2.7.1.1 Тринитротолуол

Тринитротолуол (тротил, тол, ТНТ) получают нитрованием толуола. Известно шесть изомеров тринитротолуола.

Главное преимущество тротила состоит в том, что, являясь достаточно сильным бризантным ВВ, он обладает сравнительно малой чувствительностью к механическим воздействиям. Это позволяет применять его для снаряжения всех видов боеприпасов, в том числе и бронебойных снарядов.

Для производства тротила имеется большая сырьевая база – толуол и синтетические азотная и серная кислоты. Благодаря высокой стойкости химические и взрывчатые свойства тротила сохраняются даже при длительном (десятки лет) хранении. Ограниченная же реакционная способность позволяет приготовлять на его основе ряд взрывчатых смесей, например, сплавов с гексогеном, смесей с аммиачной селитрой.

Тринитротолуол получается при нитровании динитротолуола серно-азотной кислотной смесью:

СН₃С₆Н₃(NО₂)₂ + НNО₃ СН₃С₆Н₂(NО₂)₃ + Н₂О.

Взрывчатые свойства и применение тринитротолуола. Очищенный тротил представляет собой почти химически чистый -тринитротолуол. Он является хорошим взрывчатым веществом: отличается физической и химической стойкостью, легко прессуется. В чистом виде тротил используют для снаряжения артиллерийских снарядов и авиабомб, а также для изготовления подрывных средств и промежуточных детонаторов.

Тротил широко применяется в виде сплавов с другими взрывчатыми веществами, главным образом, с гексогеном, а также динитронафталином. Наиболее широкое применение, как для военных, так и для мирных целей имеют смеси тротила с аммиачной селитрой. Для снаряжения специальных боеприпасов, в частности, кумулятивных снарядов и мин, применялись смеси из тротила с гексогеном, тротила с гексогеном и алюминиевой пудрой. В настоящее время применение тротила стало еще более многообразным, он входит в состав различных смесей, в том числе и в состав твердого ракетного топлива.

Технология получения тротила. Промышленное производство тротила осуществляется в крупном масштабе, значительно превосходящем масштабы производства других ВВ, что обусловлено более широким применением тротила. Мощность отдельных установок для получения тротила также значительно выше мощности установок для получения других ВВ. Совершенствование способа производства тротила выгодно, так как даже малые преимущества новых процессов ввиду значительных масштабов производства дают большую экономическую эффективность.

Современное производство тротила базируется на применении непрерывного противоточного нитрования, которое обеспечивает

наименьшие затраты кислот и проведение процесса при низкой температуре, что повышает выход тротила в результате снижения доли процессов окисления. Вместе с тем преимущества противоточного метода реализуются только при удачном аппаратурном оформлении. Лучший тип нитраторов для этого метода – аппараты идеального вытеснения. Однако получить полинитросоединение в аппарате подобной конструкции не удается. Поэтому процесс противоточного нитрования осуществляют с разделением на ряд стадий, на каждой из которых должны быть аппараты, выполняющие две функции – нитратора и сепаратора. Большинство предложенных и действующих установок противоточного нитрования толуола состоит из звеньев «нитратор–сепаратор». Процесс является многостадийным с противоточным движением компонентов между звеньями, осуществляемым, как правило, принуди-тельно.

Канадский способ нитрования толуола до тротила осуществляется в семь стадий, каждая из которых включает нитратор и сепаратор (рисунок 2.8).

На первых двух стадиях происходит противоточное нитрование толуола до мононитротолуола, на последующих пяти – получение ди- и тринитротолуола. Нитратор имеет U-образную форму, в одном колене помещена нагнетательная турбина, которая проталкивает жидкость вниз по своему колену и поднимает ее на 20…25 см по соседнему, причем оба колена соединены нижним и верхним перетоками. Эмульсия из колена с высоким уровнем переходит в сепаратор, откуда нитропродукт поступает в последующий, а кислоты – в предыдущий нитратор. В данном процессе осуществляется рециркуляция кислоты между сепаратором и нитратором одной стадии. Нитрование проводят олеумом, 96 %-ной и 60 %-ной азотной кислотой. Отработанную кислоту от нитрования второй стадии освобождают от окислов азота продувкой воздухом, что позволяет снизить окислительные процессы и предотвращает комплексообразование толуола с нитрозилсерной кислотой на первой стадии нитрования. Благодаря этому можно проводить противоточное нитрование толуола до мононитротолуола с использованием отработанной кислоты со второй стадии.

