RU2052441C1

RU2052441C1 - Method for provision of explosion-proof periodic processes of nitration

Info

Publication number: RU2052441C1
Application number: RU93042889A
Authority: RU
Inventors: А.В. Соколов; А.Б. Ильин
Original assignee: Всероссийский научный центр по безопасности биологически активных веществ
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: explosion-hazardous chemical production. SUBSTANCE: method for provision of explosion-proof periodic processes of nitration is effected by filling the nitrator with nitromass by 2/3 of layer critical height and at sectional area of bleeding hole-to-nitromass surface area ratio of less than 0.08. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg, 1 tbl

Description

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. The invention relates to the field of explosive chemical industries, and in particular to processes of nitration of organic compounds. In the processes of nitration of organic compounds with nitric acid, condensed systems are formed with explosive properties, including detonation ones. Emergency phenomena accompanying the nitration processes can manifest themselves both in the form of abundant gas evolution from the entire reaction mass processed in the nitrator, and in the form of a convective explosion (and even detonation) propagating from the ignition center over the mass. Moreover, the first case is the most common.

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. There is a method of ensuring the explosion safety of batch nitrates, which consists in dumping and neutralizing the nitromass that has started to decompose into an emergency tank partially filled with an inert diluent (for example, water) connected to the bottom of the nitrator via a pipeline. However, the use of an emergency tank cannot prevent the nitrator from opening (breaking) either in case of abundant gas evolution, and even more so in the event of a convective explosion. In the first case, the venting of gaseous products into the emergency tank cannot be realized due to the significant inertia of the overflow of the reaction mixture through a narrow pipeline into the emergency tank. In the event of a convective explosive process occurring in hundredths of a second, this emergency system cannot cope with the elimination of the explosion in the nitrator. Therefore, the use of emergency backup tanks in practice is limited to the discharge and neutralization of substandard nitromass resulting from process deviations from the routine.

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). The closest in technical essence and the achieved effect to prevent the nitrator from disclosing from abundant gas evolution is the discharge of decomposition products through an air pipe extending from the nitrator volume unfilled with nitromass. However, the existing exhaust air pipes have a fixed diameter (not more than 70 mm with apparatus diameters of 1.5-2.0 m), which is usually insufficient for normal bleeding of the evolved gases (without pressure increase in the apparatus).

Целью изобретения является обеспечение полной взрывобезопасности нитраторов периодического действия. The aim of the invention is to ensure complete explosion safety of batch nitrators.

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.The goal is achieved by creating the necessary conditions for filling the nitrator and the degree of depressurization. For this, the nitrator is filled with nitromass to a height of not more than 2/3 N _cr , and the ratio of the cross-sectional area of the bleeding air pipe to the free surface area of the nitromass is set to at least 0.08. It has been experimentally established that the critical layer height of the product is N _cr , if it is exceeded in the explosive system, including the nitromass, when a firing center occurs under the layer, layer-by-layer combustion in the mass is replaced by an explosive process. Experiments show that the change in the decomposition regimes from layer-by-layer to convective occurs sharply, with a slight (by 10–20 mm) excess of N _cr , This is a fairly clearly fixed parameter. The fact of changing the decomposition modes of the product can be recorded either by a sharp increase in the pressure of the decomposition products, determined by the pressure sensor in the combustion zone, or by the presence of bloating or crushing of the shell. The value of N _cr. depends on the nature of the explosive system and the diameter of the container. The experimental dependence of N _cr . of the diameter for the most active nitromass (HNO ₃ 75% chlorohydrinstyrene 25%) is shown in the drawing. From this dependence it is seen that starting from the diameter of the tank, approximately equal to 1 m, the curve is saturated and does not depend on N _cr. from diameter. Since the diameters of industrial nitrators are in the range of 1-2.5 m, the value of N _cr. for the most active nitromass (HNO ₃ 75% chlorohydrinstyrene 25%) ceases to grow at a value of N _cr. ≈ 2 m, then this value is N _cr. can be taken as safe for all essential nitromasses. To ensure the explosion safety of the processes of production and processing of nitromass, it is necessary to use data on the indicators of the explosiveness of substances with safety factors:
N _{cr. Without.} ≅ 0.9 (H _cr. 0.7R), where H _cr. safe critical explosive layer height (nitromass), m;
N _cr. critical height of the layer of explosive product (nitromass), m;
R reproducibility of the method for determining H _cr. with a confidence level of 95%, a component of 10 mm.

