СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК C06B21/00 

Область техники
Изобретение относится к газогенерирующим и/или соединениям ракетного топлива и, более конкретно, к получению энергетических соединений, таких как динитрамид аммония по существу сферической формы.

Предпосылки создания изобретения
Динитрамид аммония представляет собой несодержащий хлора окислитель, полезный в ракетном топливе и газогенерирующих устройствах, таких как нагнетательные наносы для пневмоподушек. Например, в патенте США 5324075 динитрамид аммония описывается в качестве предпочтительного газогенератора для пневмоподушек. В патенте США 5316749 раскрывается способ получения стабильных солей динитрамида аммония для использования в бездымном ракетном топливе. Хотя соединения динитрамида аммония имеют полезные функциональные свойства, они имеют физические ограничения, которые приводят к непрактичности их использования.

Например, динитрамид аммония (ДНА) кристаллизуется естественным путем в форме иголок или пластинок, которые не легко подвергаются последующей обработке. При применении в качестве ракетного топлива или газогенератора для получения предсказуемых результатов необходимо использовать твердые частицы динитрамида аммония контролируемого размера. В качестве полезных рассматриваются частицы в диапазоне от 10 до 1000 микрон. Однако попытки контролировать кристаллизацию или физически обработать твердый ДНА для получения выбранного размера частиц оказались неудачными, так как твердый ДНА не может быть размолот или подвергнут другим физическим способам обработки из-за своей низкой стабильности.

Один из способов получения гранулированного динитрамида аммония заключается в плавлении ДНА в нерастворяющей жидкости, интенсивном перемешивании для распределения ДНА, а затем быстром охлаждении смеси прежде, чем ДНА коагулирует.

Этот способ не является подходящим, так как расплавленный ДНА может бурно разлагаться, если он остается расплавленным в течение слишком длинного периода времени. Также для снижения потенциальной опасности протекания разложения должно быть сведено к минимуму общее количество ДНА в жидкости. Являясь возможно достаточным для получения лабораторных количеств ДНА, такой способ не может использоваться для получения больших количеств необходимого материала, например для использования в качестве ракетного топлива.

Краткое изложение сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание по существу сферического твердого энергетического соединения, такого как ДНА, контролируемого размера при ограниченном времени плавления.

Дополнительной задачей является создание непрерывного способа получения по существу сферических энергетических соединений, таких как ДНА, на крупномасштабном оборудовании для получения больших количеств полезного материала.

Эти и другие задачи настоящего изобретения решаются посредством способа получения по существу сферических энергетических соединений, включающего обеспечение твердого энергетического соединения; загрузку твердого энергетического соединения с контролируемым непрерывным потоком в нагревательное устройство; плавление энергетического соединения в нагревательном устройстве; обеспечение нерастворяющей охлаждающей жидкости, поддерживаемой при температуре ниже температуры отверждения энергетического соединения; и добавление расплавленного энергетического соединения со скоростью, которая соответствует скорости загрузки в охлаждающую жидкость таким образом, что энергетическое соединение образует при введении в жидкость капли, отверждающиеся в сферической форме.

Перемешиваемая охлаждающая жидкость перемешивается достаточно для диспергирования жидкого энергетического соединения в капли требуемого размера. Поток охлаждающей жидкости подается в фильтрующее устройство для удаления сферического энергетического соединения с возвращением жидкости для непрерывного использования в процессе.

Способ также включает обеспечение жидкого носителя и смешивание твердого энергетического соединения с жидким носителем перед загрузкой в нагревательное устройство. При этом расплавленное энергетическое соединение добавляют в охлаждающую жидкость вблизи от источника перемешивания. Причем в способе согласно изобретению энергетическое соединение может представлять собой динитрамид аммония, в нагревательном устройстве желательно поддерживать температуру примерно 100-110^oС, температуру охлаждающей жидкости поддерживать менее 100^oС, предпочтительно примерно 10-90^oС, наиболее предпочтительно примерно 20^oС.

Нерастворяющую охлаждающую жидкость выбирают из группы, состоящей из минерального масла, силиконового масла и фторированного углеводородного масла.

В способе согласно изобретению сбор сферических частиц может включать переключение циркуляционного устройства на второй фильтр и промывание, сушку и удаление сферических частиц с первого фильтра.

Поставленные задачи решаются также посредством устройства для непрерывного получения по существу сферического энергетического соединения, которое включает подающее устройство для загрузки порошкового твердого энергетического соединения с контролируемой скоростью; устройство плавления для плавления энергетического соединения со скоростью, сравнимой с контролируемой скоростью загрузки; охлаждающее устройство, содержащее нерастворяющую жидкость при температуре ниже температуры плавления энергетического соединения, устройство для плавления, подающее расплавленное энергетическое соединение в охлаждающее устройство; мешалку, размещенную в нерастворяющей жидкости, выполненную с возможностью контролируемого перемешивания охлаждающей жидкости так, чтобы расплавленное энергетическое вещество распределялось на капли контролируемого размера, капли отверждаются в охлаждающей жидкости в по существу сферические частицы, размер частицы соответствует размеру капли; циркуляционное устройство для циркуляции нерастворяюшей охлаждающей жидкости через фильтрующее устройство для сбора сферических частиц.

