Способ регенерации динитрамида аммония из твердых ракетных топлив на основе смешанного окислителя - RU2174502C2
Код документа: RU2174502C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к области утилизации энергонасыщенных конденсированных систем - зарядов твердых ракетных топлив и боеприпасов и может быть использовано при утилизации зарядов смесевых твердых ракетных топлив (ТРТ) на основе смешанных растворимых окислителей, одним из которых является динитрамид аммония (ДНА), находящихся в корпусах ракетных двигателей.
Известны способы регенерации окислителя из зарядов ТРТ, например, перхлората аммония (ПХА), в соответствии с которыми извлеченные из корпусов ракетных двигателей крупные фрагменты ТРТ измельчают до размера частиц 6,35 мм и менее и ПХА из полученной массы выщелачивают водой. Затем из водного раствора способами концентрирования с последующей кристаллизацией извлекают ПХА [1, 2].
Недостатки известных способов заключаются в том, что они не рассчитаны на одновременное выщелачивание двух растворимых окислителей и последующую раздельную их регенерацию.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ одновременной регенерации двух компонентов из рабочего раствора, получаемого после разрушения заряда ТРТ и отделения нерастворимой твердой фазы. Для разрушения заряда ТРТ гидромеханическим способом в качестве рабочей среды применяли жидкий аммиак, который выщелачивал из ТРТ нитраминовый окислитель (октоген) и ПХА. Выделение смеси растворившихся в жидком аммиаке компонентов осуществляли испарением аммиака, после чего проводили экстракцию ПХА спиртом из смеси с октогеном. Для получения товарного октогена высокой чистоты выполняли его перекристаллизацию по стандартной методике из водно-ацетонового или водно-циклогексанонового растворов [3].
Недостатком принятого за прототип способа является его высокая взрывоопасность, поскольку все основные операции размыва ТРТ и получения раствора окислителей в рабочей среде проводятся в корпусе ракетного двигателя под давлением. Известный способ характеризуется низкой производительностью вследствие низкой растворимости одного из окислителей (нитрамина) и высокой энергоемкостью процесса вследствие необходимости иметь высокие перепады давления между линией подачи аммиака и давлением в корпусе ракетного двигателя для обеспечения высоких скоростей струи.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа регенерации динитрамида аммония при разрушении преимущественно крупногабаритных зарядов твердых ракетных топлив, содержащих смешанный окислитель из динитрамида аммония и перхлората аммония.
Техническим результатом предложенного способа является безопасное и полное извлечение дорогостоящего продукта динитрамида аммония в состоянии, пригодном для повторного применения по основному назначению, с применением типовых технологических агрегатов.
Результатом решения поставленной задачи является способ регенерации динитрамида аммония из твердых ракетных топлив на основе смешанного окислителя, осуществляемый в технологическом цикле гидродинамического разрушения зарядов, выполненных из указанных топлив, включающий получение разрушающим инструментом суспензии и отделение окислителя в виде раствора от остальных компонентов, при этом разрушение заряда выполняют гидрокавитационным способом с выщелачиванием окислителей в замкнутом контуре водного раствора смеси окислителей - динитрамида аммония и перхлората аммония с концентрацией перхлората аммония на входе в разрушающий инструмент ниже его насыщенной концентрации не менее чем на 2-5% мас. при температуре раствора замкнутого контура, отделяют водный раствор окислителей, концентрируют раствор с отделением воды, получают рапу смеси окислителей и экстрагируют селективным растворителем динитрамид аммония; часть водного раствора окислителей отделяют для использования в разрушающем инструменте; концентрирование раствора осуществляют упариванием; пополнение в замкнутом контуре производят за счет поступления конденсата; концентрирование раствора осуществляют вымораживанием воды; концентрирование раствора осуществляют по методу обратного осмоса; влажность рапы смеси окислителей перед экстрагированием доводят до 10-15% мас. ; отделяемую воду сохраняют в замкнутом контуре водного раствора смеси окислителей.
Сущность настоящего изобретения будет более понятна из рассмотрения фигур чертежа, где:
фиг. 1 представляет общую схему контура разрушения
заряда ТРТ в корпусе ракетного двигателя с отделением растворенного смешанного окислителя от нерастворимой в воде твердой части ТРТ;
фиг. 2 показывает блок-схему контура выделения динитрамида
аммония и следующего описания примера предпочтительного выполнения способа.
