硝化纤维素的工艺设计——硝化工序的工艺设计毕业论文

1、硝化纤维素的工艺设计硝化纤维素的工艺设计 硝化工序的工艺设计硝化工序的工艺设计 摘 要 硝化纤维素(缩写为 nc)是天然纤维素的硝化产物，是一种重要的工业原材料， 在国民经济中占有重要的地位。硝化纤维素的生产工艺主要包括硝化工序和安定处 理两方面。其中的硝化工序主要包括纤维素的烘干、纤维素的输送，硝硫混酸的配 制以及硝化反应过程。采用的主要设备有气动烘干联动机、配酸机、输酸泵、硝化 机以及酸回收设备。 本文结合具体生产实际，以年产 10000 t 硝化纤维素为标准，通过工艺选择和理 论计算确定出硝化工艺中主要设备的尺寸大小和工艺参数，并对某些在实际生产中 出现的不足进行改进，确定出最佳的工艺参

2、数。 关键词：硝化纤维素，生产工艺，硝化混酸，生产设备 the technology design for nitrifying cellulose nitrifying process design abstract nitrifying cellulose (abbreviation for nc) is the nitrified product of natural cellulose，which is a kind of important industrial raw material. it has a very important status in the national

3、economy. its producing technology contains two sides, nitrifying and stabilizing. the nitrifying mainly includes the carding, the drying, the conveying of cellulose and compounding the mixed acid which is mixed by nitric acid and sulfuric acid. the major equipments are dryer, mix acid machine and th

4、e nitrifying machine. this article combined with practicing in the industry and choosing the proper equipment after the theoretical calculation. it can produce 10000 t no.1nc every year. at last, this design has improved the defects which appeared in previous producing. keywords: nitrifying cellulos

5、e, producing technology, mixed acid, equipment 目目 录录 摘摘 要要 abstract 1 引言引言 1 1.1 硝化纤维素的分类及用途 1 1.2 硝化纤维素的主要物化性能和质量指标 3 1.2.1 硝化纤维素的结构 3 1.2.2 硝化纤维素的溶解性能 3 1.2.3 硝化纤维素的粘度 4 1.2.4 硝化纤维素的质量指标 5 1.3 国内外工艺研究情况 6 1.3.1 国内外纤维素酯化技术简介 6 1.3.2 国内外纤维素安定处理技术简介 8 1.4 本文的主要设计工作 8 2 工艺流程工艺流程 9 2.1 生产工艺概述 9 2.2 连续式

6、生产工艺流程 9 3 物料衡算物料衡算 13 3.1 纤维素用量的物料衡算 13 3.2 硝化混酸用量的物料衡算 15 3.2.1 硝化混酸的需要量 15 3.2.2 硝化混酸的损失量 16 3.2.3 硝化反应时混酸的组成及硝化反应后废酸的质量组成 17 3.2.4 确定配酸及多余废酸量 18 4 主要设备的设计主要设备的设计 20 4.1 气动烘干联动机 20 4.1.1 气动烘干管的管道内径、外径及长度的确定 20 4.1.2 收缩扩张漏斗的计算 21 4.2 风机的计算与选择 21 4.3 配酸机 23 4.4 酸计量槽工艺尺寸的确定23 4.5 输送酸管道直径以及泵的计算与选择 24

7、 4.5.1 输送酸管道的计算与选择 24 4.5.2 输酸泵的计算与选择 25 4.6 酸回收设备的计算 26 4.6.1 圆形设备 hyok 中酸回收工艺流程 26 4.6.2 圆形设备 hyok 工作过程 27 4.6.3 圆形设备 hyok 工艺计算 29 4.6.3.1 置换段长度的计算 29 4.6.3.2 各置换段雨淋面积及雨淋器数量的确定 29 4.6.3.3 圆形传动筛板直径的确定 31 4.7 硝化机的选择 31 4.7.1 搅拌式硝化机的构造 31 4.7.2 搅拌式硝化机的技术规格 32 结结 语语 34 参考文献参考文献 35 致致 谢谢 36 1 引引 言言 硝化纤

8、维素(以下缩写为 nc)是天然纤维素的硝化产物，是一种重要的工业原材 料，在国民经济中占有重要的地位。 nc 作为最重要的火药原材料之一1军用含能粘合剂，目前还没有一种材料可 以替代它在火药领域的特殊地位。低酯化度 nc 皮罗棉和高酯化度 nc 混合强棉是制 造枪、炮、火箭以及导弹武器用发射药及推进剂的主要原料；在民用领域，nc 的应 用也极其广泛，低粘度的 nc 主要用于生产速干油漆，汽车、家具以及工业用搪瓷 漆、涂料、油布、胶泥、赛璐珞制品及 nc 胶片等。 军用 nc 生产的需求特点是：从原来的大批量、单品种向小批量、多品种生产 转 变。普通工艺生产的 nc 是由聚合度大小不同、含氮量高

9、低不同，取代基位置不同 的 nc 组成的混合物，属不均匀、多分散性产品2。 民用 nc 的生产需求特点是：民用 nc 的溶解性和透明度要好，粘度、溶解度和 安定性要符合要求，且含氮量范围很窄。 结合现在军用、民用 nc 的生产需求特点，引入新技术进行技术改造，提高生 产中的过程控制及设备的性能，提高产品质量是 nc 工业生产发展的必然趋势。 1.1 硝化纤维素的分类及用途硝化纤维素的分类及用途 nc 的用途取决于它的特性。nc 具有易燃、易爆特性，可以通过增塑制成各种 材料，且能按照一定的平行层规律燃烧，燃烧时产生大量的气体，因此大部分用于 制造无烟火药23；又由于 nc 具有较高的力学强度，

