Виробництво пористої аміачної селітри у вихровому потоці

Виробництво пористої аміачної селітри у вихровому потоці

М.О. Кочергін, асп.;

В.І. Склабінський, д-р техн. наук, проф.

Сумський державний університет

Найпростіші вибухові речовини на основі гранульованої аміачної селітри і дизельного палива знайшли, завдяки своїй дешевизні і високій ефективності, широке застосування як у колишньому СРСР, так і в США, Канаді, Англії, Японії. У США і Канаді близько 70% гірської маси, що добувається вибуховим способом на відкритих і підземних розробках, виробляється за допомогою таких речовин [1]. У 1867 р. шведські інженери Н. Ольсон і П. Норбі запропонували застосовувати як найпростіші вибухові речовини суміші аміачної селітри з твердими або рідкими пальними речовинами.

Для досягнення найбільшої ефективності дії таких вибухових речовин необхідно у всій масі гранули створити гарний контакт між частками аміачної селітри й органічною добавкою.

При додаванні 6% рідкого палива до звичайної гранульованої селітри сільськогосподарського призначення воно практично не всмоктується гранулами і залишається на їх поверхні. Після перемішування суміш має вигляд замасленої несипучої зернистої маси. У СРСР такі суміші називали ігданітами. Вони виготовляються безпосередньо на місці застосування і призначаються для використання як вибухові речовини в гірській справі як для відкритих, так і для підземних робіт.

Недоліком ігданітів є швидке стікання рідкого пального компонента з поверхні гранул. Наприклад, через 1,5 г після приготування ігданіту зміст у ньому дизельного палива знижується на 30--70%, тому що воно стікає в нижні шари маси, і ефективність дії такого ігданіту знижується аж до повної відсутності детонації. Тому такі суміші стали випускати на основі спеціально виготовленої пористої аміачної селітри (ПАС).

У колишньому Радянському Союзі така суміш, що одержала назву «грануліт М», виготовлялася не на місці споживання, як ігданіти, а на спеціальних установках, і доставлялася споживачам упакованої в паперових ламінованих (один шар паперу покритий плівкою поліетилену) або поліетиленових мішках. У першому випадку грануліт може зберігатися, не втрачаючи своїх якостей, протягом чотирьох місяців, у другому -- протягом шести місяців. Така сама технологія, заснована на баштовому способі виробництва, зберігається й у країнах СНД.

У наш час провідні закордонні підприємства з випуску азотних мінеральних добрив освоїли випуск гранульованого продукту, що має високі якісні показники. Для одержання такого продукту як устаткування використовують апарати псевдозрідженого шару ("киплячі" і "фонтануючі" шари; фірми "Тоуо Engineering Corp" (ТЕС), "Mitsui Toatsu Chemical Inc." (МТС) та ін.) і апарати окантування (тарілчасті, барабанні гранулятори; фірми "Norsk Hydro", ТVА, "Kaltenbach - Thuring SA"). Для одержання високої якості продукту використовуються нові технологічні принципи, що дозволяють формувати структуру гранули в процесі її формування, чого не може забезпечити баштовий метод виробництва аміачної селітри.

У наш час на Україні відсутні промислові виробництва і методики розроблення технологічних процесів і проектування технологій безбаштового грануляційного устаткування для виробництва ПАС.

Основним показником, що характеризує якість пористої гранульованої аміачної селітри, є вбирна здатність гранул стосовно рідкого палива (наприклад, солярове масло). Цей показник виражається числом грамів, що може поглинути 100 м гранул (г/100 г), і визначається за стандартною методікою.

Показником якості продукту є також величина, яка виражає пористість гранул, що приблизно визначається так називаним об'ємним методом.

Цим методом фіксуються тільки відкриті пори, у які може проникнути рідке паливо. У пористої селітри цей показник відповідає 20% і вище. У звичайної гранульованої аміачної селітри з щільними гранулами він не перевищує 8--10%. Насипна щільність гранульованої пористої селітри (розмір гранул 1--2 мм) коливається від 750 до
850 кг/м⁸.

Дотепер у вітчизняній літературі був відсутній аналіз промислових способів одержання ПАС з погляду мінімізації витрат на створення виробництва ПАС з одночасним збереженням високої якості продукту. У результаті проведеного аналізу існуючі промислові способи одержання ПАС, а також способи, описані в ряді патентів, можна поділити на такі основні групи:

- способи, що базуються на додаванні до аміачної селітри різних поротвірних або поверхнево-активних речовин;

- способи, що базуються на сушінні гранул аміачної селітри з підвищеним змістом вологи;

- способи, що базуються на поліморфних перетвореннях кристалів нітрату амонію, що проходять при термообробці гранул (так називаний спосіб термообробки) [2].

Одержання пористої аміачної селітри за допомогою поротвірних і поверхнево-активних речовин має кілька підходів. Сутність цієї групи способів полягає в тому, що, розподіляючи рівномірно в обсязі плаву або розчину нітрату амонію, легко випаровуються поротвірні речовини випаровуються при подальшій кристалізації і сушінні продукту, у результаті чого в частинках продукту утворяться пустоти і капіляри, що підвищують його сорбционні властивості.

При додаванні до розчину або плаву селітри нелетучих поротвірних речовин, що мають сорбційні властивості, пористість гранул селітри підвищується як за рахунок властивостей самої добавки, так і завдяки створенню в плаву штучних центрів кристалізації, що змінюють кристалічну структуру гранул.