Устройство может дополнительно включать смешивающее устройство для смешивания порошкового твердого энергетического соединения с нерастворяющим жидким носителем, подающее устройство для подачи смеси с контролируемой скоростью в устройство для плавления, устройство для плавления энергетического соединения для образования двухфазной смеси перед поступлением в охлаждающее устройство.

Фильтрующее устройство может содержать первый и второй фильтр и в этом случае циркуляционное устройство выполнено с возможностью прокачивания нерастворяющей жидкости через любой из фильтров.

При использовании изобретенного способа количество энергетического соединения, такого как ДНА, которое расплавляется в любое данное время, сведено к минимуму, и энергетическое соединение находится в расплавленном состоянии в течение очень короткого промежутка времени. Это снижает возможность разложения. Далее энергетическое соединение легко отделяется от охлаждающей жидкости посредством фильтрования и впоследствии промывается, сушится и хранится для употребления. Путем контролирования температуры жидкости, скорости прибавления и степени перемешивания возможно получать одинаково согласованный размер частиц в предпочтительном диапазоне от примерно 10 до примерно 1000 микрон.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематический вид способа по настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет собой альтернативный способ согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения
Данное изобретение, впоследствии описываемое в применении в динитрамиду аммония, может также применяться для других энергетических соединений, которые являются потенциально нестабильными и трудными для получения в по существу сферической форме. Например, 1,3,3-тринитроазетидин представляет собой энергетическое соединение, которое может быть обработано в соответствии с настоящим изобретением, и изобретение не ограничивается ДНА.

Термины "сферический", "по существу сферический" используются взаимозаменяемо, ссылаясь на образование гранул или частиц энергетического соединения как обычно классифицируемых процентом прохождения через сито с определенным размером ячеек. Как хорошо известно, такие частицы классифицируются по количеству материала, который проходит через сито, имеющее определенное пропускное сечение. Совершенная сферическая форма не является необходимой. Скорее достаточен по существу сферический размер частиц.

Энергетическое соединение, такое как динитрамид аммония, может быть получено известными способами. Например, патент США 3428667 Hamill et al. описывает реакцию ионной соли нитрония с первичным органическим нитрамином с образованием N, N-динитрамина, имеющего общую формулу R-[N-(NO₂)₂]_n, где n составляет 1-2, а r является одновалентным или двухвалентным органическим радикалом.

Ссылаясь на фиг.1, твердое энергетическое соединение 1 в порошковой форме помещают в бункерное загрузочное устройство 2, которое связано с конвейером 3. Конвейер может быть любого подходящего типа, такой как винтовой конвейер, ленточный конвейер и тому подобное, для транспортирования твердых веществ с контролируемой скоростью. Контроль необходим для гарантии доставки выбранного количества соединения с выбранной скоростью.

Нагревательное устройство расположено на разгрузочном конце конвейера. Показанное нагревательное устройство представляет собой двухтрубочный теплоприемник 4, имеющий две коаксиальные трубки, внутренняя трубка 5, через которую проходит вещество, и внешняя трубка 6 с установленным пространством 7 между трубками, так что образуется рубашка, по которой проходит нагретая жидкость 8, нагревая содержимое внутренней трубки. Теплообменник 4 работает при температуре, достаточной для плавления поступающего количества энергетического соединения. Энергетическое соединение поступает в трубку в виде твердого порошка и затем расплавляется во внутренней трубке. Расплавленное соединение стекает к выходному концу 10 внутренней трубки. Например, ДНА плавится при температуре примерно 100^oС, и является предпочтительным поддерживать нагревательное устройство при температуре от примерно 100^oС до примерно 110^oС, чтобы избежать перенагревания материала энергетического соединения по мере его прохождения через нагревательное устройство.

Нагревательное устройство предпочтительно размещают под углом вниз к направлению выходного конца для возможности стекания расплавленного энергетического соединения под действием гравитации от входного конца к выходному концу 10 теплообменника. Выходной конец расположен над отверстием 12 наверху охлаждающей емкости 13.

Охлаждающая емкость 13 содержит нерастворяющую жидкость 14, подвергаемую перемешиванию посредством мешалки 15. Охлаждающая жидкость поддерживается при температуре ниже температуры плавления энергетического соединения, так что происходит почти немедленное отверждение, когда энергетическое соединение попадает в охлаждающую жидкость. Предпочтительно при обработке ДНА охлаждающая жидкость поддерживается при температуре примерно 20^oС.