10、与多种增塑剂有较好的相溶性， 在不太高的温度下可处在塑性状态，故又可加工成赛璐珞制品。在常规溶剂中，nc 的溶解性能良好，可用于制备有较高力学强度的膜，又可用做硝基漆布、油漆原料。 nc 的具体分类及用途见表 1.1 和表 1.24。工业生产中，将 nc 分为 no.1、no.2 和 弱棉，含氮量在 13%-15%的属于 no.1nc，含氮量在 12.2%-12.4%的属于 no.2nc，含氮量在 10.7%-12.2%的属于弱棉。 表 1.1 弱棉的性能参数及其应用范围 含氮量 弱棉名称 ml nogn 规定粘度 0e 应用范围 高粘度漆用190-19611.89-12.261.9-2.2航

11、空清漆、绝缘漆 革制品高粘度漆用190-19611.89-12.261.95-2.2皮革漆、瓷漆 中粘度漆用190-19611.89-12.261.31-1.89 用于木材、航空件、金属、 胶组分、人造革、编织物漆 低粘度漆用190-19611.89-12.261.11-1.3瓷漆、底漆及胶组分 超低粘度漆用190-19611.89-12.261.03-1.1金属清漆、载重卡车用瓷漆 半秒粘度漆用190-19611.89-12.260.98-1.02家具、纸及硝基布用漆 粘胶漆用170-19810.64-12.390.98-1.01家具、纸及硝基布用漆 漆布用170-19810.64-11.5

12、81.3-3用于工艺织物的胶粘剂 赛璐珞胶片用172-18010.78-11.251.5-2.5赛璐珞制品 硝基胶片用182-18811.4-11.76悄基片 电动真空用190-19611.89-12.26发光灯管阴极涂层 h 型火药用189-194.511.82-12.171.9-3ballistite 火药 表 1.2 强棉的性能参数及其应用范围 含氮量 强棉名称 mlno/gn% 规定粘度 0e 溶解度应用范围 ba-1不小于 208不小于 13.04-1522 高氮量 ba-2208.5-21013.05-13.148-1231.5 中氮量 ca204-207.512.76-13.08

13、-1232 低氮量 h198-20012.39-1258-12 火药用原料 no.1不小于 209不小于 13.098-124制混合棉 1194.5-19812.1712.398-12 no.1 2不小于 198不小于 12.396-1099制混合棉 3不小于 190不小于 11.896-1096制混合棉 4不小于 188不小于 11.766-10制混合棉 1.2 硝化纤维素的主要物化性能和质量指标硝化纤维素的主要物化性能和质量指标 1.2.1 硝化纤维素的结构硝化纤维素的结构 工业生产 nc 以精制棉为主要原料。精制棉的主要成分纤维素是由许多葡萄糖 基构成的高聚物。纤维素大分子链上的每一个葡

14、萄糖基都有三个羟基，这些羟基能 与酸类(硝酸、硫酸、酯酸等)起酯化反应，生成的产物是酯类化合物。工业上习惯 把纤维素与硝酸所进行的酯化反应称为硝化反应，把反应后生成的纤维素硝酸酯称 为硝化纤维素或“nc” 。 nc 仍然保持原始纤维素的纤维状结构。在普通光线下观察，硝化后的纤维外观 结构与原始纤维素相似，而在偏振光下观察可发现二者有明显差别。偏振光下 nc 的色调亮度随着酯化度不同而发生变化。随着酯化度不断提高，nc 逐渐从铁灰色 (含氮量 11%)变为亮黄色，甚至纯兰色(含氮量超过 11.8%)。纤维素均匀性差异使得 在同样条件下制备的 nc 其含氮量也有差异，在偏振光下色彩及亮度也不同。

15、通常认为，nc 的酯化度不同是由于硝化过程工艺条件波动所致，不同的纤维素 分子及超分子结构间差异也是一个重要的影响因素。由于纤维素分子结构大，其分 子链上每个葡萄糖基的羟基中的氢，在硝化反应中被硝基取代是不均匀的，羟基中 的氢被硝基取代的数目，就是 nc 的酯化度。 1.2.2 硝化纤维素的溶解性能硝化纤维素的溶解性能 nc 的溶解11分为两个阶段:溶胀和溶解。溶胀是指原始 nc 物料及溶剂从未混 合转换到均匀混合状态，而溶解是 nc 在溶剂中由溶胀转变为真溶液的过程。nc 可 以溶解在许多溶剂中，影响 nc 溶解的因素有含氮量、粘度、温度、酯化均匀度、 相对分子质量及溶剂的种类及配比等。一些

16、极性溶剂，如酮、醚等在室温下能够溶 解几乎所有氮量的 nc。表 1.3 为两种民用 nc 与常用溶剂的组成。 表 1.3 两种民用 nc 与常用溶剂的组成 在产品中的百分含量，% 溶剂 硝基涂料(硝基瓷漆)硝基油漆 作用 酯酸丁酯4.08-10.456.24-18.4 酯酸乙酯4.44-4.757.56-18.4 丙酮3.18-4.183.79-13.6 乙基纤维素1.99-7.19 环乙醇4.077.03-11.17 乙醇9.52-14.646.24-15.06潜在溶剂 丁醇16.0618.64-31.3 异丁醇20.9释稀剂 甲苯13.02-13.892.07 二甲苯10.23-29.86