В інших випадках як поротвірний компонент пропонується додавати до селітри порошкоподібну кремінну кислоту або силікоаерозоль, одержуючи при цьому пористу аміачну селітру щільністю 790 кг/м³.

Обробка поверхні часток аміачної селітри поверхнево-активними речовинами (ПАВ) змінює її структуру, створюючи більш сприятливі умови для сорбції рідкого палива. Для надання гранулам нітрату амонію підвищеної пористості їх рекомендується обприскувати водою або розчином УПАВШИ (0,3 до 3%) з подальшим сушінням при температурі 100°С протягом 1 г. Спосіб одноразового або багаторазового зволоження поверхні гранул селітри пропонується й в інших патентах для одержання продукту насипною щільністю 750 кг/м³, збільшеною пористістю і гарними сорбційними властивостями.

Спосіб одержання ПАС шляхом висушування її гранул або кристалів базується на тому, що в гранулах або кристалах аміачної селітри в процесі їх сушіння проходить процес пороутворення. Волога віддаляється різними способами: в апаратах, що працюють при розрідженні, в обертових послідовно включених барабанах або в апаратах із псевдорозрідженим шаром.

Розпорошуючи нагрітий до точки кипіння 85--95% розчин аміачної селітри в теплоізольованій камері, у якій підтримується розрідження близько 20 кПа (150 мм рт. ст.), одержують пористу селітру насипною щільністю 500 кг/м³. За іншим способом упарений у вакуум-апараті розчин аміачної селітри при 130 °С переводять у вакуум-кристалізатор, у якому плав витримують протягом 20 хв при зниженому до 2 кПа (15 мм рт. ст.) тиску і охолоджують при 30 °С. Отриманий продукт має насипну щільність близько 300 кг/м³.

Термічні способи одержання ПАС шляхом термічної обробки її гранул базуються на властивостях кристалічних ґрат нітрату амонію зазнаючи поліморфних перетворень при визначених температурах, що проходять зі зміною обсягу кристалів. За певних умов гранули дещо збільшуються в обсязі і стають менш щільними і більш пористими.

Спосіб термічної обробки іноді поєднують зі зволоженням гранул розчином ПАВ або водою, а також з додаванням у плав тонко здрібнених, що не розчиняються в ньому, речовин. Це дозволяє, варіюючи температури нагрівання й охолодження і циклічність зволоження гранул розчином УПАВШИ, одержувати продукт із заданими якісними показниками.

У рамках проведених на кафедрі «Процеси й устаткування хімічних і нафтопереробних виробництв» (ПОХНВ) робіт з розроблення нових методів одержання ПАС були проаналізовані зазначені вище основні методи одержання ПАС, що дозволило виявити такі недоліки: аміачну селітру одержують баштовим способом, після чого одним із описаних вище способів одержують ПАС, тим більше, що вони не дозволяють достатньою мірою впливати на структуру одержуваної гранули ПАС. Через це вони вимагають значних матеріалоємних, енергоємних і експлуатаційних витрат.

Отримані результати дозволили розробити новий спосіб виробництва ПАС і ряд конструкцій вихрового гранулятора [3,4], що дає можливість не тільки одержувати гранули заданої структури, але і проводити класифікацію гранул за розміром.

В основу гранулятора покладений спосіб гранулювання з розплавів, розчинів і суспензій, що базується на удосконаленні динаміки руху потоку гранул, що забезпечує збільшення монодисперсності гранул, що ростуть у вихровому шарі, і однорідності гранулометричного складу готового продукту.

Характер руху гранул і закономірності їх розподілу по перерізу робочої зони гранулятора багато в чому визначають ефективність теплообміну і гранулоутворення, у тому числі час і висоту падіння гранул. Для опису особливостей і вибору рівнянь руху гранул у грануляторі необхідно, насамперед, установити ступінь скрутності краплі (гранул) і режим їх обтікання газовим потоком.

Формування структури гранул із крапель розплаву під час їх польоту є наслідком процесів нестаціонарного теплообміну, ускладненого дією внутрішнього джерела тепла у вигляді теплоти кристалізації. Оскільки міцність гранули в міру її охолодження (кристалізації) безупинно зростає, важливо встановити таку температуру, при якій співвідношення кристалів речовини і рідкої фази забезпечує необхідну твердість структурі гранули. Охолодження гранул завершується в псевдозрідженому шарі.

Наведений аналіз дозволив також визначити основні напрямки теоретичних і експериментальних досліджень впливу термодинамічних і гідродинамічних умов на структуру одержуваних гранул, пошук шляхів керування структурою гранул за рахунок підбору термодинамічних і гідродинамічних режимів у робочій зоні гранулятора.

Summary

In article the analysis is resulted of methods of receipt of ammoniac saltpetre of porous structure and the basic directions are given of researches for creation of modern productions.

Список літератури

1. Росин Б.Д., Поздняков З.Г. Промислові вибухові речовини: Довідник. - М.: Надра, 1971. - 160 с.

2. Олевський В.М. Технологія аміачної селітри. - М.: Хімія, 1978. - 311 с.

3. Пат. №46560А UA, МКІ B01J2 / 16. Спосіб гранулювання розплавів, розчинів і суспензій і пристрій для його здійснення / О.В. Парьохін, В.І. Склабінський. - Бюл. №5, 15.05.2002.

4. Пат. №39024А UA, МКІ B01J2 /1 6. Спосіб гранулювання розплавів, розчинів і суспензій і пристрій для його здійснення / О.В. Парьохін, В.І. Склабінський. - Бюл. №4, 15.05.2001.