 5 – канал вывода тяжёлой фракции; 6 – сборник тяжёлой фракции; 7 – канал вывода лёгкой фракции; 8 – вал

Очевидно, что жидкость при движении к периферии ротора, не имеющего рёбер и других элементов, препятствующих его проскальзыванию относительно ротора, отстаёт от него и тем больше, чем дальше удаляется от места ввода. Появляющаяся окружная компонента скорости жидкости относительно ротора достаточно велика, чтобы создать режим течения в этой части ротора, близкий к критическому или даже турбулентный, что мешает выделению мелких частиц дисперсной фазы из среды и тем самым нарушает процесс сепарации.

В результате исследований закономерностей движения двух потоков, расходящегося и сходящегося, между корпусом и крышкой ротора как на имитаторах, так и при испытаниях опытных образцов центрифуг в заводских условиях, были разработаны конструкции центрифуг различной производительности.

Центрифуга ЦТА-2 производительностью до 450 кг/ч нитроэфира имеет в зоне сепарации тяжёлой фазы вертикальную перегородку, препятствующую проскальзыванию жидкости относительно ротора. Такая центрифуга постоянно используется на одном из действующих нитроузлов при получении целого ряда нитроэфиров.

Промышленные центрифуги производительностью 800 кг/ч нитроэфира имеют в роторе 4 перегородки, расположенные по принципу лабиринта. Кроме исключения проскальзывания жидкости они устраняют отрицательное влияние на сепарацию возможных дисбалансов ротора, который вращается в подпружиненных опорах.

Центрифуги типа ЦТ (центрифуги с тороидальной формой ротора) предназначены для разделения эмульсий в центробежном поле с отношением плотностей тяжёлой и лёгкой фаз 1,06 и выше.

Отличительными признаками конструкции центрифуг с тороидальной формой ротора являются:

• тороидальная форма ротора;

• ввод эмульсии в ротор на уровне раздела фаз;

• вывод отсепарированного тяжёлого компонента с периферийной части ротора.

Последнее отличие позволяет за счёт разницы скоростей жидкости и твёрдых стенок ротора уменьшить зашламовывание ротора. Процесс сепарации в роторе поясняется рисунком 2.4.

Рисунок 2.4 – Схема ротора

Эмульсия нитроэфиротработанная кислота поступает в приёмную горловину 1 крышки ротора 2, откуда по каналам 3 через разделяющий козырёк 4 входит в торовую сепарационную камеру 5 по внутренней поверхности отражательной перегородки 6. В сепарационной камере эмульсия разделяется. Поток отсепарированного нитроэфира оттесняется по кольцевой щели 7, образуемой крышкой ротора 2 и корпусом 8, к оси вращения ротора и через отверстия 9 выходит из ротора.

Отсепарированная отработанная кислота под действием центробежных сил движется к периферии ротора, проходя последовательно на своём пути через цилиндрические отражательные перегородки 6, 10, 11, установленные на крышке и корпусе ротора, и через каналы 12, гравитационное кольцо 13 выходит из ротора. Гравитационные кольца заменяемые, с различным радиусом вывода тяжёлой фазы из ротора, что позволяет сепарировать эмульсии с различным соотношением плотностей фаз.

Разработана серия центрифуг типа ЦТ производительностью от 100 до 1600 кг/ч по нитроэфиру.

Центрифуга ЦТ-В представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Центрифуга ЦТ-В

По штуцеру 9 эмульсия поступает во вращающийся ротор 4. Отсепарированный нитроэфир, выходящий из ротора, собирается в приёмнике 6 и самотёком выводится из центрифуги. Отработанная кислота собирается в приёмнике 7 и также самотёком выводится из центрифуги. Приёмники 5 и 8 служат для приёма переливов эмульсии и для освобождения ротора соответственно. Ротор с валом 2 вращается в двух подшипниковых опорах 10 и 11, размещённых в станине 1. Привод центрифуги осуществляется от индивидуального электродвигателя фланцевого исполнения через фрикционную центробежную муфту, позволяющую плавно, за 1–2 мин, через быстроходную винтовую пару 3 разгонять ротор до рабочей скорости.

Для контроля вращения ротора на горизонтальном валу 3 установлена крыльчатка, работающая совместно с тахометром.

Аналогичная конструкция и у центрифуг большей производительности. Технические характеристики центрифуг приведены в таблице 2.8.

Таблица 2.8 – Технические характеристики центрифуг

Тип центрифуги	Производительность по нитроэфиру, кг/ч	Скорость вращения ротора, об/мин	Диаметр ротора, мм	Ёмкость ротора, л	Мощность электродвигателя, кВт	Габариты, мм			Масса, кг
						длина	ширина	высота
ЦТ-В ЦТА-2 ЦТБ-1М ЦТБ-3а	до 100 до 450 до 800 до 1600	3300 4100 3900 3900	325 450 544 640	2,5 4,1 13,0 20,0	2,2 4,0 7,5 10,0	780 935 1370 1600	460 600 690 730	750 930 1165 1225	300 400 650 1295