17、 注:1 提高基本溶剂的溶解能力； 2 降低油漆的粘度及成本 通常人们希望通过提高混合棉的含氮量来提高火药的能量，但仅靠提高其中 no.1nc 的含氮量难以达到目的，有时是通过含氮量 12.6%士 0.1%的 nc 代替 12.0%-12.4%的 no.2nc 来提高含氮量，以保证 nc 在醇醚溶剂中充分溶解，这也是 生产均质火药的前提。含氮量在 11.82%-12.7%范围的 nc 在难挥发含能增塑剂 ng、degn、tegdn 等中的溶解度不大，室温下不超过 1%，随着温度升高，nc 与这些含能增塑剂间的热力学相容性有所提高。 溶解度是硝化纤维素的一个质量指标，指溶解于 100 份溶剂中的

18、 nc 量，也是 表征 nc 被溶剂溶解的能力。在工业生产中使用的溶剂有:单基药生产中用醇醚溶剂， 涂料工业中用混合溶剂，赛璐珞生产中用酒精、樟脑等溶剂。 1.2.3 硝化纤维素的粘度硝化纤维素的粘度 聚合度是 nc 的主要指标，工业生产中常用粘度间接表征其聚合度的大小。nc 溶液的粘度是其生产及使用过程的主要参数，是安定处理过程的主要指标，同时 nc 试样的粘度又反映了 nc 平均聚合度的大小，而聚合度在很大程度上决定了硝基漆、 涂层及膜的力学性能。在瓷漆及油漆用 nc 的生产过程中，要求 nc 有较低的粘度， 其聚合度控制在 100-300；赛璐珞棉的聚合度最好在 350-600；汽车及皮

19、革业用硝基 漆的允许粘度可以很低；因为强度要求，对制膜用 nc 的粘度要高些。 在火药工业上，no.1nc 和 no.2nc 的粘度都是极其重要的参数。降低粘度有利 于火药加工成型，可加速与提高火药组分的塑化程度，降低溶剂消耗。但粘度太低 会降低火药的力学强度。通常测定的是 nc 的溶液粘度，以恩格拉粘度(0e)表示。 在实际工业生产中，no.1nc 与 no.2nc 的粘度是指 nc 浓度为 2%的丙酮溶液 中的粘度。对于 no.1nc，最合理的粘度范围是 6-80e，而 no.2nc 为 4-80e。在工 厂实际生产条件下，no.1nc 的粘度范围是 8-120e， no.2nc 的粘度范

20、围为 6- 100e，对应的聚合度为 1000-1200。 1.2.4 硝化纤维素的质量指标硝化纤维素的质量指标 目前国内生产军用混合棉的主要质量指标见表 1.4 表 1.4 目前国内生产军用混合棉的主要质量指标 指标名称mbmemcmdm 硝化度 ml no/g206.0-207.0-208.0-209.0210.0 醇醚溶解%34-4327-3528-4023-3023-30 乙醇溶解%55555 安定度 ml no/g2.82.82.82.82.8 碱度%0.250.250.25 灰分%0.50.50.50.50.5 粘度 mm/s(0e)29.529.529.5 细断度 ml90909

21、09090 c 棉含量%33-3720.5-27.520.5-20 回收棉含量%2512252012 水分%22-29 外来杂质无明显可见的木屑、泥沙、橡皮、玻璃、油污、和金属物 说明: (1) m、bm、cm、dm、em 等各种军用 nc 主要用于不同种类弹药的发射药。 (2) 以上的指标名称采用军用硝化棉通用规范 gjb3204-9813和惠安军用硝化棉 企业标准 q/hmno5-8914的名称。 除了前面讨论的硝化度、溶解度、粘度等质量指标以外，安定度和细断度也是 硝化纤维素的重要质量指标。 (l) 安定度是 nc 的重要性能指标，是保证火药安全贮存和加工的主要因素。安 定度的测定方法有

22、很多种，工业中常用贝克曼一荣克法，将 nc 于 132士 0.4下 加热，用碘量法测定在一定时间(通常 2 小时)内分解出来的氧化氮量，nc 的热分解 生成气体是在恒压下进行的，所以这种方法测定 nc 的热分解，在一定程度上类似 于在封闭容积中的热分解，与它的贮存条件相符。 (2)细断度也是 nc 的重要指标，它主要取决于 nc 的生产工艺过程。细断是军 用 nc 的必须工序，民用 nc 基本不用这道工序和指标。经过细断后，可以改变纤维 的几何尺寸、比表面积，可解决高氮量 nc 的安定性、应用和贮存等存在的问题。 nc 的细断度常用三种方法测量：筛分法、过滤法和容积法。不同的种类的细断设备 采

23、用不同的测量方法。 1.3 国内外工艺研究情况国内外工艺研究情况 1.3.1 国内外纤维素酯化技术简介国内外纤维素酯化技术简介58 (l) 在硝酸蒸汽中的酯化 纤维素与硝酸蒸汽的反应属于固气相反应，纤维素以固态纤维状或其它形状 参加反应，反应终了仍保持原有的固体形状。 deutsche 首先对纤维素进行了硝酸蒸汽酯化的研究。后来 bake 和 bateman 又详 细描述了实验条件:在室温下，硝酸蒸汽在常压或负压条件下，通过对纤维素进行几 十个小时酯化反应，产物含氮量较低，在 10%左右，原因是由于硝酸蒸汽在纤维上 凝结并使其凝胶化。 miles 等人对纤维素在硝酸蒸汽中的酯化进行了详细的研究

24、，认为反应过程中两 个硝酸分子与纤维素分子中的一个羟基反应，生成的水分子与硝酸分子结合形成的 复合酸是一个强的脱硝剂，这就是用硝酸蒸汽酯化难以获得高氮量产物的原因。同 时由于酸气不能充分扩散到纤维内部，产物很不均一。可见这种方法所制备的 nc 是非均一的，且酯化速度过于缓慢，用硝酸蒸汽进行纤维素的酯化，在工业生产上 无多大前途。 (2)在硝酸中的酯化 最初尝试用硝酸酯化纤维素是用不加脱水剂的硝酸与纤维素反应。当用稀释的 硝酸溶液(68%)处理棉纤维时，纤维将发生与苛性碱溶液作用时相同的结构变化，纤 维发生膨润，酯化反应基本未发生。若用浓度为 89%-98%的硝酸处理，则可获得含 氮量为 11.

