
- •Посібник до вивчення спецкурсу «хімічна технологія високомолекулярних сполук»
- •Посібник до вивчення спецкурсу «Хімічна технологія високомолекулярних сполук»
- •Передмова
- •Частина 1. Хімічна технологія виробництва бризантних вибухових речовин вибухові речовини як хімічна система
- •Класифікація бризантних вибухових речовин
- •Загальна характеристика бризантних вибухових речовин
- •Технологія виробництва бризантних вибухових речовин
- •Технологічне оформлення процесів нітрування
- •Порядок зливу компонентів
- •Число стадій процесу
- •Оборот кислот
- •Циклічність процесу
- •Кислотне господарство
- •Нітрувальна активність кислотних сумішей
- •Апаратурне оформлення процесів нітрування
- •Апарати для відокремлення нітропродуктів і відпрацьованих кислот
- •Схеми й конструкції установок
- •Технологія отримання основних ароматичних нітросполук (с-no2)
- •Технологія отримання тротилу
- •Технологія отримання динітронафталіну
- •Технологія отримання нітропохідних амінів (n – no2) Тетрил (2,4,6 - тринітро - n - метилнітроанілін)
- •Отримання тетрилу з диметиланіліну
- •Отримання тетрилу із динітрохлорбензолу й метиламіну
- •Технологія нітропохідних аліфатичних амінів
- •Технологія нітропохідних гетероциклічних амінів
- •Технологія отримання гексогену
- •Отримання гексогену нітролізом за дві стадії
- •Отримання гексогену оцтовоангідридним методом
- •Технологія отримання октогену
- •Бризантні вибухові суміші
- •Суміші й стопи індивідуальних вибухових речовин
- •Класифікація промислових вибухових речовин
- •Гранулотол і алюмотол
- •Промислові вибухові речовини на основі аміачної селітри
- •Аміачна селітра та її властивості
- •Найпростіші гранульовані вибухові речовини
- •Гранульовані амоніти й грамонали
- •Порошкоподібні вибухові речовини
- •Водомісткі вибухові речовини
- •Водомісткі вибухові речовини для відкритих робіт
- •Водомісткі вибухові речовини для підземних робіт
- •Емульсійні вибухові речовини
- •Вибухові речовини зі вмістом нітроефірів
- •Запобіжні вибухові речовини
- •Вогнегасники в складі запобіжних вибухових речовин
- •Особливості селективно - детонуючих запобіжних вибухових речовин
- •Асортимент вітчизняних запобіжних вибухових речовин
- •Список рекомендованої літератури
- •Е.О.Спорягін, о.Ю.Нестерова
- •Посібник до вивчення спецкурсу
- •«Хімічна технологія
- •Високомолекулярних сполук»
Технологія отримання тротилу
Сучасне виробництво тротилу базується на застосуванні безперервного протитечійного нітрування, що забезпечує найменші витрати кислот і проведення процесу за низької температури. Це підвищує вихід тротилу в результаті зниження частки процесів окиснювання.
Нітрування толуолу до тротилу здійснюють за сімома стадіями (рис.6), кожна з яких включає нітратор і сепаратор. На перших двох стадіях відбувається протитечійне нітрування толуолу до МНТ, на наступних п'яти – одержання ди - і тринітротолуолу. Нітратор має U-подібну форму (рис.5).
В одному коліні нітратора встановлена нагнітальна турбіна, що проштовхує рідину вниз і піднімає її на 0,20 – 0,25 м по сусідньому коліну, причому обидва коліна з'єднані верхнім і нижнім перетіканнями.
Рис.5. Апарат нітратор - сепаратор:
1 - нітратор; 2 - сепаратор
Емульсія з коліна з високим рівнем переходить у сепаратор, звідки нітропродукт надходить у наступний, а кислота – в попередній нітратор. У процесі цього здійснюється рециркуляція кислоти між сепаратором і нітратором однієї стадії, що знижує кількість нітропродукту в системі. Нітрування проводять олеумом,
96% - ю і 60% - ю HNO3 (табл.2).
