CN104034214B - 以超临界流体进行弹头脱药的方法 - Google Patents
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Abstract
一种以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，该方法包括：将一含有炸药成份的炮弹弹体置入一分离槽；将一超临界流体供应至该分离槽；该炮弹弹体与该超临界流体接触后，于低于该炸药成份熔点的温度以及在该炸药成份足以被分离的压力的分离条件下，对该炸药成份进行一分离作业；同时对该分离槽进行一超音波振荡步骤，以加速该炸药成份自该炮弹弹体分离的作业过程，其超音波振荡频率预设于0.01兆赫兹－10兆赫兹之间。
Description
发明领域
本发明是关于一种以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，特别是指一种于低温条件下，以超临界二氧化碳流体批次进行三硝基甲苯(2-methyl-1,3,5-trinitrobenzene，TNT)分离脱药的分离方法。
背景技术
如何安全有效地自现役军械库中移除废弃军用弹药受到重大关注，废除军事化计划通常集中在丢弃或破坏。近来基于环境保护，已努力研发回收及/或收回再利用的方法，使军备系统的炸药及较高价值成分可加以回复并再利用在军事用途中。
传统废除军用弹药分离技术包括以熔出、蒸汽/水洗出及溶剂洗出的方式自发射壳体中分离出高能炸药，典型的熔出及蒸汽/水洗熔出法，通常是以高于弹药熔点的温度使高能炸药因相变由固态变成液态，而溶剂洗出法是以溶解高能炸药使的分离，这三种方法的缺点是处理费时，不适用于大量炸药脱药作业，及其所产生的大量污染废水需要庞大费用来再处理，以致处理效率低。
美国专利号5,953,679的发明人Morris揭露一种自高能炸药中萃取三硝基甲苯(TNT)的方法，包括在高于三硝基甲苯熔点的温度(例如85℃)及足以萃取三硝基甲苯的压力(例如37.4MPa)下，使高能炸药与一超临界流体接触。
前述专利是萃取方法的一部分，详细地说，混合物中的特定物质由于不同溶剂的不同溶解度而从一溶剂移到另一溶剂。在该案范例一中，说明三硝基甲苯及黑索今(RDX，Hexogeon)是在一超临界二氧化碳溶剂中的溶解度进行；在范例二及三中，说明如何自B炸药中萃取出三硝基甲苯；在范例四中，首先藉由将炮弹弹体在温度85℃(高于炸药的熔点81℃)中经二氧化碳处理而自弹体中熔出炸药，接着进行萃取以提高效率。在这些范例中，藉由炮弹弹体在高于三硝基甲苯熔点的温度中经二氧化碳处理而自弹体中熔出三硝基甲苯，是熟谙此道人士常用的技术，因此极有可能在熔出槽操作期间会发生不预期爆炸的危险性。
此外，在前述专利的权利要求第1项中是借由弹头弹体在高于三硝基甲苯熔点的温度中经二氧化碳处理而自弹体中熔出三硝基甲苯，而三硝基甲苯受到温度高于三硝基甲苯熔点的环境影响时，会自任何装填封壳中熔出，这显然是熟谙此道者所了解的范围。
熔点是指一物质的固相及液相达到平衡的温度，因此，当一物质处在比它的熔点高的环境中会熔化是正常的，但应特别注意的是，何时一物质会在低于它熔点的温度中熔化。简而言之，前述专利的特征在于，利用三硝基甲苯受到一超临界二氧化碳环境影响时比其他炸药具有较大的溶解度，使自弹壳中萃取出熔化的三硝基甲苯。
现有许多炸药成分在以二氧化碳为基质的超临界流体中也具有极低的溶解度，此外，三硝基甲苯在以二氧化碳为基质的超临界流体中也具有极低的溶解度，因此，自高能炸药中回收三硝基甲苯需要大量以二氧化碳为基质的超临界流体，因而不得不增加费用。例如，美国专利号5,953,679的发明人Morris揭露，在温度65℃及压力27.6MPa的超临界二氧化碳气体中，三硝基甲苯的溶解度是16mg/ml。在温度65℃及压力27.6MPa的超临界二氧化碳气体中，自155mm加农榴弹炮的弹头中萃取出6,600克的三硝基甲苯，要用到412.5公升的超临界二氧化碳液体，萃取槽要有415公升的容量而且处理成本高。或者，在温度65℃及压力27.6MPa的超临界二氧化碳气体中，自155mm加农榴弹炮的弹头中萃取出6,600公克的三硝基甲苯，以每分钟1.5ml的流速进行将会花上190天的时间。因此，如何利用超临界二氧化碳流体对自高能炸药中回收三硝基甲苯是熟谙此道技艺领域的人士亟待解决的问题。
