способ обеспечения взрывобезопасности периодических процессов нитрования

Формула изобретения

СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НИТРОВАНИЯ, включающий сброс продуктов разложения через стравливающее отверстие в корпусе нитратора, отличающийся тем, что нитратор заполняют нитромассой на высоту слоя 2/3 от H_кр, а отношение площади сечения стравливающего отверстия к площади свободной поверхности нитромассы устанавливают равным не менее 0,08.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области взрывоопасных химических производств, а именно к процессам нитрования органических соединений. В процессах нитрования органических соединений азотной кислотой образуются конденсированные системы, обладающие взрывчатыми свойствами, в том числе и детонационными. Аварийные явления, сопровождающие процессы нитрования, могут проявляться как в виде обильного газовыделения из всей реакционной массы, перерабатываемой в нитраторе, так и в форме конвективного взрыва (и даже детонации), распространяющегося из очага загорания по массе. Причем первый случай является наиболее распространенным.

Известен способ обеспечения взрывобезопасности нитратов периодического действия, заключающийся в сбросе и нейтрализации начавшей разлагаться нитромассы в аварийную емкость, частично заполненную инертным разбавителем (например, водой), соединенную с дном нитратора посредством трубопровода. Однако применение аварийной емкости не может предотвратить раскрытие (разрушение) нитратора ни в случае обильного газовыделения, ни тем более при возникновении конвективного взрыва. В первом случае стравливание газообразных продуктов в аварийную емкость не может быть реализовано из-за значительной инерционности перетока реакционной массы по узкому трубопроводу в аварийную емкость. В случае возникновения конвективного взрывного процесса, протекающего за сотые доли секунды, данная аварийная система не может справиться с ликвидацией взрыва в нитраторе. Поэтому использование резервных аварийных емкостей на практике ограничивается сбросом и нейтрализацией некондиционной нитромассы, образующейся в результате отклонений процесса от регламентного.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту для предотвращения раскрытия нитратора от обильного газовыделения является сброс продуктов разложения через воздушную трубу, отходящую от незаполненного нитромассой объема нитратора. Однако существующие отводные воздушные трубы имеют фиксированный диаметр (не более 70 мм при диаметрах аппарата 1,5-2,0 м), что является, как правило, недостаточным для нормального стравливания выделяющихся газов (без роста давления в аппарате).

Целью изобретения является обеспечение полной взрывобезопасности нитраторов периодического действия.

Поставленная цель достигается созданием необходимых условий заполнения нитратора и степенью его разгерметизации. Для этого нитратор заполняют нитромассой на высоту не более 2/3 Н_кр, а отношение площади сечения стравливающей воздушной трубы к площади свободной поверхности нитромассы устанавливают равным не менее 0,08. Экспериментально установлено наличие критической высоты слоя продукта Н_кр, при превышении которой во взрывной системе, в том числе и в нитромассе, при возникновении очага поджигания под слоем, послойное горение в массе сменяется взрывным процессом. Опыты показывают, смена режимов разложения от послойного к конвективному происходит резко, при незначительном (на 10-20 мм) превышении Н_кр, т.е. это достаточно четко фиксируемый параметр. Фиксирование факта смены режимов разложения продукта может быть осуществлено либо по резкому увеличению давления продуктов разложения, определяемому датчиком давления в зоне горения, либо по наличию раздутия или дробления оболочки. Величина Н_кр. зависит от природы взрывчатой системы и диаметра емкости. Экспериментальная зависимость Н_кр. от диаметра для наиболее активной нитромассы (HNO₃ 75% хлоргидринстирол 25%) приведена на чертеже. Из этой зависимости видно, что начиная с диаметра емкости, примерно равного 1 м, кривая насыщается и не зависит Н_кр. от диаметра. Поскольку диаметры промышленных нитраторов находятся в интервале значений 1-2,5 м, значение Н_кр. для самой активной нитромассы (HNO₃ 75% хлоргидринстирол 25%) перестает расти при величине Н_кр. 2 м, то это значение Н_кр. можно принять как безопасное для всех существенных нитромасс. Для обеспечения взрывобезопасности процессов производства и переработки нитромасс необходимо данные о показателях взрывоопасности веществ использовать с коэффициентами безопасности:

Н_кр.без. 0,9 (Н_кр. 0,7R), где Н_кр.без. безопасная критическая высота слоя взрывчатого вещества (нитромассы), м;

Н_кр. критическая высота слоя взрывчатого продукта (нитромассы), м;

R воспроизводимость метода определения Н_кр. при доверительной вероятности 95% составляющая 10 мм.