Таблиця 2 – Технологічні режими процесу нітрування
-
№ нітратора
1
2
3
4
5
6
7
Температура, 0С
40
50
70
80
87
92
100
Склад нітрувальної суміші,%
H2SO4
68,9
71,6
81,4
87,1
87,2
87,5
88,0
HNO3
0,5
3,0
4,0
6,0
10,9
14,2
16,0
HNO2
0,3
4,0
5,6
5,9
1,9
0,3
–
H2O
30,3
25
9,0
1,0
–
–
–
Фактор нітрувальної активності, Ф, %
69,3
74,3
95,6
96,6
98,0
100
101,7
Відпрацьовану кислоту, що надходить із другої стадії, звільняють від оксидів азоту продуванням повітрям, що дозволяє зменшити окисні процеси й запобігає комплексоутворюванню толуолу з нітрозилсірчаною кислотою на першій стадії нітрування. Завдяки цьому можна проводити протитечійне нітрування толуолу до МТН із використанням відпрацьованої кислоти із другої стадії. Вихід тротилу становить 87% від теоретичного.
Рис.6. Технологічна схема одержання тротилу:
1 – нітратор; 2 – сепаратор; 3 – змішувач; 4 – резервуар для відпрацьованої кислоти;
5 – промивна колона; 6 – сушильна ванна; 7 – барабан для переробки тротилу у луски; 8 – вага
Температура в нітраторах (рис.5) підтримується автоматично. У разі неконтрольованого підвищення температури вміст нітраторів автоматично скидається в аварійний чан.
В іншому технологічному процесі (рис.7) нітрування реалізується за шість стадій, на кожній установлені один нітратор (V=1,6м3) і один сепаратор (V=0,6м3), за винятком 1 і 3 стадій, на яких є по два нітратори.
Толуол вводять на першій стадії, олеум – на шостій, вони рухаються протитечією. HNO3 подають у всі нітратори. На першій стадії толуол нітрується до МНТ, а на наступних – до ди – й тринітротолуолу. Температура в нітраторах послідовно підвищується: 50, 55, 70, 80, 85, 90, 95, 1000С.
Нітратор (рис.8), використовуваний у схемі (рис.7), є циліндрична посудина з мішалкою, змонтованою всередині тягової труби, яка знаходиться в центрі нітратора.
Рис.7. Технологічна схема нітрування толуолу до ТНТ:
1 – резервуар для приймання відпрацьованої кислоти; 2 – резервуар з толуолом; 3 – резервуар з промивальною водою; 4 – резервуар зі слабкою HNO3 ;5 – 12 – нітратори; 13 – 19 – сепаратори; 20 – резервуар з концентрованою HNO3 ; 21 – резервуар з олеумом; 22 – резервуар для
приймання сирого ТНТ
Мішалка забезпечує необхідне перемішування і створює перепад тиску між тяговою трубою і нітратором, що є рушійною силою для перетікання рідини з нітратора в сепаратор і в протилежному напрямку. Така система тяги забезпечує внутрішню рециркуляцію відпрацьованої кислоти і зовнішній протитечійний рух кислоти й продукту, який нітрують. Внутрішня рециркуляція дозволяє підтримувати відповідну температуру в сепараторі, а також змінювати в нітраторі співвідношення об'ємів органічної та мінеральної фаз. Останнє визначає час перебування продукту, який нітрують, у зоні реакції.
Рис.8. Схема нітратора із сепаратором:
1 – відстійник; 2 – сепаратор; 3 – труба для емульсії кислоти і нітропродукту; 4 – труба для
рециркуляції; 5 – нітратор
Відпрацьована кислота виходить із сепаратора через відстійник, що дозволяє регулювати силу потоку, і направляється в попередній нітратор, а із сепаратора першої стадії – на денітрацію. Сирий тротил із останнього сепаратора надходить на очищення від залишкової кислоти й домішок ізомеру.
Промивання тротилу від кислоти: тротил-сирець, отриманий у відділенні нітрування, містить 3 – 5% кислоти, яку необхідно відмити водою. Застосування лугу для нейтралізації кислоти під час остаточного промивання не допускається з метою уникнути одержання високочутливих і малостійких металевих похідних тротилу. Тротил (у розплавленому стані) промивають гарячою водою, при цьому крім мінеральної кислоти в розчин переходить також частина продуктів побічних реакцій (тринітрокрезол, тринітробензойна кислота). Промивання тротилу проводять в апаратах безперервної дії (аналогічних до установок нітрування) за протитечійного руху тротилу й промивної води. Це знижує кількість промивної води до мінімуму, а отже, скорочує втрати тротилу й зменшує кількість токсичної промивної води. Тринітробензойна кислота під час гарячого промивання частково перетворюється на тринітробензол:
Очищення тротилу: тротил, одержують зі вмістом до 5% несиметричних ізомерів ТНТ. Промитий тротил-сирець із температурою замерзання не нижче 77,40C містить до 6% домішок, що являють собою головним чином несиметричні ізомери три - та динітротолуолу, а також тетранітрометан, продукти окиснювання тощо. Ці домішки спричиняють зниження температури затвердіння тротилу і погіршують його експлуатаційні якості (надають оливистості). Очищають тротил-сирець хімічними або фізичними способами.
