喷射硝化法生产硝化甘油的模拟计算_秦能

文章编号:1006-9941(2002)04-0185-04喷射硝化法生产硝化甘油的模拟计算秦　能1,姚军燕2,刘有智3(1.西安近代化学研究所,陕西西安710065;2.西北工业大学化学工程系,陕西西安710065;3.华北工学院化学工程系,山西太原030051)摘要:对喷射硝化器生产硝化甘油进行了模拟计算。在建立数学模型的过程中,提出了几点假设,计算反应进行程度时回避了传统的平衡常数法,代之以几组相平衡间的函数关系式。建立的数学模型,计算结果与实际生产情况相符。关键词:喷射硝化器;硝化甘油;数学模型;仿真培训中图分类号:TQ564　　文献标识码:A收稿日期:2002-04-22;修回日期:2002-07-03作者简介:秦能(1970-),男,工程师,博士,从事固体推进剂配方与工艺研究。1　引　言硝化甘油是一种广泛应用的含能材料,在工业及军事上都有很重要的用途。到目前为止,在火炸药生产中硝化甘油仍占有相当大的比重,特别是在双基药及改性双基药中,硝化甘油更占有十分重要的地位[1]。硝化甘油是甘油和硝酸酯化反应的产物。一般地,生产硝化甘油的几种典型硝化器为:间断式硝化器、机械搅拌连续硝化器、压空搅拌连续硝化器和喷射硝化器。喷射硝化器以其安全、可靠生产效率高等优点已逐渐取代其他几种硝化器[2]。由于硝化甘油是极易爆炸的危险品,生产中首先要确保安全。对上岗生产人员首先要进行安全生产培训,而计算机仿真培训是一种较为理想的培训手段。它无需现场操作,因而无危险,操作人员在仿真培训系统上接受培训,可以在数周之内取得现场二年到五年的生产操作经验。本研究所做工作是开发喷射法硝化甘油生产工艺仿真培训系统的基础内容之一。本文所建立的数学模型,经验证,模拟计算结果与实际结果十分接近,其计算精确度完全可以满足喷射法硝化甘油生产工艺仿真培训系统的需要。2　数学建模2.1　工艺原理简介甘油与硝酸反应生成硝化甘油,总的反应式可以表示如下:C3H5(OH)3+3HNO3H2SO4C3H5(ONO2)3+3H2O　(a)生产中用硝酸、硫酸配制成混合酸,再配以生产中产生的废酸制成硝化酸,用硝化酸对甘油进行硝化。喷射器的结构如图1所示,主要由喷嘴、喉部、扩散管、吸入室等组成。喷射器是利用工作流体(即硝化酸)在流动时发生静压能与动能的相互转换原理,达到吸入并排出液体的目的。当硝化酸在高压下经过喷嘴时,以高速度由喷嘴射出,此时它的静压能转变为动能,产生低压,从而将甘油吸入。硝化酸及甘油通过喉部时,在高度湍流下相互混合,在混合过程中二者迅速发生硝化反应,然后再进入一扩大管(即扩散管),在扩散管中由于管径逐渐变大,速度亦逐渐变小,动能又转变为静压能,将混合液排出。因为甘油的硝化反应速度很快,在0.5～1s内即可完成,甘油的分散度高时,反应的最短时间约为0.2s,而混合物在喷射器内的停留时间大约为0.5s左右,所以,出喷射器后反应基本结束。喷射器的主要参数是喷射系数,即被抽液体(甘油)与工作液体(硝化酸)的质量比(G甘油/G硝化酸)。它关系到喷射器的效率和硝化系数(喷射系数的倒数)的大小,因此对安全生产有重要的影响[3]。第10卷　第4期2002年12月　　　　　　　　　　　含　能　材　料ENERGETICMATERIALS　　　　　　　　　　Vol.10,No.4December,2002图1　喷射器结构示意图1—甘油入口,2—喷嘴,3—吸入室,4—渐缩管,5—喉部,6—扩散管Fig.1　Schematicdiagramofthestructureofinjector1—glyceroli