способ получения крупнодисперсного сферического пороха
Классы МПК: | C06B21/00 Способы или устройства для обработки взрывчатых веществ, например формование, резка, сушка |
Автор(ы): | Ляпин Николай Михайлович (RU), Латфуллин Наиль Султанович (RU), Енейкина Татьяна Александровна (RU), Арутюнян Андрей Саркисович (RU), Михайлов Юрий Михайлович (RU), Гатина Роза Фатыховна (RU), Хацринов Алексей Ильич (RU), Шутова Ирина Владимировна (RU), Гайнутдинов Марсель Ильдусович (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное казенное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт химических продуктов" (ФКП "ГосНИИХП") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-06-29 публикация патента:
10.01.2012 |
Изобретение относится к области получения сферических порохов (СФП) для стрелкового оружия и малокалиберной артиллерии. Способ получения крупнодисперсного сферического пороха включает приготовление порохового лака при перемешивании нитратцеллюлозных ингредиентов в воде с этилацетатом, диспергирование лака и удаление растворителя. Приготовление порохового лака осуществляют в 6-10 мас.ч. воды по отношению к нитратцеллюлозным ингредиентам, вводят эмульгатор в количестве 2,0-4,0 мас.% по отношению к воде, проводят диспергирование лака и удаляют растворитель в количестве 40 50% от общего залитого объема, охлаждают содержимое реактора до 50°С, останавливают процесс, декантируют избыток воды в количестве 3-6 мас.ч., затем проводят формообразование гранул в течение 60-180 мин при температуре 50-69°С в присутствии 3-6 мас.% эмульгатора и 4-10 мас.% сернокислого натрия по отношению к воде и последующее удаление остаточного количества растворителя. Изобретение обеспечивает увеличение выхода фракции пороха с размером гранул более 1,5 мм и снижение полидисперсности. 1 табл.
Формула изобретения
Способ получения крупнодисперсного сферического пороха, включающий приготовление порохового лака при перемешивании нитратцеллюлозных ингредиентов в воде с этилацетатом, диспергирование лака и удаление растворителя, отличающийся тем, что приготовление порохового лака осуществляют в 6-10 мас.ч. воды по отношению к нитратцеллюлозным ингредиентам, вводят эмульгатор в количестве 2,0-4,0 мас.% по отношению к воде, проводят диспергирование лака и удаляют растворитель в количестве 40-50% от общего залитого объема, охлаждают содержимое реактора до 50°С, останавливают процесс, декантируют избыток воды в количестве 3-6 мас.ч., затем проводят формообразование гранул в течение 60-180 мин при температуре 50-69°С в присутствии 3-6 мас.% эмульгатора и 4-10 мас.% сернокислого натрия по отношению к воде и последующее удаление остаточного количества растворителя.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области получения сферических порохов (СФП) для стрелкового оружия и малокалиберной артиллерии.
Известны способы получения крупнодисперсных порохов по экструзионной (лаковой и дисперсионной) и водно-дисперсионной технологиям [1-3]. Суть экструзионных технологий заключается в том, что формирование частиц пороховой массы выделено в отдельную стадию экструзии шнуров и их резки, а операция формообразования гранул происходит в объемных аппаратах, где исключены условия вторичного диспергирования. Недостатками экструзионных технологий являются достаточно высокая трудоемкость процессов и опасность чистки оборудования от лаков при ремонте.
При изготовлении СФП путем растворения нитратов целлюлозы (НЦ) или НЦ с нитроглицерином в этилацетате (ЭА) в водной среде, диспергировании порохового лака в присутствии эмульгаторов на сферические частицы отмечается низкий выход целевой фракции гранул с диаметром более 1,5 мм.
Наиболее близким техническим решением является способ получения сферического пороха для стрелкового оружия [4], включающий перемешивание в течение 10-15 минут в водной среде смеси пироксилина с возвратно-технологическими отходами и водной суспензией технического углерода, приготовление порохового лака в ЭА, диспергирование лака на сферические частицы и удаление ЭА при нагревании смеси до 92-94°C, отличающийся тем, что перемешивают в течение 10-15 минут в водной среде смесь пироксилина с возвратно-технологическими отходами или возвратно-технологические отходы и водную суспензию технического углерода, при этом в качестве возвратно-технологических отходов используют пироксилиновые и/или баллиститные пороха в количестве 10-100 мас.%, а приготовление лака в ЭА ведут в течение 60-180 минут.
Недостатком способа является низкий выход фракции пороха с диаметром частиц 1,5 мм и более (10-15%).
Целью изобретения является увеличение выхода фракции пороха с размером гранул более 1,5 мм и снижение полидисперсности.