После того как энергетическое соединение попадает в охлаждающую жидкость и перед отверждением, оно диспергируется на по существу сферические капли желаемого размера мешалкой, которая смешивает и распределяет капли перед отверждением. Перемешивание также поддерживает разделение капель до прохождения отверждения.

Часть охлаждающей жидкости затем подается насосом 18 в фильтр 19, где собирается твердое по существу сферическое энергетическое соединение 20. Охлаждающая жидкость затем подается насосом 21 обратно в охлаждающую емкость.

Предпочтительно имеется второй фильтр так, чтобы имелась возможность непрерывной эксплуатации при получении сферических частиц, при этом второй фильтр приводится в действие для возможности промывания, сушки и удаления твердого сферического энергетического соединения от первого фильтра 19.

При использовании настоящего изобретения достигается непрерывный способ получения энергетического соединения, в частности ДНА. Кроме того, количество энергетического соединения, подвергаемого плавлению, минимизировано, так же как и время, в течение которого соединение находится в жидкой форме.

Ссылаясь на фиг. 2, показано альтернативное воплощение настоящего изобретения.

В этом способе энергетическое соединение 23 помещают в жидкий носитель 24, содержащийся в емкости 25. Жидкий носитель преимущественно идентичен нерастворяющей охлаждающей жидкости. Таким образом, энергетическое соединение смешивается с жидким носителем с получением суспензии, в которой твердое энергетическое соединение диспергируется. Предпочтительно жидкость непрерывно перемешивается мешалкой 26 для сохранения дисперсии энергетического соединения в жидкости. Затем часть суспензии подается в теплообменник 27, такой как двухтрубочный теплообменник, описанный выше. Как и ранее, нагретая жидкость 28 нагревает смесь во внутренней трубке выше температуры плавления энергетического соединения, вызывая плавление соединения. Так как энергетическое соединение нерастворимо в жидком носителе, оно отделяется во вторую жидкую фазу 29. Двухфазная жидкость может затем подаваться из выпускного конца 29 с контролируемой скоростью в перемешиваемую охлаждающую емкость 31, где фаза энергетического соединения диспергируется мешалкой на капли 32, которые отверждаются в охлаждающей жидкости 33, опять приводя к продукту из по существу сферических частиц. Как описано выше, поток охлаждающей жидкости, содержащий твердые сферические частицы, может подаваться на фильтрационную установку для выделения твердого энергетического соединения и возвращения охлаждающей жидкости в процесс.

Различные нерастворяющие жидкости могут использоваться зля содержания твердого энергетического соединения, например, такие как минеральное масло, фтороуглеродное масло, силиконовое масло. Может использоваться любая нерастворяющая жидкость с достаточно высокой температурой кипения, "нерастворяющий" означает, что энергетическое соединение не будет реагировать с нерастворителем при или выше своей температуры плавления.

При использовании настоящего изобретения энергетические соединения, такие как ДНА, могут быть получены с размером от примерно 10 до примерно 1000 микрон, с диапазоном в зависимости от температуры охлаждающей жидкости, скорости прибавления, скорости перемешивания, размещения капли и тому подобное. Например, если загрузка происходит ближе к мешалке, то вероятнее большее физическое разрушение размера капель, уменьшая тем самым размер частиц. С другой стороны, меньшее перемешивание в сочетании с более высокой скоростью добавления будет давать возможность образования и отверждения без дробления каплям большего размера. Для использования в качестве ракетного топлива предпочтительно, чтобы ДНА получался с размером частиц менее около 425 микрон, предпочтительно с большинством частиц в диапазоне 10-200 микрон.

ПРИМЕР
Один килограмм порошкового ДНА, содержащего от 0,1 до 2% стабилизатора (гексамина), помещали в бункерное загрузочное устройство. Покрытый тефлоном винтовой подающий конвейер использовали для подачи 100 г ДНА в час к двухтрубному теплообменнику. Горячая вода циркулировала через теплообменник при температуре около 100^oС, расплавляя ДНА. 1,5 миллиметровый капиллярный конец был оборудован на выходном конце теплообменника для ускорения образования капель. Теплообменник устанавливали под углом около 20^o для ускорения стекания под действием силы тяжести расплавленного ДНА к выходному концу. Охлаждающая емкость, содержащая минеральное масло, была расположена ниже выходного конца, емкость имела охлаждающие спирали для поддержания температуры емкости при примерно 20^oС. Была установлена отражательная перегородка рядом с капиллярным концом для поддержания постоянно перемешиваемой окружающей среды в области места вхождения капли. Мешалка имела возможность осуществления различных скоростей перемешивания для регулирования степени перемешивания в области отражательной перегородки, регулируемый интервал мешалки 2000-4000 оборотов в минуту. Мешалку устанавливали на скорость примерно 3400 оборотов в минуту, мешалка имела диаметр 1-3/4'' (4.445 см). С использованием описанного устройства получали твердое вещество, 65% которого имело выбранный диаметр, по существу сферический ДНА, имеющий размер частиц менее 425 микрон.