25、5%-13.2%的 nc。 虽然 nc 含氮量随着硝酸浓度的增加而提高，但不能获得更高的含氮量产品， 即使采用 100%的硝酸进行酯化，产物的含氮量也仅仅达 13.2%。这是由于酯化过程 中形成的水对硝酸产生稀释作用，降低了硝酸的酯化能力。而且稀硝酸对纤维素产 生溶解作用，进一步增加了硝酸向纤维内部扩散的阻力，造成酯化不完全、含氮量 低和溶解性能差等不良后果，使得到的 nc 无法使用。再加上硝酸的挥发性强、产 物溶解性能差等不良因素，使得这种方法很难工业化。 (3)硝硫混酸的酯化 由于纤维素与硝酸的酯化反应为可逆反应，反应生成的水不仅会稀释浓硝酸， 使它的有效浓度降低，而且促进了稀硝酸对纤维素

26、的溶解作用。经大量实践证明， 在硝酸中加入各种脱水剂，使之与水分子形成稳定水化物，既可保证硝酸的有效浓 度，又可防止稀酸对纤维素的溶解，故可获得高氮量的 nc。 硫酸与反应生成的水形成水化物 h2so4.nh2o，避免了纤维凝胶化的发生，解决 了产物不溶于硝酸的困难，硫酸的加入可以改变纤维素与硝酸的酯化速度。适量硫 酸可加速反应，而过量的硫酸则使反应速度明显降低，这可能是由于混合酸中硝酸 浓度的降低及混酸粘度的增加引起的。另外，硫酸含量的比例增加还会降低产物的 化学稳定性，可能是由于生成了不稳定的纤维素硫酸酯。 由于硫酸是廉价易得的工业化学试剂，它与水分子相结合而形成水化物，并放 出大量的热。

27、形成一水化物 h2so4.h2o 时，放热 26795j/mol；形成二水化物 h2so4.2h2o 时多放热 12560j/mol；当二水化物转化为三水化物 h2so4.3h2o 时，再 放出 7117j/mol 热量。故可以认为:纤维素酯化反应中所形成的水分子，主要与硫酸 结合为水化物而自反应平衡中移出。保证了酯化剂的 no2-oh 浓度，可获得高含氮 量 nc，解决了单独用硝酸酯化不能制得高氮量产物的难题。 硫酸除具有脱水能力外，它对纤维素还具有一定的膨润能力。在酯化蓬松的棉 纤维时，它又是廉价的浸润剂。由于硫酸易得、价廉并对纤维素具有一定的膨润能 力，废酸回收也不困难，至今仍广为国内外

28、生产所采用，作为硝酸酯化纤维素的脱 水剂。 1.3.2 国内外纤维素安定处理技术简介国内外纤维素安定处理技术简介 安定处理的方法是用热的弱酸和弱碱溶液依次对 nc 进行处理， 其过程包括酸 煮、碱煮、细断、精洗等过程，高压蒸煮技术是生产上广泛使用的安定处理技术， 在连续工艺中通常采用管煮器(以俄罗斯 nc 生产联合体为代表)，高温加压连续生产 工艺适应各种牌号的 nc 生产；间歇工艺中是高压釜，低粘度 nc 生产中采用间歇工 艺多一些。 细断设备从郝式(间歇式)细断机、连续锥型、圆桶式、圆盘磨式细断机到利用 流能粉碎的细断机等，有许多种类，但新型设备向体积小、效率高、寿命长、耗能 少方向发展。

29、硝化棉生产厂家也是连续、间断煮洗并存，其余工艺和设备都大同小 异，我国现有的细断方式也是多种多样。 1.4 本文的主要设计工作本文的主要设计工作 硝化纤维素的生产工艺主要包括硝化和安定处理两方面。其中的硝化工序主要 包括纤维素的梳解、纤维素的烘干、纤维素的输送、硝硫混酸的配制、硝化反应过 程以及废酸的回收。采用的主要设备有气动烘干联动机、输酸泵、配酸机、硝化机 以及酸回收设备等。 本文选用连续式生产工艺，以年产 10000 吨硝化纤维素为标准，通过工艺选择 和理论计算确定出硝化工序中主要设备的尺寸大小和工艺参数，并对某些在实际生 产中出现的不足进行改进，最终选取恰当的生产设备并进行车间布置。

30、2 工艺流程工艺流程 2.1 生产工艺概述生产工艺概述 nc 生产工艺包括以下几个阶段9： （1）混酸的配制； （2）纤维素的准备（包括纤维素原材料的梳解、切碎和烘干） ； （3）硝化（包括硝化和酸回收） ； （4）安定处理（包括酸煮、碱煮、细段以及精洗） ； （5）硝化棉混批及脱水； （6）民用棉（用于涂料、油漆、赛璐珞软片等的 nc）的酒精驱水。 在二战期间，前苏联就开始对 nc 生产工艺进行改造和使用连续化生产设备， 并完善了部分 nc 生产工艺。虽然当时还没有建立一套完善、统一的生产设备，但 纤维素准备工艺已比较成熟。所有 nc 生产线的硝化设备大致相同，但吸附酸的回 收设备在形状上是