Хімічні способи очищення тротилу ґрунтуються на перетворенні домішок шляхом впливу на них різними реагентами на розчинні у воді сполуки. Одним із широко використовуваних реагентів є сульфіт натрію, що реагує на холоді з несиметричними ізомерами ТНТ, утворюючи динітротолуолсульфонати натрію,
добре розчинні у воді:
Тетранітрометан досить легко взаємодіє з Na2SO3 (кінцевий продукт – тринітрометан):
C(NO2)4 + Na2SO3 + H2O → C(NO2)3H + NaNO2 + NaHSO4.
Із тринітробензолом Na2SO3 утворює адитивну сполуку яскраво-червоного кольору, легко розчинну в розведених розчинах Na2SO3. Продукти окиснення фенольного типу також легко розчиняються в розведених розчинах Na2SO3, утворюючи феноляти. Розведені розчини Na2SO3 на ДНТ, динітробензол, тринітро-м-ксилол не діють (тротил на сульфітному очищенні повинен містити мінімальну кількість цих сполук). Розчинність α - ТНТ у розчинах Na2SO3 з підвищенням концентрації розчину й температури зростає. Тому необхідно працювати з розведеними розчинами Na2SO3. Якщо очищення проводять за 800С, то концентрація розчину не більше 2%; за 600С і нижче - концентрація 5 – 6%.
Основними апаратами майстерні сульфітного очищення є кристалізатори й вакуумні лійки. У кристалізатор за умов працюючої мішалки заливають гарячу воду (800С) і розплавляють тротил у співвідношенні 1:1 (за об'ємом). Включивши вентиляцію, суміш охолоджують до 56 – 580С і доливають 10 – 15% - й розчин Na2SO3 у такій кількості, щоб його концентрація в кристалізаторі дорівнювала
2,5 – 3%. По закінченні очищення масу із кристалізатора спускають на лійку й відсмоктують сульфітний матковий розчин у спеціальний приймач. Потім тротил промивають теплою водою. Сульфітну воду (матковий розчин) і промивну кислу воду не можна змішувати. Їх необхідно направляти в різні вловлювачі, тому що сульфітна вода містить натрієву сіль динітротолуолсульфокислоти CH3C6H2(NO2)2SO3Na, Na2SO3 і NaNO2. У результаті змішування цієї води з кислою водою, що містить Н2SO4, можуть відбутися такі реакції:
Na2SO3 + 2Н2SO4 → 2NaНSO4 + Н2О + SO2;
Натрієва сіль нітроамінотололсульфокислоти, що утворюється, у кислому середовищі діазотується:
К
інцевий
продукт реакції нітродіазотолуолсульфокислота
нестійка до температурних впливів і
дуже чутлива до удару, внаслідок чого
її утворення небезпечне й небажане.
Рис.9. Схема безперервного промывання розтопленого тротилу прямоструминним проточним методом:
1 – промивні колони; 2 – сепаратори.
Порівняно легко відбувається сульфітне очищення розтопленого тротилу безперервним методом (рис.9), однак ступінь очищення при цьому нижчий і більші втрати α - ТНТ унаслідок високої температури, за якої проходить процес. Під час очищення розтопленого тротилу необхідне тонке емульгування для збільшення контакту реагуючих компонентів. У цьому випадку температура затвердіння сирцю може бути підвищена на 2 – 2,20С.
Фізичні способи очищення: сульфітний метод очищення має досить істотні недоліки – великі незворотні втрати продукту (до 10%) і утворення значної кількості дуже токсичної відпрацьованої води. У разі фізичних способів очищення (перекристалізація із розчинника або промивання кристалів розчинниками) втрати тротилу знижуються. Домішки, виділені з розчинника, можуть бути використані як ВР. Схема безперервної кристалізації тротилу із НNO3 наведена на рис.10.
Установка складається з п'яти послідовно з'єднаних кристалізаторів, із оболонками для охолодження і мішалками. Перетікання маси з одного кристалізатора в інший відбувається по трубах через кишені. Із останнього апарата кристали евакуюються шнеком.
У першому кристалізаторі під кришкою встановлений маленький апарат із мішалкою для розчинення тротилу. У нього подають розтоплений тротил і НNO3.Отриманий розчин перетікає через кристалізатор G1, що підігрівається, другий охолоджується, у ньому починається кристалізація, що закінчується в п'ятому апараті.