Эксперимент повторяли с использованием мешалки с диаметром 2-1/2'' (6.35 см), установленной при 2300 оборотах в минуту, для генерирования той же окружной скорости конца лопасти для перемешивания капель, при этом было получено то же количество по существу сферического ДНА, имеющего размер частиц менее 425 микрон.

Использование настоящего изобретения обеспечивает непрерывный способ получения сферических энергетических соединений, таких как динатрамид аммония, давая возможность получения больших количеств сферического материала с минимальным количеством расплава, остающегося при температуре плавления в течение минимального времени. Параметры, регулирующие размер частиц, легко контролируются, например, посредством увеличения скорости перемешивания для регулирования процесса получения продукта с различным размером при общем рециркулировании охлаждающей жидкости. Таким образом, при использовании способа по изобретению расходы на материалы и оборудование сведены к минимуму, тогда как безопасность способа увеличена.

Изобретение относится к получению энергетических соединений, таких как динитрамид аммония, имеющих, по существу, сферическую форму, и может быть использовано для получения ракетного топлива. Предложен способ получения, по существу, сферических энергетических соединений, таких как динитрамид аммония (ДНА), и устройство для его осуществления. Способ включает создание твердого ДНА, загрузку ДНА с контролируемой непрерывной скоростью в нагревательное устройство, плавление ДНА, непрерывную подачу расплавленного ДНА в нерастворяющую охлаждающую жидкость, поддерживаемую при температуре ниже температуры отверждения ДНА, при этом охлаждающая жидкость перемешивается способом, который промоторует образование капель контролируемого размера, которые отверждаются в охлаждающей жидкости с получением, по существу, сферического динитрамида аммония с размером частиц, соответствующих размеру капель, обеспечивается снижение расходов на материалы и оборудование. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения, по существу, сферического энергетического соединения, включающий обеспечение твердого энергетического соединения, его загрузку с контролируемым непрерывным потоком в нагревательное устройство с последующим расплавлением, отличающийся тем, что расплавленное энергетическое соединение добавляют в нерастворяющую охлаждающую жидкость, поддерживаемую при температуре ниже температуры отверждения энергетического соединения, со скоростью, соответствующей скорости его загрузки в нагревательное устройство, с получением капель, отвержденных в охлаждающей жидкости, по существу, в сферические частицы, размер которых соответствует размеру капель, и нерастворяющую охлаждающую жидкость непрерывно циркулируют с помощью циркуляционного устройства через первый фильтр для сбора сферических частиц. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердое энергетическое соединение перед загрузкой в нагревательное устройство смешивают с жидким носителем. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расплавленное энергетическое соединение добавляют в охлаждающую жидкость вблизи от мешалки, размещенной в нерастворяющей охлаждающей жидкости. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энергетического соединения используют динитрамид аммония. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нагревательном устройстве поддерживают температуру примерно 100-110^oС. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру нерастворяющей охлаждающей жидкости поддерживают равной менее 100^oС. 7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что температуру нерастворяющей жидкости поддерживают равной примерно 10-90^oС. 8. Способ по п. 4, отличающийся тем, что температуру нерастворяющей жидкости поддерживают равной примерно 20^oС. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нерастворяющую охлаждающую жидкость выбирают из группы, состоящей из минерального масла, силиконового масла и фторированного углеводородного масла. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сбор сферических частиц осуществляют переключением циркуляционного устройства на второй фильтр, промывкой, сушкой и удалением сферических частиц с первого фильтра. 11. Устройство для непрерывного получения, по существу, сферического энергетического соединения, содержащее средство для загрузки твердого энергетического соединения, нагревательное устройство для его расплавления, охлаждающее устройство, средство для подачи расплавленного энергетического соединения в охлаждающее устройство, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит мешалку, выполненную с возможностью контролируемого перемешивания охлаждающей жидкости, и циркуляционное устройство для циркуляции охлаждающей жидкости через фильтрующее устройство. 12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит смешивающее устройство для смешивания твердого энергетического соединения с нерастворяющим жидким носителем и средство для подачи смеси с контролируемой скоростью в нагревательное устройство для расплавления. 13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что фильтрующее устройство содержит первый и второй фильтры, и циркуляционное устройство выполнено с возможностью прокачивания нерастворяющей охлаждающей жидкости через любой из фильтров.