31、有差异的，有的用离心式驱酸设备先进行驱酸，然后在置换器中 对 nc 的吸附酸进行置换，这是一种间歇式生产方式；而有些采用连续的圆形设备 hyok 进行自然虑酸，在驱酸圆形系统中对酸性 nc 进行四段置换回收。 安定处理阶段在一些工厂还采用常压安定处理及降低粘度的技术。高压蒸煮技 术是生产上广泛使用的安定处理技术，特别是低粘度 nc，在连续工艺上采用的是蒸 煮器，间歇工艺是高压釜。细段设备从郝式（间歇式）细段机、连续锥形、圆筒式、 圆盘磨式细段机到利用流能粉碎的细段机等，有许多种类。新型细断设备是向体积 小、效率高、寿命长、耗能少方向发展。其余工艺及设备在各个工厂都大同小异， 并不是所有的单位都

32、采用 hyok 及管煮器等设备形成的连续式生产工艺。我国现有 的硝化棉生产厂家也有间歇式、连续式两种生产方式，产品有混合强棉、弱棉等不 同产品。 本次设计采用连续式生产工艺10，生产 no.1nc。 2.2 连续式生产工艺流程连续式生产工艺流程 硝化前对纤维素要进行疏松和干燥处理，平均密度约为 300-500kg/m3 的木、棉 纤维素料包被送到梳解机，纸板状纤维素送到剪碎机进行切碎。对木、棉纤维素梳 解后的密度要求为 0.034-0.036 t/m3 ，密实的纸板纤维素切碎成 3mm3mm 或 3mm6mm 大小的小块，然后通过气流输送烘干联动机组，把纤维素送到硝化工序。 连续工艺见图 2.

33、1。 经过干燥湿度约为 5%的纤维素打到生产线中仓斗式计量槽 8 中，混酸用泵打 入到高位槽 7 中。在进入硝化器 10 中时要对纤维素、混酸进行计量。从贮槽中出来 的混酸，要经过热交换器 9，目的是对其进行加热或冷却，以达到所需的温度，然后 再进入硝化器。再搅拌下往硝化器中加入硝硫混酸，然后自动停止纤维素进料，在 此期间并不停止加酸。 间歇式螺杆仓斗式计量系统对所加的纤维素物料自动进行体积计量，并将其加 入硝化器中，计量系统的工作方式是由主控电气系统调节。在圆形设备 hyok 上方 有硝化器，进行预硝化反应，硝化器按照一定的时间间隙循环进行工作。 预硝化完毕，在不断搅拌下，将反应的物料从硝化

34、器自动卸到圆形设备 hyok 中。物料在 hyok 不断旋转的多孔的假底上均匀摊开，废酸通过假底的孔进入下底， 然后自动流出，经过过滤装置 14 进入酸收集槽 15。 在过滤器中被废酸带出的 nc 再返回到 hyok 的 nc 物料中，过滤的废酸从收集 槽 15 再被送到废酸高位槽 11，由此自动流经冷却器 12，用做 hyok 设备最后补充 硝化的雨淋酸。 圆形设备 hyok13 有四个雨淋段，其雨淋酸的浓度是逐渐变稀的，到第四段是 纯水雨淋。从第四段出来的酸打到雨淋酸高位槽 11，再经冷却器 12 作为第三段的雨 淋酸，在此 nc 用的雨淋酸浓度稍高些。 在第一置换段，从收集槽 17 出来

35、的置换酸浓度约为 65%，被送去废酸处理。其 余的浓度约 75%的置换酸从收集槽 16 打入配酸机 4 配置硝硫混酸以进一步用于纤维 素的硝化。为了配酸，从贮槽 1、2 经过计量槽 5、6 向混合配酸机打入原料酸。为 了收集配酸阶段、硝化阶段、圆形设备 hyok 酸置换阶段等益处的含雾、氧化氮及 硝酸的气体，装有气体收集器 24，收集的硝酸浓度约为 40%被送去处理。 酸度低于 8%的强棉物料的处理是在 hyok 的卸料区，no.1nc 进入搅拌机 18，从搅拌机出来的物料用料泵将其打入缓冲槽 19，经过搅拌槽再转入管煮器的两 个串联供料槽 22、23 中。从浓缩机出来的输送水经过捕集器 20

36、，收集的 nc 再用泵 打回缓冲槽，而水则进入中和段。在供料槽用软水将 nc 物料浓度稀释到 3%，用直 接蒸汽加热到 60-90。酸度控制在 0.2-0.6%，必要时还需加入到一定量的稀酸。两 个串联的供料槽将物料打入管煮器 25，蒸煮条件是 151-164、0.5-0.7mpa，对物料 进行预安定处理，以除去不稳定物质及留在 nc 的纤维内腔中的残酸，并降低粘度。 从蒸煮管出来的物料被送到热洗槽 29 中，在热洗槽中进行碱煮，从热洗槽中出 来的酸性水经过捕集器 30 进入中和阶段，补集到的 nc 再返回槽中。热洗槽中用的 是软水与碱溶液，其量控制在碱度为 0.01%-0.05%，物料浓度约

37、为 14%-15%。碱溶 液配制是在配碱机 27 中进行，其浓度控制在 4%-8%，从沉淀槽 26 经过计量器 28 按 规定量进入热洗槽。槽中碱煮温度控制在 95-100，为了热量回收及再利用，从热 洗槽出来的热蒸汽被抽风机带入冷凝塔 47，冷凝水收集到收集槽 46 中。经过碱煮后 的物料浓度约为 2%-3%，从热洗槽用泵打入未细段物料的搅拌槽 31 中。从搅拌槽出 来的物料进入细段机的浓缩机 33 中，在此，物料浓度浓缩到 8%-9%，经过接料漏斗 连续进入细段机 34 中。 细段后的 no.1nc 打入到收集槽 35 中。浓度为 4%-5%的 no.1nc 转到精洗机 37 进行精洗，在

