RDX的連續(xù)干燥特性研究

張幺玄，陳厚和，胡永勝，周述文，張路遙

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094；2.甘肅銀光化工集團有限公司，甘肅白銀730900）

RDX的連續(xù)干燥特性研究

張幺玄1，陳厚和1，胡永勝2，周述文2，張路遙2

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094；2.甘肅銀光化工集團有限公司，甘肅白銀730900）

采用最新研制的干燥冷卻一體機對含水量（質(zhì)量分數(shù)）6%的RDX進行干燥脫水實驗，在線跟蹤監(jiān)測干燥過程中的水分、靜電和溫度的分布，并運用菲克擴散方程對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，計算得到RDX干燥過程的有效擴散系數(shù)。結(jié)果表明，RDX干燥過程沒有經(jīng)歷恒速干燥階段，而是經(jīng)過短暫的升速階段后直接進入降速干燥階段，產(chǎn)品含水量（質(zhì)量分數(shù)）不大于0.1%，滿足工業(yè)生產(chǎn)使用的要求；干燥過程中的靜電和溫度的分布均滿足安全操作要求；干燥有效擴散系數(shù)達到10－8數(shù)量級，干燥效率得到極大提高；RDX連續(xù)干燥能力和干燥穩(wěn)定性較好。

RDX；干燥；靜電；溫度；擴散系數(shù)

引 言

黑索金（RDX）作為一種重要的硝胺炸藥，具有原料來源豐富、制備方法簡單、爆轟性能優(yōu)越等優(yōu)點。在軍事和國防建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。作為多種混合炸藥和彈藥的重要成分，RDX的含水量對炸藥性能的影響至關(guān)重要，含水量較高，不僅會降低炸藥的爆炸性能，而且還存在安全隱患。傳統(tǒng)的RDX干燥工序［4］是在間斷操作的真空干燥柜中進行，干燥時間長，干燥效率低，干燥產(chǎn)品批量化生產(chǎn)水平低，消耗大量的水、電、氣等資源和能源，干燥過程中人工參與干燥的加料、翻料和卸料等操作，自動化、連續(xù)化程度低，干燥過程中產(chǎn)生的靜電和粉塵積累對操作人員的安全及健康構(gòu)成極大的威脅。因此，開展RDX等含能材料生產(chǎn)過程后續(xù)化干燥技術(shù)的研究對于炸藥的生產(chǎn)及貯存具有重要意義。

近年來，曹端林等［5］采用沸騰床干燥RDX，工藝過程中的存藥量比傳統(tǒng)干燥法少很多，但是干燥速率較高，考慮到RDX顆粒與干燥氣流摩擦易產(chǎn)生靜電危害，因此未正式使用。Murray等［6］提出將微波應(yīng)用于炸藥干燥，實驗證明RDX和TATB在低功率微波和高功率微波輻射下不發(fā)生爆燃、爆轟或分解。研究表明，微波干燥對于提高炸藥的干燥速率、節(jié)約能源具有重要的意義。但是微波干燥易發(fā)生局部過熱的現(xiàn)象，這對RDX等易燃易爆危險品的干燥存在安全隱患。

本實驗采用最新設(shè)計的干燥冷卻一體機對RDX進行干燥，研究了RDX在干燥冷卻一體機中的干燥特性，得到干燥過程中RDX的水分、靜電和溫度分布以及干燥過程的有效擴散系數(shù)。這種干燥設(shè)備具有安全性高、干燥效率高和連續(xù)化程度高等優(yōu)點。

1 實 驗

1.1 干燥冷卻一體機及其工作原理

西安近代化學(xué)研究所與甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團有限公司對傳統(tǒng)圓盤式干燥機和冷卻機進行了改進，將干燥機與冷卻機功能合并，研制出水平圓盤干燥冷卻一體機，如圖1所示。干燥盤面置于內(nèi)環(huán)形面，冷卻盤面置于外環(huán)形面，外環(huán)形面比內(nèi)環(huán)形面低10 cm。這樣縮短了物料干燥完成到冷卻盤面的落差，減少了靜電的產(chǎn)生和積累，還大大減少了粉塵，減輕了外力的作用。

圖1 干燥冷卻一體機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the drying-cooling integrated machine