发明内容
将超临界流体技术运用于传统萃取分离步骤中，是近年来迅速发展的化工分离技术。由于二氧化碳的临界温度为31℃，于其超临界状态下的分离程序可在接近室温的条件下进行，且二氧化碳的临界压力(7.39MPa)适中并同时具有不可燃、无毒、化学安定性良好、廉价及容易获得等优点，由此可知超临界的二氧化碳流体非常适于运用在具有高度危险性的炸药工业。
有鉴于此，发明人于是对超临界二氧化碳流体应用在萃取分离炸药三硝基甲苯成份的制程进行改良，提供一种于低温条件下，利用超临界二氧化碳流体以批次式进行三硝基甲苯分离的方法流程，如图1所示，该一种以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，该方法包括：(1)将一含有炸药成份的炮弹弹体置入一分离槽；(2)将一超临界流体供应至该分离槽，该超临界流体是二氧化碳；(3)该炮弹弹体与该超临界流体接触后，于低于该炸药成份熔点的温度以及在该炸药成份足以被分离的压力的分离条件下，对该炸药成份在熔融状态下进行一分离作业；(4)同时对该分离槽进行一超音波振荡步骤，以加速该炸药成份自该炮弹弹体分离的作业过程，其频率预设于4兆赫兹(MHz)之间。
所述的炸药成份包含三硝基甲苯及以三硝基甲苯为基质的炸药的其中一种。
所述的以三硝基甲苯为基质的炸药是选自以下B炸药、阿马图炸药、奥克图炸药及阿猛乃炸药的其中一种。
所述的分离条件包含温度介于50℃至75℃之间，压力介于15MPa至40MPa之间。
所述的分离条件的最适温度为55℃、最适压力为25MPa。
所述的分离作业的过程是以批次式进行，以简化作业流程。
所述的超临界流体的最适温度为55℃、最适压力为25MPa。
本发明解决问题所应用的技术手段以及对照先前技术的功效在于：
借由本发明达成的功效如下：具安全性，因为作为超临界流体的二氧化碳是在小于三硝基甲苯熔点的温度中使用；是对环境友善的方法，因为未因收集目的而使用任何有机溶剂，二氧化碳在分离过程后几乎可以回收再利用，因此不会产生污染；符合经济效益，因为该方法省时且是采批次式进行，三硝基甲苯是在熔融状态下完成分离，结果使三硝基甲苯的分离百分率增加。
此外，同时加入一超音波振荡过程，使炸药加速自弹头分离，即炸药仅在自弹头分离时熔化并进一步自分离槽分离，因此，本发明具有处理时间短、处理温度低及安全性高的优点。
本发明所采用的具体实施例，将藉由以下的实施例及附呈图式作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明以超临界流体进行弹头脱药的方法的流程图；
图2为图1实施例所需的装置示意图；
图3为图2实施例中分离槽的示意图。
具体实施方式
本发明所选用的超临界流体是二氧化碳，在临界点的温度及压力定义为临界温度(Tc)及临界压力(Pc)，用于二氧化碳的临界参数，临界温度是31℃、临界压力是7.39MPa，当材料的温度及压力大于它们的临界参数时形成一超临界流体。
为有效分离炸药，在分离槽50上连接一超音波发生器514、515(见图3)，并在温度约55℃及压力约25MPa下完成分离操作。由于二氧化碳不可燃、无毒、化学安定性佳且价廉，故所有炸药成份皆能使用以二氧化碳为基质的超临界流体以安全性高且合乎经济效益的方式来实施分离。
请同时参阅图1及图2，其为本发明以超临界流体进行弹头脱药的方法的流程图及实施图1实施例所需的装置示意图。
于图1中，根据本发明说明中以超临界流体自弹头脱药的方法，该方法包括以下步骤：(1)将一含有炸药成份的炮弹弹体置入一分离槽；(2)将一超临界流体供应至该分离槽；(3)该炮弹弹体与该超临界流体接触后，于低于该炸药成份熔点的温度以及在该炸药成份足以被分离的压力的分离条件下，对该火炸药成份进行一分离作业；(4)同时对该分离槽进行一超音波振荡步骤，以加速该炸药成份自该炮弹弹体分离的过程。