38、此用干净凉水或稀碱溶液进行精洗，进入精洗机 37 的碱水要经过计 量器 36 计量。经过全面的物化分析、计量和计算，no.1nc 以一定的量形成总批。 图 2.1 硝化纤维素连续生产工艺流程图 3 物料衡算物料衡算 本文采用号纤维素生产年产量为 10000t 的军用 no.1 nc。设计每年生产时a 日为 320 天，则每天生产 31.25 t。每天工作时间为 24 h，则每小时生产 no.1 nc1310 kg 。 为了弄清生产工序中 nc 与纤维素、硝化混酸的用量关系，确定每天生产 31.25 tnc 所消耗的纤维素量、硝化混酸的量，乃至合理利用原料酸与生产过程中所产生 的废酸，都必须先进

39、行纤维素和硝化混酸的物料衡算。 3.1 纤维素用量的物料衡算纤维素用量的物料衡算 制备 nc 的反应式为： c6h7o2(oh)3+nhno3c6h7o2(oh)3-n(ono2)n+nh2o 63 是硝酸相对分子质量，18 为水的相对分子质量，162 指纤维素每个葡萄糖环 基的相对分子质量，用 n 表示 nc 的酯化度，n 的计算式为： n= 162 140045 n n 式中 n 是 nc 的含氮量，。 对于 no.1 nc： n= 213.5 13.385 15.95 这样，no.1 nc 的酯化度为： n=，取 n=2.72 162 13.385 2.718 140045 13.385

40、 将 n 值代入 nc 反应式，得到其相对分子质量。 m=162172.72622.72=284.4 每生产 l tnc，纤维素的理论消耗量为： gc=t 162 0.57 284.4 c m m 而实际上，每生产单位质量的 nc 所消耗的纤维素比理论上多，生产中应对纤 维素的消耗及 nc 的实际生产量进行修正，具体参数见表 3.1。 表 3.1 各工序中纤维素及 nc 损失 损失量 名称 不返回损失返回损失 纤维素疏松干燥工序 a 硝化段0.51.00.30.5 含细段的预安定处理段2.02.55.06.5 返回的未细段安定损失5.36.8 最后安定处理段及驱水2.03.09.010.0 n

41、c 总损失4.56.5 细段的 nc 返回损失9.010.0 对纤维素原料用量进行修正，其损失量为： 5.55.5 3.14 1.754 c nc g nc 在各工序平均损失量：对于 no1nc 损失 5.5。 在生产 nc 时纤维素总损失： (100%) c 不返 生产 no.1nc 采用号纤维素时，其-纤维素含量为 92%，为 2%，得到a不返 纤维素总损失： (100%92%)2%3.14%13.14% 每生产 1tnc，纤维素绝对消耗： c g1000.57 100 =0.656t 100-13.14 100- c g 绝 则每天生产 31.25t nc 纤维素的绝对消耗为： c 31

42、.25g=31.25 0.656=20.5t c g 绝每天绝 年产 10000t nc 纤维素的绝对消耗为： c 320g=320 20.5=6560t c g 绝总绝每天 3.2 硝化混酸用量的物料衡算硝化混酸用量的物料衡算 3.2.1 硝化混酸的需要量硝化混酸的需要量 由 3.1 中的计算可知，每生产 1t nc，硝酸的理论消耗量为： 2.72 63 =0.6 284.4 n n nm gt m 考虑到纤维素损失，在此情况下，硝酸的理论消耗量并不等于实际消耗量。下 面计算硝化所需硝酸的具体量。 纤维素在准备工序中的损失为： 13.14211.14% 不返 在纤维素损失的情况下，硝酸实际消

43、耗量为： 1000.6 100 =0.657 t 100-11.14 100- n n g g 下面计算生产 1t nc，硝化混酸的需要量，对于 no.1nc 硝化系数为 33。 ，取 b=22 t c 330.656 3321.648bgt 绝 硝化混酸质量组成： hno3 t0.23522 0.2355.17b h2so4 t0.6922 0.6915.18b h2o t0.07522 0.0751.65b 小计 22 t 则每天生产 31.25 t nc 硝化混酸的需要量为： 31.2531.25 22687.42tbb 每天 硝化混酸新的组成应为： hno3 t31.25 5.1716

44、1.56 h2so4 t31.25 15.18474.3 h2o t31.25 1.6551.56 小计 687.42 t 3.2.2 硝化混酸的损失量硝化混酸的损失量 在实际生产中，不仅在硝化反应时有硝酸消耗，在配酸、硝化、驱酸和酸回收 工序中硝酸也会有挥发损失。在工艺中硝酸挥发量取决于硝化混酸的组成、硝化和 驱酸温度及时间，还与通风系统设备结构有关。 一般随排放气体损失的硝酸为 0.97%，硫酸为 22%，在此条件下排放硝酸挥发 损失为： ，取 0.21t； 0.9722 0.97 0.213 100100 b t 则每天生产 31.25 t nc 时，其损失为： 31.25 0.216.