由圖1可見，水平安裝的轉(zhuǎn)臺面為兩個環(huán)形面，內(nèi)環(huán)形面為干燥盤面，高于外部冷卻盤面，并分別設(shè)置蛇形流道的冷熱水箱。干燥盤上方一定距離裝有螺旋擋板布料器，干燥盤進料處上方裝有干燥弧形卸料板，冷卻盤卸料口處附近上方分別裝有弧形布料擋板和弧形卸料擋板。

在干燥冷卻一體機上實施RDX干燥時，物料由喂料機進入、由布料器均勻分散于干燥盤面，實現(xiàn)物料的初次分散，然后隨干燥盤一起作水平圓周運動，期間受耙齒翻動作用實現(xiàn)再次和多次分散，轉(zhuǎn)動一周后，由弧形刮板推動離開干燥盤面，自由進入冷卻盤面，而后隨冷卻盤作圓周運動，轉(zhuǎn)動一周后，由刮板推動離開冷卻盤出料，整個過程實現(xiàn)了物料的連續(xù)傳輸、干燥和冷卻。

1.2 干燥監(jiān)測點的分布和分區(qū)

干燥冷卻一體機盤面示意圖如圖2所示，實心黑點代表監(jiān)測點位置，可以看出，在干燥盤表面沿圓盤轉(zhuǎn)動方向等弧度取點，圓盤的每一徑向方向上取3個監(jiān)測點。起點0即干燥區(qū)位移為零的點，此時物料的含水量認為是RDX濕物料的初始含水量；終點8／8即干燥區(qū)位移，認為是干燥盤的圓周距離，此時物料的含水量為產(chǎn)品的最終含水量，含水量均用干基含水量表示，每個弧度處的物料含水量均測量3次取平均值。為考察干燥盤面的干燥均勻性以及盤面不同徑向距離的物料干燥特性，將干燥盤盤面依據(jù)監(jiān)測點的分布劃分為3個分區(qū)：干燥盤內(nèi)圈區(qū)域0-1；干燥盤中圈區(qū)域0-2；干燥盤外圈區(qū)域0-3。

圖2 干燥冷卻一體機盤面和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測點分布Fig.2 Disk surfaces of the drying-cooling integrated machine and the distribution of data collection monitoring sites

1.3 干燥過程中水分、靜電和溫度的在線監(jiān)測

干燥過程中，用MCT330型PSC水分測試儀檢測RDX水分，用KSD-0109靜電電位儀監(jiān)測RDX的靜電，用ITL-500紅外測溫儀檢測RDX的表面溫度，水分、靜電和溫度檢測信號傳至自控室的PLC自動控制系統(tǒng)，實時顯示物料的水分、靜電和溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

干基含水量（質(zhì)量分數(shù)）為：

式中：M為干基含水量；m為干燥物料質(zhì)量（g）；md為物料干燥至絕干時的質(zhì)量（g）。

水分比（MR）用來表示一定干燥條件下物料中剩余水分的含量（質(zhì)量分數(shù)），MR可由下式表示：

式中：M0為初始含水量；Me為平衡含水量。定義干燥速率：

式中：DR為干燥速率；d M為干基含水量變化；d t為干燥間隔時間。

物料干燥特性可以用菲克擴散方程［7］來描述：

式中：t為時間（s）；Deff為有效擴散系數(shù)（m2·s－1）。Crank［8］提出式（4）的解形式如下：

式中：L為干燥物料層半厚度。

對方程（5）兩邊同時取自然對數(shù)［9］，得到如下線性方程：

有效擴散系數(shù)Deff可通過式（6）求解得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 RDX的連續(xù)干燥特性

2.1.1 干燥特性曲線

在干燥過程中物料層中RDX的干燥速率與水分比之間的關(guān)系變化規(guī)律見圖3～5。

圖3 不同干燥分區(qū)處RDX水分比隨時間的變化Fig.3 Variation of moisture ratio with drying time of RDX for different subareas

從圖3可以看出，在相同干燥區(qū)域，干燥前期的水分比下降較快，干燥速率高；干燥后期的水分比下降緩慢，干燥速率低。這是因為干燥前期，RDX的含水量較大且具有較多的表面自由水，與周圍的空氣之間形成了較大的水分梯度，內(nèi)部水分向表面轉(zhuǎn)移能力強。隨著干燥的繼續(xù)進行，RDX的含水量逐漸減小，RDX粉末顆粒間的自由水大幅減少，水分梯度逐漸變小；同時，由于由氫鍵結(jié)合力結(jié)合的部分少量結(jié)合水較難脫離RDX顆粒，干燥過程變得緩慢。干燥盤最終RDX的含水量均不大于0.1%（質(zhì)量分數(shù)），滿足工業(yè)生產(chǎn)使用的要求。