Как показано на фиг. 1, гидрокавитационное разрушение заряда ТРТ в корпусе ракетного двигателя 1 выполняют на установке, включающей рельсовую тележку 2, снабженную опорными роликами и приводами для осуществления вращательного движения ракетного двигателя вокруг своей продольной оси и продольного перемещения по рельсам. Режущая гидрокавитационная головка (не показана) через коллектор 3 введена внутрь канала заряда и соединена с линией подачи рабочей жидкости 4 под давлением 10 - 30 МПа. Установка включает также соединенную с коллектором 3 посредством сливного рукава емкость-отстойник 5 для продуктов разрушения заряда, сгустители нерастворимой фазы 6, дезинтегратор 7, емкость-накопитель водного раствора 8, термостатирующий блок 9, насос высокого давления 10 и ряд других элементов, которые являются обычными для таких замкнутых контуров.
Контур выделения динитрамида аммония (фиг. 2) содержит емкость-накопитель 12 раствора окислителей, аппарат концентрирования раствора 13, аппарат частичной кристаллизации из раствора смеси окислителей 14, аппарат 15 экстрагирования ДНА из рапы смеси солей селективным растворителем, кристаллизатор 16 выделения целевого продукта, гранулятор 17 и сушилку 18 для целевого продукта ДНА, а также сушилку 19 и ситовой сепаратор 20 для ПХА и блок регенерации растворителя 21. Общими агрегатами являются аппарат обратного осмоса 22, аппарат мембранной дистилляции 23 с холодильником 24 и вентилятором 25 и буферная емкость 26 с чистой водой. Транспортировка водной суспензии ТРТ и растворов окислителей между аппаратами осуществляется центробежными насосами под единым обозначением 27.
Осуществление операций в соответствии с предлагаемым способом начинается с погрузки заряда ТРТ в корпусе 1 ракетного двигателя на рельсовую тележку 2 и монтажа режущей головки (не показана) в канале заряда ТРТ внутри корпуса ракетного двигателя с выходом штанги подвода воды высокого давления через подвижное соединение коллектора, закрывающего торец корпуса. Из емкости-накопителя воды 8 самотеком или с помощью насоса низкого давления осуществляют заполнение водой внутренних полостей заряда и технологической оснастки. После этого включают привод вращения корпуса и открывают клапан подачи воды с давлением 10 - 30 МПа. Вымывание ТРТ по внутренней поверхности заряда осуществляют за счет вращения этой поверхности относительно расположенной неподвижно радиальной режущей головки. Эродированные и отломанные фрагменты ТРТ вместе с водой выносятся через коллектор и сливной рукав в отстойник 5. В процессе разрушения заряда на мелкие фрагменты из ТРТ при нормальных условиях выщелачивается 10-45% содержащегося в ТРТ смешанного окислителя. В отстойнике 5 процесс выщелачивания продолжается. Далее осуществляют первичное отделение раствора от нерастворимой твердой фазы с применением сгустителей 6, напр. гидроциклонов. Отделенный раствор направляют в накопитель 8, а нерастворимую твердую фазу с еще достаточно высоким содержанием окислителей - в дезинтегратор 7, в который одновременно подают струю воды высокого давления (10-30 МПа) от насоса 10. Процесс в дезинтеграторе организуют таким образом, что поступающие частицы твердой фазы, состоящие из полимерной матрицы с неполностью выщелоченными окислителями, под действием натекающих высокоскоростных струй воды, создающих интенсивное кавитационное облако и гидродинамические нагрузки, подвергаются разрушению и вовлекаются в вихревое движение в полости дезинтегратора, ограниченной поверхностью сита с калиброванными отверстиями. При движении вдоль поверхности сита частицы матрицы имеют возможность выходить наружу через эти отверстия под действием разности давлений по сторонам сита. В процессе вихревого движения и прохождения через калиброванные отверстия частица наполненной полимерной матрицы претерпевает интенсивные деформации изгиба, кручения и растяжения, в результате которых ячейки открываются и находящиеся в них частицы окислителей имеют возможность контактировать с водой, выщелачиваться и переноситься общим потоком.
Полученную мелкодисперсную твердую фазу отделяют от раствора окислителей в аппарате 6 и раствор направляют в накопитель 8. Дополнительно твердую фазу с целью обеспечения полноты выщелачивания окислителей отмывают чистой водой в аппарате 11 при интенсивном перемешивании. Полученный раствор направляют в накопитель 26.