Данная цель достигается тем, что способ получения крупнодисперсного СФП, включающий приготовление порохового лака при перемешивании нитратцеллюлозных ингредиентов в воде с ЭА, диспергирование лака и удаление растворителя, отличается тем, что приготовление порохового лака осуществляют в 6-10 мас.ч. воды по отношению к нитратцеллюлозным ингредиентам, вводят эмульгатор в количестве 2,0-4,0 мас.% по отношению к воде, проводят диспергирование лака и удаляют растворитель в количестве 40 50% от общего залитого объема, охлаждают содержимое реактора до 50°C, останавливают процесс, декантируют избыток воды в количестве 3-6 мас.ч., затем проводят формообразование гранул в течение 60-180 мин при температуре 50-69°C в присутствии 3-6 мас.% эмульгатора и 4-10 мас.% сернокислого натрия по отношению к воде и последующее удаление остаточного количества растворителя.
На первом этапе процесса использование воды в количестве 6-10 мас.ч. необходимо не только для получения гранул сферической формы с диаметром 1,5 мм и более, но и позволяет увеличить выход целевой фракции и обеспечить устойчивость водной дисперсии лаковых частиц. Увеличение содержания воды более 10 мас.ч. нецелесообразно, так как необходимый эффект скругления частиц до сферических достигается. Снижение модуля воды менее 6 мас.ч. приводит к частичной коалесценции крупных лаковых частиц и получению формы, отличной от сферической.
Ввод эмульгатора составляет 2,0-4,0 мас.% по отношению к воде. Уменьшение содержания менее 2,0 мас.% снижает устойчивость дисперсии лаковых частиц и вызывает необходимость в повышении интенсивности перемешивания, приводящей к уменьшению размеров лаковых частиц. Увеличение ввода более 4,0 мас.% вызывает повышенное пенообразование в начале процесса удаления растворителя.
После диспергирования удаляют 40-50% растворителя от общего залитого количества. Увеличение степени отгонки нецелесообразно, так как у частиц уже зафиксирована форма, а остаточное количество ЭА в объеме частицы обеспечивает в дальнейшем возможность изменения формы сферических гранул в дисковые. Недостаточная отгонка растворителя приводит к слипанию частиц в момент остановки мешалки.
На втором этапе осуществляется изменение формы частиц от сферической в дискообразную. Для этого объем декантируемой воды после частичного удаления растворителя составляет 3-6 мас.ч., пропорционально исходному объему, чтобы обеспечить остаточное содержание воды в реакторе 3,0-4,0 мас.ч. Это создает условия формообразования гранул в виде дисков. Увеличение объема декантируемой воды более 6 мас.ч. (при вводе 10 мас.ч.) и уменьшение воды менее 3 мас.ч. не позволяет обеспечить требуемую форму гранул, т.е. соотношение диаметр/ толщина горящего свода. В первом - это соотношение превышает 2,5, во втором - менее 1,8, в результате чего пороха имеют низкую насыпную плотность или дегрессивную форму соответственно.
Формообразование гранул проводят в течение 60-180 мин при температуре 50-69°С в присутствии 3-6 мас.% эмульгатора и 4-10 мас.% сернокислого натрия по отношению к воде. Чем больше размер частиц, тем выше ввод сернокислого натрия и эмульгатора и большая длительность процесса. Повторный ввод эмульгатора необходим в связи с тем, что при повышенных температурах он теряет свою активность. Увеличение повторного ввода эмульгатора до 6 мас.% вместо 4,0 мас.% по отношению к воде обусловлено также более высокой концентраций дисперсии в связи с декантацией воды.
Температура процесса в пределах 50-69°C дает возможность варьировать вязкость сферических частиц в зависимости от остаточного содержания ЭА. Верхний температурный предел ограничен температурой кипения азеотропной смеси ЭА - вода, которая составляет 70,6°C. Снижение температуры менее 50°C не обеспечивает условий протекания деформации сферических частиц из-за уменьшения подвижности системы полимер - остаточный растворитель.
Примеры выполнения способа получения крупнозерненного СФП в пределах граничных условий, за их пределами, а также по известному способу приведены в таблице.
Пример 1. В реактор заливается 60 л воды (6 мас.ч.), загружается 10 кг НЦ-ингредиентов (например, пироксилин 1Пл или НЦ с возвратно-технологическими отходами или баллиститная масса). Смесь перемешивается 10 мин. Затем заливается 40 л ЭА и в течение 30-40 мин готовится пороховой лак. После ввода 120 г (2,0 мас.%) эмульгаторов (мездрового клея и КМЦ) ведется диспергирование порохового лака на сферические частицы, а затем температура в реакторе повышается до 74-76°C и ведется отгонка ЭА (40% от общего количества). Температура в реакторе снижается до 50°C, мешалка останавливается, декантируется 3 мас.ч. воды, мешалка включается, вводится 90 г (3 мас.%) мездрового клея и 120 г сульфата натрия (4 мас.% к воде) и проводится перемешивание в течение 60 мин при температуре 50°C. Затем температура постепенно поднимается до 92-96°C, при этой температуре отгоняется ЭА. Выдержка в конце процесса в течение 20-30 мин. Полученный СФП промывается, фракционируется и сушится.