如图2中所示，在操作过程中，二氧化碳是储存于一第一储存槽10中，二氧化碳借由泵浦12通过一控制阀11而引到一过滤器20，经由过滤器20过滤后的纯二氧化碳通过一控制阀31而进入一第二储存槽30中。
第二储存槽30中的二氧化碳由一加热器(未显示)加热到一操作温度，第二储存槽30设置有一温度显示设备32，用以测量槽中所装二氧化碳的温度，加热的二氧化碳先由一泵浦40加压再以超临界流体状态进入一分离槽50。
在泵浦40的管路前后端分别设置有控制阀41、42，控制阀41、42的设置可调整作为超临界流体的二氧化碳供应到分离槽50的量，分离槽50设置有一温控器51及一控压器52，以便操作该系统的人可监控分离槽50中所装二氧化碳的温度及压力。
于本实施例中，较佳是分离槽50的温度够低及其中压力也够，使炸药成份可在预定温度范围及预定压力范围下接触到该超临界流体，足以分离该炸药成份，然后超临界流体可流到一限流器53，在该处减低流速。
当压力降低时，超临界二氧化碳流体在环境温度下变成气体，及任何溶解的溶质成核集结并收集在二氧化碳回收槽70中。膨胀的二氧化碳气体流动到下一站以进一步处理。
如图3中所示，为图2实施例中分离槽的示意图，分离槽50包括一槽体510具有温度控制层(未显示)，槽体510界定一容置空间511，一注入口512贯穿槽体底部，及一排放口513贯穿槽体顶部，一对超音波发生器514、515连接在槽体510的内侧。
分离槽50设置有一脱药架60，脱药架60具有一药架本体61，药架本体61内部具有一容置空间611，脱药架本体61的一注入端612与注入口512连通并由分离槽50中放置的一支撑架支撑，脱药架本体61的排放端613与分离槽50的排放口513连通。
脱药架60另包括一支架62，一靠近排放口613的吊挂环63，吊挂环63用以移动脱药架60，一对弹头固定架651、652，以固定一弹头(未显示)的位置，及一炸药收集槽66，炸药收集槽66位在弹头固定架651、652下方。
在操作过程中，伴随着超音波振荡过程，炮弹弹体所含有的炸药成份可在最适频率、温度及压力范围接触到超临界二氧化碳流体，使炸药成份脱离或分离并暂时储存在炸药收集槽66中。
于本发明中，依据上述实施例步骤，以实际使用容量为2公升的容置空间511进行以下实验。
实施例一：低温分离三硝基甲苯
将直径40mm装有60克三硝基甲苯的一模拟弹头，开口朝下固定在一脱药架60上，将脱药架60及弹头(即炮弹弹体)一并放入一分离槽50中然后密闭，在超临界二氧化碳流体供应到分离槽50时，开始自弹头分离出三硝基甲苯。在不同温度及压力下，花费30分钟的分离操作中，三硝基甲苯的分离百分率如以下表1所列。
表1
三硝基甲苯分离率是以分离后的三硝基甲苯重量除以分离前的三硝基甲苯重量，并再取百分率(％)。
实施例二：低温分离三硝基甲苯
将容积为250ml并装有250克三硝基甲苯的一模拟弹头，开口朝下固定在一脱药架60上，将脱药架60及弹头一并放入一分离槽50中然后密闭，在超临界二氧化碳供应到温度维持在约55℃及压力约25MPa的分离槽50时，开始自弹头分离出三硝基甲苯。分离操作花费约30分钟，结果是：分离操作后，弹头残余三硝基甲苯约0克，及三硝基甲苯收集槽中收集约241克三硝基甲苯。
实施例三：低温分离三硝基甲苯
将容积为350ml装有500克三硝基甲苯的一模拟弹头，开口朝下固定在一脱药架60上，将脱药架60及弹头一并放入一分离槽50中然后密闭，在超临界二氧化碳供应到温度维持在约55℃及压力约25MPa的分离槽50时，开始自弹头分离出三硝基甲苯。分离操作花费约30分钟，结果是：分离操作后，弹头残余三硝基甲苯约0克，及三硝基甲苯收集槽中收集约490克三硝基甲苯。
实施例四：低温分离三硝基甲苯
将装有6700克三硝基甲苯的一155mm榴弹炮弹头，开口朝下固定在一脱药架60上，将脱药架60及弹头一并放入一分离槽50中然后密闭，在超临界二氧化碳流体供应到温度维持在约55℃及压力约25MPa的分离槽50时，开始自弹头分离出三硝基甲苯。分离操作花费约120分钟。
实施例五：低温分离三硝基甲苯