Поскольку суммарный расход воды на разрушение заряда и отмывку твердой фазы составляет около 50 кг воды на 1 кг ТРТ, то в случае начала работы по разрушению заряда ТРТ с чистой водой в накопителе 8 после одного оборота воды в контуре концентрация окислителя в ней повысится на ~0,6-1,0% мас. Поэтому раствор с такой концентрацией в контур выделения ДНА не переводят, а направляют в насос высокого давления 10 для нагнетания в режущую головку гидрокавитационного разрушения ТРТ. Работу в режиме замкнутого контура разрушения заряда ТРТ осуществляют до тех пор, пока концентрация раствора в накопителе 8 не станет на 2-5% ниже насыщенной концентрации окислителя с меньшей растворимостью при рабочей температуре. Это обычно происходит через 18-20 циклов оборота воды в зависимости от емкости контура. После этого из контура разрушения раствор окислителей перекачивают в накопитель 12 контура выделения ДНА. Пополнение объема воды в контуре разрушения осуществляют в основном за счет воды после отмывания твердой фазы в аппарате 11, на вход которого подают воду из буферной емкости 26. Пополнение запаса чистой воды в буферной емкости 26 производят за счет поступления конденсата из выпарных аппаратов 13 либо после обессоливания раствора из накопителя 8 в аппарате обратного осмоса 22 или получения дистиллята в аппарате мембранной дистилляции 23. Охлаждение раствора, который получают после отделения нерастворимой твердой фазы, в результате теплообмена через мембрану раствора и дистиллята осуществляют путем циркуляции через холодильник 24 с вентилятором 25. Аппарат обратного осмоса 22 используют также для концентрирования раствора в процессе гидроразмыва заряда ТРТ, например, для снижения нагрузки на выпарные аппараты.
Концентрирование растворов окислителей производят в пленочных выпарных аппаратах 13, где упаривание раствора производится до 40-60% с использованием вторичного пара для предварительного нагрева упариваемого раствора в накопительной емкости 12, снабженной трубчатым теплообменником. Получаемый в процессе упаривания конденсат отводится в буферную емкость 26 и используется повторно в технологическом цикле. Кристаллическую фазу солей получают в кристаллизаторах 14, после чего из рапы солей проводят экстрагирование ДНА в экстракторе 15, в который подают нагретую экстрагирующую органическую жидкость. Для экстрагирования ДНА применяют кетоны, одноатомные спирты, простые и сложные эфиры или другие, пригодные для этого растворители, не взаимодействующие с ПХА. Предпочтение отдают изопропиловому спирту, ацетону и этилацетату, которые плохо растворяет ПХА, что обеспечивает высокую чистоту разделяемых окислителей. Для достижения высокой полноты извлечения ДНА целесообразно проведение двухступенчатого экстрагирования с противоточным движением растворителя. Отделенный от экстракта кристаллический ПХА подают в сушилку 19 с кипящим слоем (либо в сушилку другого вида, обеспечивающую требуемую влажность продукта на выходе), где происходит удаление остатков экстрагента, пары которого улавливаются в результате конденсации на охлаждаемом регистре регенератора 21. Высушенный ПХА рассеивается на ситовом сепараторе 20 по фракциям и затаривается в контейнеры, напр. типа УК-1, либо в крафт-мешки для отправки потребителю.
Экстракт ДНА из аппарата 15 подают в кристаллизатор 16. Спирт (или другой экстрагент) с остатками воды отгоняют из раствора при температуре не выше 92,5oC и направляют в регенератор 21 для повторного использования. Выделенный ДНА гранулируют и промывают четыреххлористым углеродом в аппарате 17, сушат в сушилке 18 и далее доводят до товарного продукта в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
В варианте исполнения способа концентрирование раствора окислителей выполняют с использованием обратноосмотической технологии с применением, например, ацетатцеллюлозных мембран.
В другом варианте исполнения способа концентрирование раствора окислителей проводят путем вымораживания воды, например, при охлаждении за счет барботирования холодного газа с помощью теплообменных труб и т.п.
Способ осуществляется в замкнутой системе с оборотным использованием воды и органических растворителей, что делает его экологически чистым и безопасным, а также дает возможность применения способа при утилизации ракетных двигателей практически любых габаритов и выделения дорогостоящих продуктов в состоянии, пригодном для повторного применения по основному назначению с использованием типовых технологических аппаратов. Предложение имеет практическую значимость для конверсионных производств, занятых ликвидацией ракетной техники и боеприпасов.
Источники информации
1.
Frosch R.A. Патент США N 4198209, 1980.
2. Spas S.E. Патент США N 5331106, 1994.
3. Melvin W.S. Патент США N 5284995, 1994.
Реферат
Способ относится к утилизации военной техники и боеприпасов и может быть использован при утилизации зарядов твердых ракетных топлив, содержащих в качестве неорганического окислителя смесь динитрамида аммония и перхлората аммония. Для этого гидрокавитационным разрушением заряда твердого топлива в корпусе ракетного двигателя с одновременным выщелачиванием окислителей получают суспензию твердой фазы в водном растворе смеси окислителей, отделяют твердую фазу от водного раствора смеси окислителей, концентрируют водный раствор до получения рапы смеси двух окислителей и экстрагируют целевой продукт селективным органическим растворителем. Технический результат - безопасное и полное извлечение дорогостоящего продукта динитрамида аммония в состоянии, пригодном для повторного применения по основному назначению, с применением типовых технологических агрегатов. 7 з.п.ф-лы, 2 ил.