При разложении нитромассы во всем ее объеме для предотвращения раскрытия аппарата в свободном его объеме давление не должно подниматься выше 20-50 кПа, т. е. максимального давления, при котором протекает регламентный процесс. На самой активной нитросистеме (HNO₃ 75% хлоргидринстирол 25%) установлено, что минимальное отношение площади сечения стравливающего отверстия (S_с.о.) к площади свободной поверхности нитромассы (S_с.п.н.м.) должно быть не менее 0,08.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что нитратор заполняется на высоту не более 2/3 Н_кр. Отношение площади сечения стравливающей воздушной трубы к площади сечения нитратора должно быть не менее 0,08. Следовательно, изобретение отвечает критерию "новизна". В известных источниках научно-технической и патентной литературы отличительные признаки не обнаружены.

П р и м е р 1. Трубку из нержавеющей стали внутренним диаметром 20 мм, толщиной стенки 1 мм и прочностью 100-120 кГ/см², закрытую крышкой с тензодатчиком, у которого размещается воспламенитель, заполняют нитросмесью (азотная кислота с хлоргидринстиролом в известном соотношении 75:25). В качестве воспламенителя используют навеску дымного пороха массой 2 г, воспламеняемую накаливаемой от источника напряжения нихромовой проволокой. Длину трубки меняют от 150 до 250 мм через 10 мм. В опытах производят поджигание нитромассы и регистрируют давление продуктов разложения тензодатчиком давления, а также фиксируют состояние трубки (разрушена в результате взрыва или осталась цела). Полученные в опытах данные приведены в таблице.

На основании полученных результатов, критическая высота слоя для синтеза азотная кислота + хлоргидринстирол в соотношении 75:25% составляет:

Н_кр. 200 мм 10 мм

П р и м е р 2. Трубу из нержавеющей стали длиной 1000 мм и внутренним диаметром 200 мм, толщиной стенки 3 мм, закрытую крышкой с тензодатчиком, у которого размещается воспламенитель, заполняют нитросмесью (азотная кислота 75% хлоргидринстирол 25%) на высоту 530 мм. Затем поджигают воспламенитель. В результате опыта взрыв отсутствует.

П р и м е р 3. Цилиндрическую емкость из стального листа длиной 1500 мм, диаметром 1200 мм, толщиной стенки 5 мм, закрытую крышкой с тензодатчиком, у которого размещается воспламенитель, заполняют нитросмесью (азотная кислота 75% хлоргидринстирол 25%) на высоту 1320 мм, затем поджигают воспламенитель. В результате опыта взрыв отсутствует.

П р и м е р 4. Цилиндрическая емкость из стального листа длиной 1500 мм, диаметром 1200 мм, толщиной стенок 5 мм, закрытую крышкой с отверстием 340 мм (что соответствует соотношению сечений 0,08) и снабженную рубашкой для обогрева, заполняют нитросмесью (азотная кислота 75% ХГС 25%) на высоту 1320 мм. Затем перегревают нитромассу до 40^оС (регламентная температура 5^оС). В результате опыта давление внутри емкости отсутствует поскольку продукты разложения стравливаются через отверстие в крышке емкости.

П р и м е р 5. Цилиндрическая емкость из стального листа длиной 1500 мм, диаметром 1200 мм, толщиной стенок 5 мм, закрытую крышкой с отверстием 280 мм (что соответствует соотношению сечений менее 0,08) и снабженную рубашкой для обогрева, заполняют нитросмесью (азотная кислота 75% ХГС 25%) на высоту 1320 мм. Затем перегревают нитромассу до 40^оС (регламентная температура 5^оС). В результате опыта давление внутри емкости составляет 8 кг/см², поскольку продукты разложения не успевают стравливаться через отверстие.