将装有6700克三硝基甲苯的一155mm榴弹炮弹头，开口朝下固定在一脱药架60上，将脱药架60及弹头一并放入一分离槽50中然后密闭，同时启动超音波发生器，振荡频率介于0.01兆赫兹至10兆赫兹之间，在超临界二氧化碳流体供应到温度维持在约55℃及压力约25MPa的分离槽50时，开始自弹头分离出三硝基甲苯。分离操作花费约60分钟。
实施例六：超音波低温分离三硝基甲苯
模拟弹头将350ml金属容器熔装500克三硝基甲苯炸药，开口朝下固定于脱药架60，再将脱药架60及含药弹头置入分离槽50后密闭。启动超音波发生器514、515，振荡频率分别设定为0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10兆赫兹。以低温分离的最适操作条件下实验，其结果如下表2。
表2
实施例七：超音波低温分离三硝基甲苯
模拟弹头将350ml金属容器熔装500克三硝基甲苯炸药，开口朝下固定于脱药架60，再将脱药架60及含药弹头置入分离槽50后密闭。启动超音波发生器514、515，振荡频率分别设定为2、4、6、8、10兆赫兹。以低温分离的最适操作条件下实验，其结果如下表3。
表3
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，即非因此局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书及图式内容所为的简易修饰及等效结构变化，均应同理包含于本发明的专利范围内。
Claims (9)
1.一种以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于，该方法包括：
(1)将一含有炸药成份的炮弹弹体置入一分离槽；
(2)将一超临界流体供应至该分离槽，该超临界流体是二氧化碳；
(3)该炮弹弹体与该超临界流体接触后，于低于该炸药成份熔点的温度以及在该炸药成份足以被分离的压力的分离条件下，对该炸药成份在熔融状态下进行一分离作业；
(4)同时对该分离槽进行一超音波振荡步骤，以加速该炸药成份自该炮弹弹体分离的作业过程，其超音波振荡频率预设于4兆赫兹之间。
2.根据权利要求1所述的以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于：该炸药成份包含三硝基甲苯及以三硝基甲苯为基质的炸药的其中一种。
3.根据权利要求2所述的以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于：以三硝基甲苯为基质的炸药包含B炸药、阿马图炸药、奥克图炸药及阿猛乃炸药的其中一种。
4.根据权利要求2所述的以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于：该分离条件包含温度介于50℃至75℃之间，压力介于15MPa至40MPa之间。
5.根据权利要求4所述的以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于：该分离条件的最适温度为55℃、最适压力为25MPa。
6.根据权利要求1所述的以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于：该分离作业的过程是采批次式进行，以简化作业流程。
7.根据权利要求1所述的以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于：该超临界流体的最适温度为55℃、最适压力为25MPa。
8.根据权利要求1所述的以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于：该分离条件包含温度介于50℃至75℃之间，压力介于15MPa至40MPa之间。
9.根据权利要求8所述的以超临界流体进行弹头脱药的分离方法，其特征在于：该分离条件的最适温度为55℃、最适压力为25MPa。
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