Температура в аппаратах поддерживается постоянной автоматически. При неконтролируемом подъеме температуры содержимое нитраторов и сепараторов автоматически сбрасывается в аварийный чан.

Тротил по-прежнему получают с содержанием до 5 % несимметричных изомеров тринитротолуола. Промытый тротил-сырец с температурой затвердевания не ниже 77,4°С содержит до 6 % примесей, представляющих собой, главным образом, несимметричные изомеры три- и динитротолуола. Эти примеси вызывают понижение температуры затвердевания тротила и ухудшают его эксплуатационные качества (придают маслянистость). Очищают тротил-сырец химическими или физическими способами.

Химические способы очистки тротила-сырца основываются на переводе примесей в растворимые в воде соединения путем воздействия на них различными реагентами. Более удобным реагентом оказался сульфит натрия, и в течение последних 50 лет его широко используют для очистки тротила-сырца. Основными аппаратами мастерской сульфитной очистки являются кристаллизаторы и вакуум-воронки. В кристаллизатор при работающей мешалке заливают горячую воду (нагревают до температуры 80°С) и расплавленный тротил в соотношении 1:1 (по объему). Включив вентиляцию, охлаждают смесь до 56…58°С и приливают 10…15 %-ный раствор сульфита натрия в таком количестве, чтобы концентрация его в кристаллизаторе составила 2,5…3 %.

По окончании кристаллизации массу из кристаллизатора спускают на воронку и отсасывают сульфитный маточный раствор в специальный приемник. Затем тротил промывают теплой водой.

Сравнительно легко осуществляется сульфитная очистка расплавленного тротила непрерывным методом, однако при этом ниже степень очистки и выше потери -тринитротолуола вследствие высокой температуры, при которой идет процесс. При очистке расплавленного тротила необходимо тонкое эмульгирование для увеличения

поверхности соприкосновения компонентов. В таких условиях температура затвердевания тротила-сырца может быть повышена на 2…2,2^оС.

Установка непрерывного действия для промывки расплавленного тротила водой или водным раствором сульфита натрия состоит из ряда последовательно соединенных чередующихся промывных колонн и сепараторов. При промывке используется прямоток в колонне и противоток между отдельными звеньями установки (колонна – сепаратор). Такой принцип промывки обеспечивает минимальные потери продукта за счет растворения его в промывной жидкости.

По канадскому методу промывку расплавленного тротила водой, а затем раствором сульфита натрия проводят в противотоке в серии U-образных аппаратов, соединенных с сепараторами, конструкция которых аналогична принятым при нитровании. Очистку ведут при максимальной рециркуляции, поддерживая температуру 80°С.

Сушильные агрегаты состоят из сушильной ванны и барабана для чешуирования тротила. Сушильные ванны представляют собой либо цилиндрические, либо прямоугольные аппараты, на дне которых имеются змеевики для глухого пара и воздушные барботеры. Сушку проводят продуванием сжатого воздуха под давлением от 30 до 40 кПа через слой расплавленного (нагретого до температуры 90…100°С) тротила. Высушенный тротил из ванны стекает в обогреваемое корыто под барабаном для чешуирования. Барабан для чешуирования представляет собой полый горизонтальный цилиндр, охлаждаемый изнутри водой. Под барабаном расположено корыто с паровым змеевиком на дне, в которое из сушильной ванны поступает расплавленный тротил. Барабан, частично погруженный в расплавленный тротил, вращаясь, захватывает на свою холодную поверхность тротил, который застывает тонкой коркой. Застывший тротил снимается с барабана в виде чешуек бронзовым ножом и падает в бункер.