圖4 不同干燥分區(qū)處RDX干燥速率隨時間的變化Fig.4 Variation of drying rate with drying time of RDX for different subareas

圖5 不同干燥分區(qū)處RDX干燥速率隨含水量的變化Fig.5 Variation of drying rate with moisture content of RDX for different subareas

圖4和圖5顯示，在RDX連續(xù)干燥過程中，恒速干燥階段不明顯，而是經(jīng)過短暫的升速階段后很快進入降速干燥階段，RDX連續(xù)干燥主要受降速干燥段影響，這與傳統(tǒng)靜態(tài)干燥主要受恒速干燥段影響顯著不同［10］。在RDX連續(xù)干燥過程中，降速干燥段占主導(dǎo)作用，表明內(nèi)部水分擴散是影響RDX干燥的主導(dǎo)因素，直接影響RDX的干燥速率。

由圖3～圖5可見，0-3區(qū)域干燥速率最大、水分比下降速率最快，干燥所需時間最短，其次是0-1區(qū)域，最后是0-2區(qū)域。0-1、0-2和0-3區(qū)域?qū)?yīng)的平均干燥速率值分別為13.7×10－4、11.98×10－4和13.82×10－4g／（cm2·min），可以看出，干燥區(qū)域不同對整體干燥結(jié)果的影響不大，整個干燥盤的干燥均勻性良好；相應(yīng)區(qū)域的最大干燥速率值分別為45.3×10－4、31.7－4和50.2×10－4g／（cm2·min），造成干燥速率最大值顯著差異的原因可能在于加熱介質(zhì)高溫水的水平蛇形迂回流動造成干燥盤溫度發(fā)生區(qū)域差異性。

2.1.2 干燥盤和冷卻盤表面靜電分布

圖6分別為干燥盤和冷卻盤表面不同監(jiān)測點位置的靜電電壓（U）分布。

圖6 干燥盤面和冷卻盤面不同監(jiān)測點的靜電分布圖Fig.6 Electrostatic charge distribution of surface positions of the drying disk and cooling disk

由圖6（a）可見，在干燥盤的初始位置和結(jié)束位置，即干燥的前期和末期靜電較大，干燥的中間過程靜電很小，說明干燥過程中盤面的靜電積累主要集中在加料口和出料口兩個位置。分析認為，在干燥的初始位置，RDX通過加料器從進料斗滑落入干燥盤，再經(jīng)螺旋式布料板攤平，然后進入干燥操作流程。在RDX經(jīng)不銹鋼斜槽落入干燥盤和攤平的過程中，RDX的顆粒與顆粒之間、顆粒與斜槽之間、顆粒與干燥盤、顆粒與布料板之間以及顆粒與附近的空氣之間存在大量的碰撞、摩擦及擠壓，產(chǎn)生大量的靜電，使得加料口的累積靜電壓升高，隨著干燥的進行，大部分靜電通過接地的干燥盤導(dǎo)電零部件導(dǎo)出，出現(xiàn)低靜電現(xiàn)象，在出料口位置，由于RDX的水分幾乎全部蒸發(fā)，水分含量很低，同時由于出料口RDX向冷卻盤滑落產(chǎn)生的靜電的積累，使得出料口RDX的靜電壓升高。圖6（b）表明冷卻盤靜電分布與干燥盤相似，冷卻初始和末期的靜電較高，同樣認為是初期冷卻盤的加料和末期冷卻盤的卸料造成的。

2.1.3 干燥盤和冷卻盤表面溫度分布

干燥盤和冷卻盤表面溫度分布見圖7。由圖7（a）可看出，干燥盤的表面溫度初期先快速升高，中期基本保持溫度不變，末期溫度出現(xiàn)小幅度上升。原因在于，干燥初期RDX蒸發(fā)較少，吸收的熱量主要用來加熱物料，干燥過程中吸收的能量基本全部用于水分的蒸發(fā)，使得溫度變化不大；在干燥末期，吸收的熱量大于水分蒸發(fā)帶走的熱量，多余的能量被用于RDX的加熱，使得溫度開始小幅上升。干燥盤內(nèi)各分區(qū)的溫度除了內(nèi)圈少數(shù)監(jiān)測點溫度較高以外，其余監(jiān)測點的溫度差異不超過10℃，所有監(jiān)測點溫度均小于80℃，在RDX的干燥安全范圍內(nèi)。由圖7（b）可以看出，冷卻盤面的溫度由最初的77℃逐漸降低到36℃，滿足RDX的卸料溫度要求。