Остальные примеры выполняются аналогично.
Из данных таблицы видно, что при изготовлении пороха в пределах заявленных параметров (примеры 1, 2, 3) выход целевой фракции увеличивается до 55-65%. Декантация меньшего количества воды, т.е. оставшийся модуль 5,0-7,0 мас.ч. по отношению к НЦ-ингредиентам, приводит к отсутствию деформации частиц (D/2e1=1,0-1,1), что снижает кажущуюся и насыпную плотности пороха (примеры 4, 5). Изготовление пороха по штатным режимам приводит к низкому выходу целевой фракции.
Таблица | ||||||
Режимы изготовления и характеристики пороха, изготовленного по разработанному и известному способам | ||||||
Наименование показателя | По разработанному способу | За пределами граничных условий | По известному способу | |||
Пр.1 | Пр.2 | Пр.3 | Пр.4 | Пр.5 | ||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Масса НЦ, кг | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
Количество воды, л (мас.ч.) | 60 (6,0) | 80 (8,0) | 100 (10,0) | 80 (8,0) | 120 (12,0) | 40 (4,0) |
Перемешивание компонентов, мин. | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
Ввод ЭА, л | 40 | 42 | 45 | 40 | 50 | 40 |
Ввод сернокислого натрия, г (%) | - | - | - | - | - | 100 (1,0) |
Отгонка растворителя при температуре, °C | 74-76 | 74-76 | 74-76 | 74-76 | 74-76 | 75-94 |
Объем отогнанного ЭА, % от залитого | 40 | 45 | 50 | 40 | 50 | 100 |
Снижение температуры до, °C | 50 | 50 | 50 | 45 | 50 | - |
Остановка мешалки и декантация воды, мас.ч. | 30 (3,0) | 50 (5,0) | 60 (7,0) | 20 (2,0) | 70 (7,0) | - |
Включение мешалки и ввод мездрового клея, г (мас.%) | 120 (4,0) | 150 (5,0) | 180 (6,0) | 180 (3,0) | 250 (5,0) | - |
Ввод сульфата натрия, г (%) | 120 (4) | 210 (7) | 300(10) | 180 (2) | 500 (10) | - |
Подъем температуры до, °C | 50 | 65 | 69 | 65 | - | - |
Перемешивание, мин. | 60 | 25 | 180 | 40 | 200 | - |
Отгонка растворителя, °C | 74-96 | 74-96 | 74-96 | 74-96 | 74-96 | - |
Фракция, мм | 1,5-1,8 | 1,8-2,0 | 2,0-3,0 | 1,8-2,0 | 2,0-3,0 | 1,5-1,8 |
Выход, % | 60-65 | 55-60 | 55-60 | 20-30 (частичное образование слипков) | 20-30 (несоответствие формы) | 10-15 |
Физико-химические характеристики пороха: | ||||||
- плотность кажущаяся, г/см3 | 1,64 | 1,63 | 1,62 | 1,38 | 1,56 | 1,47 |
- насыпная плотность, г/см3 | 1,02 | 0,99 | 0,98 | 0,56 | 0,86 | 0,65 |
- соотношение D/2e 1 | 1,8 | 2,2 | 2,5 | 1,0-1,1 | 1,0-1,1 | 1,5 |
Примечания: 1. В качестве стабилизатора химической стойкости вводится дифениламин 0,5 мас.% по отношению к НЦ, сверх 100 мас.% | ||||||
2. D - диаметр зерна, 2e1 - толщина горящего свода |
ЛИТЕРАТУРА
1. Dietman Muller. Изготовление пороха методом экструдирования. Fh G-Berichter. - 1984. - № 3-4. - Р.14-17.
2. Патент 2256636 (Россия). МПК7 C06B 21/00, 25/24, C06D 5/06. Способ получения сферического пороха. - Заявка № 2003134274 от 26.11.2006.
3. Патент № 4285743 (США). Кл. 149/2. МКИ C06B 45/00. Гранулированный порох и метод его приготовления. - РЖХим. - 1982. - 11Н 235П.
4. Патент 2226184 (Россия). МПК7 C06B 21/00, 25/18. Способ получения сферического пороха для стрелкового оружия / Н.М.Ляпин, А.А.Староверов, В.Ф.Сопин и др. - Заявка № 2002108855 от 05.04.2002.
Класс C06B21/00 Способы или устройства для обработки взрывчатых веществ, например формование, резка, сушка