45、56t 硫酸在硝化阶段无消耗，其损失主要是随硝酸蒸汽带入通风系统，损失部分为： ，取 0.05t； 0.2222 0.22 0.048 100100 b t 则每天生产 31.25 t nc 时，其损失为： 31.25 0.051.56t 溢流和输送酸损失，按硝酸 0.01t/ t nc 算，硫酸 0.02t/ t nc 算。那么每天生产 31.25t nc 时，其损失为： hno3 31.25 0.010.3125t h2so4 31.25 0.020.625t 综上所述，则每天生产 31.25 t nc 时，硝酸和硫酸的实际需要量为： 3 hno 161.566.560.3125168.4

46、3tm 24 h so 474.3 1.560.625476.49mt 换算成体积为： 3 3 3 hno 3 hno hno 168.43 1000 112.82 1493 m vm 24 24 24 h so 3 h so h so 476.49 1000 259.53 1836 m vm 3.2.3 硝化反应时混酸的组成及硝化反应后废酸的质量组成硝化反应时混酸的组成及硝化反应后废酸的质量组成 硝化反应时，由于硝酸的挥发损失、硫酸损失和水分增加，使得混酸组成有所 变化。 硝酸消耗 硝化消耗 0.675 t 酸挥发损失 0.210 t 输送损失 0.010 t 合计 0.895 t 硫酸消耗

47、 挥发损失 0.050 t 输送损失 0.022 t 合计 0.072 t 水分增量 硝化 0.172 t 纤维素水分 0.033 t 合计 0.205 t 不考虑从空气中吸收水分，硝化后废酸的质量组成见表 3.2。 表 3.2 硝化后废酸的质量组成 组成质量t hno3 5.170.8954.275 h2so4 15.180.07215.108 h2o 1.650.2051.855 合计 21.238 硝化后，废酸各组分的浓度计算： hno3 4.275 100 20.087% 21.238 h2so4 15.108 100 70.986% 21.238 h2o 1.855 100 8.92

48、7% 21.238 在离心机中驱酸后，1t nc 中还有 1t 混酸，此时 nc 酸度为 50%55%，即吸附 酸中硝酸含量比废酸中硝酸含量高 30%，而水含量不变化。这样，吸附酸各组分浓 度为： hno3 20.087 (10030) 26.113% 100 h2so4 100(26.1138.927)64.96% h2o 8.927% 吸附酸质量组成为： hno3 t1 0.261130.26113 h2so4 t1 0.64960.6496 h2o t1 0.089270.08927 合计 1t 驱酸后，废酸的质量组成及数量（t）计算： hno3 t4.2750.261134.0139

49、h2so4 t15.1080.649614.4584 h2o t1.8550.089271.8107 合计 20.283t 驱酸后，废酸成分浓度（%）计算： hno3 4.0139 100 19.79% 20.283 h2so4 14.4584 100 71.28% 20.283 h2o 1.8107 100 8.93% 20.283 3.2.4 确定配酸及多余废酸量确定配酸及多余废酸量 配酸消耗原料硝酸量和硫酸（发烟硫酸和浓硫酸）量。废酸进入配酸工序， 在配酸机中补加一定数量的原料酸将废酸修配到所需的浓度。 由 2.2.2 中的计算可知，废酸的组成（%）如下： hno3 19.79；h2so

50、4 71.28；h2o8.93； 硝化混酸的组成（%）： hno3 23.5；h2so4 69.0；h2o7.5； 浓硝酸98% hno3 ，发烟硫酸（换算成 100% h2so4 ） ，no.1nc 硝化混酸的 量 b=22t 。 no.1nc 硝化混酸 b 各组成量的确定，硝酸 n，发烟硫酸 s，废酸 a 硝酸计算的公式：ay1+nn=by 硫酸计算的公式：ax1+ss=bx 各组份总和计算式：a+n+s=b 式中 y1废酸中硝酸质量分数，% ； x1废酸中硫酸质量分数，% ； n浓硝酸中硝酸质量分数，% ； s发烟硫酸中硫酸质量分数，% ； yno.1nc 硝化混酸中硝酸质量分数，% ；

51、 xno.1nc 硝化混酸中硫酸质量分数，% 将数据代入公式得： 19.799822 23.5an 71.2810522 69.0as 22ans 得到：a=19.02 t ；n=1.435 t ；s=1.545 t no.1nc 废酸多余量： a20.28319.02=1.263 t 其中含：硝酸为 t1.263 0.19790.25 硫酸为 t1.263 0.71280.90 换算成一水化物： t 1.435 0.981.406n t 1.545 1.051.622s 则每天生产 31.25 t no.1nc 时废酸多余量为： t31.25 31.25 1.26339.47aa 换算成一水

52、化物： t31.2531.25 1.40643.94nn t31.25 31.25 1.62250.69ss 4 主要设备的设计主要设备的设计 4.1 气动烘干联动机气动烘干联动机 以前，纤维素的烘干是在专门的设备中进行的，而这种设备有许多缺点：在加 热器的加热表面上沉积棉尘，因而不仅降低了空气加热的传热效果，同时又可能发 生棉沉着火燃烧，运动部件多所造成的保养和修理困难，设备所需的金属材料数量 大，生产能力小等问题。而气动烘干联动机8就是生产能力更大、更安全、更方便的 烘干、输送设备。 气动烘干联动机完成两个工艺过程：纤维素烘干和纤维素输送（去硝化工序） 。 下面就其两个重要部件进行计算，确

53、定出满足工艺要求的设备尺寸。 4.1.1 气动烘干管的管道内径、外径及长度的确定气动烘干管的管道内径、外径及长度的确定 设空气中纤维素的浓度=0.5kg/kg 空气，空气运动速度=15.5m/s，=1.06， x va 此时纤维素的运动速度为： 15.5 12.72/ (1)1.06 (1 0.15) x a v vm s a 烘干联动机的棉纤维供料量为=1310kg/h，则管道内径为： c g 1310 1.131.130.432 0.15 12.72 3600 c a g dm v 内 气动烘干管采用钢质管(按标准，其厚度取 1mm)，并用矿用石棉保温，其厚度 为 40mm，涂层厚度为 2