Рис.10. Схема безперервної кристалізації тротилу з азотної кислоти:
1 – апарат для розчинення; 2, 7 – мішалки; 3 – патрубок вентиляційної труби; 4 – кишеня для перетікання; 5 – труба для перетікання; G1, G2 ,…G5 – кристалізатори; 8 – оболонка для
охолодження апарату; 9 – шнек.
Сушіння тротилу: тротил сушать в окремій будівлі, оточеній земляним валом. Сушильні агрегати складаються із сушильної ванни й барабана для переробки тротилу. Сушильні ванни являють собою циліндричні або прямокутні апарати, на дні яких є змійовики для глухої пари й повітряні барботери. Сушіння реалізується продуванням стисненого повітря під тиском 30 – 40 кПа через шар розтопленого (90 – 1000С) тротилу. Відпрацьоване повітря разом із вологою йде у вентилятор через трубу у верхній кришці, під якою змонтовані зрошувальні труби
дренчерної системи для гасіння водою у випадку займання тротилу.
Об'єм сушильної ванни визначає швидкість сушіння, що залежить від товщини шару, температури й швидкості продування повітря. Висушений тротил із ванни стікає в корито, що обігрівається, під барабаном для переробки тротилу у луски. Барабан являє собою порожній горизонтальний циліндр, що обертається, охолоджуваний зсередини водою. Він частково занурений у розтоп тротилу і, обертаючись, захоплює на свою холодну поверхню тротил, що застигає тонкою кіркою, а потім знімається з барабана бронзовим ножем. Луски падають у бункер.
Знешкодження стічних вод: вода після промивання забруднена кислотою, а у випадку очищення сульфітним методом – значною кількістю нітротолуолу (вона в цих випадках дуже токсична). Спочатку стічні води пропускають через лабіринт уловлювачів для осадження суспензії тротилу, що знаходиться в них. При цьому вловлювачі для кислих і лужних вод повинні бути розділені для попередження утворення високочутливої ВР – динітродіазотолуолсульфокислоти. Кисла вода, як правило, нейтралізується вапном. Лужні води випарюють і мокрий залишок спалюють разом із залізним каталізатором за температурою 7600С і вище.
Охорона праці й ТБ:отримання тротилу супроводжується вибухонебезпечністю, пожежонебезпекою, можливістю займання тротилу від іскри (температура спалаху 2900С, температура займання 5540С), від контакту з концентрованою HNO3 або її випарами, а також унаслідок сушіння й тривалого його контакту з нагрітими тілами.
Шкідливість технологічних процесів отримання ТНТ полягає в тому, що під час його реалізації виділяються дуже небезпечні речовини. Наприклад, оксиди азоту (у перерахуванні на NO2) і пари азотної кислоти впливають на кров і протоплазму (ГДК = 5мг/м3); пари толуолу впливають на кров, органи дихання, нервові клітини (ГДК = 50мг/м3); пари Н2SO4 (пари SO3 з олеуму) впливають на слизові оболонки (ГДК = 1мг/м3). Крім того, Н2SO4 , НNO3, відпрацьована кислота й промивна вода викликають опіки шкіри.
Приміщення й будівлі, у яких працюють із ВР, повинні бути максимально вогнестійкими і по можливості невисокими. Усі небезпечні майстерні й склади мають бути обваловані. Сховища толуолу повинні бути розташовані поза будівлями. Споруда повинна мати легку фасадну сторону з великими вікнами і вибивний дах.
Нітратори й сепаратори першої та другої стадій повинні бути забезпечені пристроями для подачі вуглекислого газу у випадку пожежі. Необхідна дренчерна система гасіння пожежі. Усередині всіх будинків обов'язкова наявність гідрантів, закільцьованої водогінної мережі.
Для швидкої евакуації людей необхідно, щоб було не менше двох виходів у кожному приміщенні на відстані не більше ниж 15 м від робочого місця. Використовувати треба тільки вибухобезпечне електрообладнання.
Вентиляція: у нітраторах, сушильних камерах та інших подібних апаратах застосовують індивідуальне відсмоктування газів. Гази на абсорбцію необхідно збирати у два різні колектори: перший для газів із апаратів першої стадії, другий – для апаратів другої і третьої стадій, щоб уникнути контакту випарів толуолу з випарами міцної НNO3. Конденсат із цих колекторів необхідно направляти в різні резервуари.