2.1.4 有效擴散系數(shù)的確定

干燥RDX的有效擴散系數(shù)和相關(guān)系數(shù)如表1所示。

表1 干燥盤各分區(qū)有效擴散系數(shù)和相關(guān)系數(shù)Table 1 Effective diffusion coefficients and the correlation coefficient for RDX

由表1可知，RDX在不同分區(qū)的有效擴散系數(shù)為3.16～3.46×10－8m2／s，圓盤的外圈有效擴散系數(shù)最大，其次是內(nèi)圈，中圈有效擴散系數(shù)最小。這是因為加熱介質(zhì)高溫水的水平蛇形迂回流動造成干燥盤傳熱發(fā)生區(qū)域差異性，3個分區(qū)的有效擴散系數(shù)相差不大，表明干燥盤干燥均勻性良好。

2.2 RDX連續(xù)干燥能力

選擇投料速率為55、60、65 kg／h，熱水加熱器出水溫度100～110℃、回水溫度90～100℃，每個投料速率重復(fù)4次實驗，RDX連續(xù)干燥能力實驗結(jié)果見表2。

表2 RDX連續(xù)干燥能力試驗結(jié)果Table 2 Test results for the continuous drying capacity

由表2可知，RDX的投料速率分別為55、60、65 kg／h時，干燥后RDX的含水量（質(zhì)量分數(shù)）均不大于0.1%的指標，不同干燥量下的干燥能力好。

2.3 RDX連續(xù)干燥穩(wěn)定性

選取含水量（質(zhì)量分數(shù)）為3%～14%的RDX濕物料，考察含水量不同時RDX的連續(xù)干燥穩(wěn)定性，結(jié)果如表3所示。

表3 連續(xù)干燥穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 3 Test results for the continuous drying stability

表3結(jié)果顯示，干燥后RDX含水量（質(zhì)量分數(shù)）均不大于0.1%，表明水平圓盤連續(xù)干燥冷卻試驗運行平穩(wěn)，試驗過程安全可靠，達到了預(yù)期的指標要求。

3 結(jié) 論

（1）RDX連續(xù)干燥過程沒有恒速干燥階段，在短暫的升速階段后直接進入降速干燥階段。

（2）采用干燥冷卻一體機極大地縮短了RDX的干燥周期，降低了靜電積累，可防止RDX溫度過高，有效擴散系數(shù)為3.16～3.46×10－8m2／s，傳質(zhì)效率得到極大提高。

（3）干燥投料量為55～65 kg／h、含水量（質(zhì)量分數(shù)）3%～14%的RDX濕物料在干燥盤上隨干燥盤的運轉(zhuǎn)干燥完成后，最終RDX含水量（質(zhì)量分數(shù)）均不大于0.1%，干燥能力和干燥穩(wěn)定性較好。

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Research on the Continuous Drying Characteristics of RDX

ZHANG Yao-xuan1，CHEN Hou-he1，HU Yong-sheng2，ZHOU Shu-wen2，ZHANG Lu-yao2
（1.Chemical Engineering Institute，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.Gansu Yinguang Chemistry Corporation，Baiyin Gansu 730900，China）

The drying experiments of RDX were conducted in a newly developed drying-cooling integrated machine. Distribution of moisture content，static electricity and temperature in the drying process were on-line monitored.A diffusion model was used to fit the experimental data and the effective diffusion coefficient for RDX drying was determined.The results indicate that there is a falling rate period after a short warm-up period and no constant rate period is observed.The moisture content of the obtained product is less than 0.1%，satisfying the product demand. The surface static electricity and temperature distribution in the drying process is rather acceptable for the safe operation.The drying efficiency is greatly improved with the effective diffusion coefficient up to the order of 10－8.It manifests preferable drying capacity and stability in the continuous drying of RDX.

RDX；drying；static electricity；temperature；diffusion coefficient

TJ55；X93

A

1007-7812（2014）04-0045-05

2014-02-11；

2014-06-26

國家自然科學(xué)基金委——中國工程物理研究院聯(lián)合基金資助項目（10276018，10776012）

張幺玄（1985－），女，博士研究生，從事含能材料研究。