硝化纤维素的工艺设计——硝化工序的工艺设计毕业论文.doc

硝化纤维素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 CELLULOSENITRIFYING PROCESS DESIGNABSTRACTNitrifying 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 economy. It's 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 the 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 cellulose, producing technology, mixed acid, equipment目 录摘 要Abstract1 引言 1 1.1 硝化纤维素的分类及用途 11.2 硝化纤维素的主要物化性能和质量指标 31.2.1 硝化纤维素的结构 31.2.2 硝化纤维素的溶解性能 31.2.3 硝化纤维素的粘度 41.2.4 硝化纤维素的质量指标 51.3 国内外工艺研究情况 61.3.1 国内外纤维素酯化技术简介 61.3.2 国内外纤维素安定处理技术简介 81.4 本文的主要设计工作 82 工艺流程 92.1 生产工艺概述 92.2 连续式生产工艺流程 93 物料衡算 133.1 纤维素用量的物料衡算 133.2 硝化混酸用量的物料衡算 153.2.1 硝化混酸的需要量 153.2.2 硝化混酸的损失量 163.2.3 硝化反应时混酸的组成及硝化反应后废酸的质量组成 173.2.4 确定配酸及多余废酸量 184 主要设备的设计 204.1 气动烘干联动机 204.1.1 气动烘干管的管道内径、外径及长度的确定 204.1.2 收缩扩张漏斗的计算 214.2 风机的计算与选择 214.3 配酸机 234.4 酸计量槽工艺尺寸的确定234.5 输送酸管道直径以及泵的计算与选择 244.5.1 输送酸管道的计算与选择 244.5.2 输酸泵的计算与选择 254.6 酸回收设备的计算 264.6.1 圆形设备HYOK中酸回收工艺流程 264.6.2 圆形设备HYOK工作过程 274.6.3 圆形设备HYOK工艺计算 294.6.3.1 置换段长度的计算 294.6.3.2 各置换段雨淋面积及雨淋器数量的确定 294.6.3.3 圆形传动筛板直径的确定 31 4.7 硝化机的选择 314.7.1 搅拌式硝化机的构造 314.7.2 搅拌式硝化机的技术规格 32结 语 34参考文献 35致 谢 361 引 言硝化纤维素(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，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弱棉名称含氮量规定粘度0E应用范围ml NOgN高粘度漆用190-19611.89-12.261.9-2.2航空清漆、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170-19810.64-11.581.3-3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强棉名称含氮量规定粘度0E溶解度应用范围mlNO/gN%高氮量BA-1不小于208不小于13.04-1522火药用原料BA-2208.5-21013.05-13.148-1231.5中氮量CA204-207.512.76-13.08-1232低氮量H198-20012.39-1258-12NO.1不小于209不小于13.098-124制混合棉NO.11194.5-19812.1712.398-122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1.2.1 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。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与常用溶剂的组成溶剂在产品中的百分含量，%作用硝基涂料(硝基瓷漆)硝基油漆酯酸丁酯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ml9090909090C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用不同的测量方法。1.3 国内外工艺研究情况1.3.1 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，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11.5%-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。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。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。2 工艺流程2.1 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3mm×3mm或3mm×6mm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2.1。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，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=式中N是NC的含氮量，。对于NO.1 NC：N=这样，NO.1 NC的酯化度为：n=，取n=2.72将n值代入NC反应式，得到其相对分子质量。m=16217×2.7262×2.72=284.4每生产l tNC，纤维素的理论消耗量为：Gc=t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损失名称损失量不返回损失返回损失纤维素疏松干燥工序硝化段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2.03.09.010.0NC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：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：生产NO.1NC采用号纤维素时，其-纤维素含量为92%，为2%，得到纤维素总损失：每生产1tNC，纤维素绝对消耗：则每天生产31.25t NC纤维素的绝对消耗为：年产10000t NC纤维素的绝对消耗为：3.2 硝化混酸用量的物料衡算3.2.1 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：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：在纤维素损失的情况下，硝酸实际消耗量为：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硝化混酸质量组成：HNO3 tH2SO4 tH2O t小计 22 t则每天生产31.25 t NC硝化混酸的需要量为：硝化混酸新的组成应为：HNO3 tH2SO4 tH2O t小计 687.42 t3.2.2 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；则每天生产31.25 t NC时，其损失为：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；则每天生产31.25 t NC时，其损失为：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 H2SO4 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： 换算成体积为：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，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tHNO35.170.8954.275H2SO415.180.07215.108H2O1.650.2051.855合计21.238硝化后，废酸各组分的浓度计算：HNO3 H2SO4 H2O 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 H2SO4 H2O 吸附酸质量组成为：HNO3 tH2SO4 tH2O t合计 1t驱酸后，废酸的质量组成及数量（t）计算：HNO3 tH2SO4 tH2O t合计 20.283t驱酸后，废酸成分浓度（%）计算：HNO3 H2SO4 H2O 3.2.4 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；H2SO4 71.28；H2O