54、0mm，则它的外径为： 0.450.0020.080.040.572dm 外 l 是从纤维素制备工序到硝化工序的距离，取 130m，但考虑到线路有升高、拐 弯，管道总长再加上 15%，因此，管线总长：130 (1 0.15)149.5lm 参照钢管规格 ，气动烘干管选用450mm9mm的无缝钢管。 4.1.2 收缩收缩扩张漏斗的计算扩张漏斗的计算 收缩扩张漏斗（图 4.1）用来向气动输送管道供给纤维素，它是联动机最关键 的部件，它关系到能否为气动输送管道正常供给纤维素。 图 4.1 收缩扩张漏斗 收缩扩张漏斗是一根管子，截面为正方形，其上部有漏斗（纤维素装料） ，其 一端与压力风机的管路连接，

55、另一端与气动烘干管连接。在加料漏斗前收缩扩张 管处用挡板 1 收缩，形成收缩喷嘴。加料漏斗后，收缩扩张管第二部分，则用挡板 4 形成扩张器，通过改变收缩和扩张喷嘴横截面调节漏斗。漏斗结构采用正方形截面， 目的是为了减少空气通过漏斗时的压头损失，当混合物从漏斗出来时，进、出口截 面积等于气动输送管道的截面积。 气动输送管道的截面积为： m2 22 0.45 0.159 44 d f 所以漏斗的截面边长 b 为： m，取 b=400mm。0.1590.389bf 4.2 风机的计算与选择风机的计算与选择 对于纤维素而言，夏季水分含量大于冬季，空气计算按夏季进行。空气的相关 参数见表 4.1。 根据

56、表 4.1 中的空气参数，先计算蒸发 1 kg 水分需要的空气量，计算式如下： 20 10001000 98.23 20.6 10.42 kg ww 表 4.1 空气参数 测定参数地点 t/ (%)i /kj kg-1空气w/gkg-1 v0 /m3 湿空气kg-1 干空气 入加热器207046.4710.420.8613 出加热器1051.08 入烘干管854113.0410.421.05 空 气 出烘干管453397.1320.60.917 烘干联动机的棉纤维供料量 gc =1310kg/h，通常纤维素初始水分 w1 =12%，烘 干后纤维素最终水分 w2 =5%。 纤维素在输送过程中蒸发

57、水分量： 12 1 125 1310104.145/ 100100 12 c ww ugkg h w 为了选择风机，先要确定相应的空气体积。设伸缩扩张漏斗吸入空气 10%， 此时，空气经加热后温度 ti=105,v0=1.08 m3 湿空气/ kg 干空气，计算结果见表 4.2。 表 4.2 空气体积 考虑管路中不密闭，使空气损失 10%，则所装风机供气量为： m3 h-1，取 v风机=10900 m3 h-1v1 0.19873 1.110860v 风机 （） 根据风机的供气量可选择 4-72-11 型 6c 号离心通风机。该风机的主要性能参数 为：转数 n=1800r/min，流量 v=1

58、2700m3/h，效率=91%，功率 n=7.3kw。 4.3 配酸机配酸机 常用的配酸机有两种：立式和卧式11。 近年来配酸工序常采用卧式圆柱形配酸机（图 4.2） ，其直径为 3m，长度为 6m，配酸机有两个螺旋桨搅拌器。搅拌器的转速控制在 120r/min。 1壳体；2支架；3减速器；4搅拌器轴；5搅拌器 图 4.2 卧式配酸机 在搅拌器轴壳体上装有硝酸、硫酸、废酸进口，还有用于观察的窥视孔。在窥 视孔上有与通风系统相连接的管子和取样管。壳体下部有一硝化混酸出料管。 所处的位置v0计算 98.23v0u v/ m3 h-1 加热器后空气1.08 98.23104.1451.08 9873

59、 进气 接料斗排气 1.05 0.945 98.23104.1451.05 98.23104.1450.945 10660 9620 卧式配酸机技术规格： 外形尺寸，m 26 有效容积，m3 20 搅拌器桨叶转速，r/min-1 120 4.4 酸计量槽工艺尺寸的确定酸计量槽工艺尺寸的确定 酸计量槽是向配酸机加酸时，用于配酸计量的，硝酸和硫酸采用单独的计量槽。 硝酸计量槽用金属铝制造，硫酸计量槽的材质采用钢。计量槽为圆柱形容器，平底 带盖，计量槽上部有提供原料酸的管接头和溢流管接头（二者直径一样） 。计量槽的 盖上有一连接计量槽和通风系统的管接头，测量酸液位的浮标装置。 酸计量槽的直径 d 和

60、配酸机的长度 l 关系如下式所示： 2 1 0.01 4 bnd l n 式中 b要配制的硝化混酸质量，kg； n相应酸一水化合物的质量分数，%； 相应酸的密度，kg/m3； n1 测量相应酸中一水化物质量分数，%； l配酸机的长度，m 根据这一关系式，并结合第三章的物料平衡数据，可以确定硝酸计量槽与硫酸 计量槽的直径分别为： hno3 2 687.42 1000 0.95 0.013.14 6 0.95 14934 d 解得： d=2.0 m h2so4 2 687.42 1000 0.98 0.013.14 6 0.98 18364 d 解得： d=2.2 m 酸计量槽的高度 h 与补加酸