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.When nitromass is decomposed in its entire volume to prevent the apparatus from opening in its free volume, the pressure should not rise above 20-50 kPa, i.e., the maximum pressure at which the regulatory process proceeds. In the most active nitrosisteme (HNO ₃ 75% 25% hlorgidrinstirol) found that the ratio of the minimum sectional area of the bleed-hole (S _sd) to the free surface area nitromassy (S _s.p.n.m.) should be at least 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.A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the inventive method is characterized in that the nitrator is filled to a height of not more than 2/3 N _cr . The ratio of the cross-sectional area of the bleeding air pipe to the cross-sectional area of the nitrator should be at least 0.08. Therefore, the invention meets the criterion of "novelty." In well-known sources of scientific, technical and patent literature, distinguishing features are not found.

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.PRI me R 1. A stainless steel tube with an inner diameter of 20 mm, a wall thickness of 1 mm and a strength of 100-120 kg / cm ² , closed by a lid with a strain gauge, which contains the igniter, is filled with a nitro mixture (nitric acid with chlorohydrin styrene in the known 75:25 ratio). As an igniter, a sample of smoke powder weighing 2 g, ignited by a nichrome wire heated from a voltage source, is used. The length of the tube is changed from 150 to 250 mm through 10 mm. In the experiments, the nitromass is ignited and the pressure of the decomposition products is recorded by the pressure strain gauge, and the state of the tube is recorded (destroyed by the explosion or left intact). The data obtained in the experiments are shown in the table.

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.Based on the results, the critical layer height for the synthesis of nitric acid + chlorohydrinstyrene in a ratio of 75: 25% is:
N _cr. 200 mm ± 10 mm
PRI me R 2. A stainless steel pipe with a length of 1000 mm and an inner diameter of 200 mm, a wall thickness of 3 mm, closed by a lid with a strain gauge, which contains the igniter, is filled with a nitro mixture (nitric acid 75% chlorohydrinstyrene 25%) to a height of 530 mm Then set the igniter on fire. As a result of the experiment, there is no explosion.

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. PRI me R 3. A cylindrical container made of a steel sheet with a length of 1500 mm, a diameter of 1200 mm, a wall thickness of 5 mm, closed with a lid with a strain gauge, which has an igniter, is filled with nitro mixture (nitric acid 75% chlorohydrin styrene 25%) to a height of 1320 mm, then ignite the igniter. As a result of the experiment, there is no explosion.

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.PRI me R 4. A cylindrical container made of a steel sheet with a length of 1500 mm, a diameter of 1200 mm, a wall thickness of 5 mm, a lid with a hole of 340 mm (which corresponds to a cross-sectional ratio of 0.08) and equipped with a jacket for heating, is filled with a nitro mixture ( nitric acid 75% CHC 25%) to a height of 1320 mm. Nitromassu then superheated ^to 40 ° C (ROUTINE temperature 5 ° ^C). As a result of the experiment, there is no pressure inside the vessel since decomposition products are vented through an opening in the container lid.

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.PRI me R 5. A cylindrical container made of a steel sheet with a length of 1500 mm, a diameter of 1200 mm, a wall thickness of 5 mm, closed with a lid with an opening of 280 mm (which corresponds to a cross-section ratio of less than 0.08) and equipped with a jacket for heating, is filled with a nitro mixture (nitric acid 75% CHC 25%) to a height of 1320 mm. Nitromassu then superheated ^to 40 ° C (ROUTINE temperature 5 ° ^C). As a result of the experiment, the pressure inside the container is 8 kg / cm ² , since the decomposition products do not have time to bleed through the hole.

Claims

METHOD OF EXPLOSION PROTECTION OF PERIODIC NITRATION PROCESSES, including discharge of decomposition products through a bleed hole in the nitrator body, characterized in that the nitrator is filled with nitromass to a layer height of 2/3 from H _to _p , and the ratio of the cross-sectional area of the bleed hole to the free surface of the nitromass is established less than 0.08.