RDX的连续干燥特性研究

张幺玄，陈厚和，胡永胜，周述文，张路遥

（1.南京理工大学化工学院，江苏南京210094；2.甘肃银光化工集团有限公司，甘肃白银730900）

RDX的连续干燥特性研究

张幺玄1，陈厚和1，胡永胜2，周述文2，张路遥2

（1.南京理工大学化工学院，江苏南京210094；2.甘肃银光化工集团有限公司，甘肃白银730900）

采用最新研制的干燥冷却一体机对含水量（质量分数）6%的RDX进行干燥脱水实验，在线跟踪监测干燥过程中的水分、静电和温度的分布，并运用菲克扩散方程对试验数据进行拟合分析，计算得到RDX干燥过程的有效扩散系数。结果表明，RDX干燥过程没有经历恒速干燥阶段，而是经过短暂的升速阶段后直接进入降速干燥阶段，产品含水量（质量分数）不大于0.1%，满足工业生产使用的要求；干燥过程中的静电和温度的分布均满足安全操作要求；干燥有效扩散系数达到10－8数量级，干燥效率得到极大提高；RDX连续干燥能力和干燥稳定性较好。

RDX；干燥；静电；温度；扩散系数

引 言

黑索金（RDX）作为一种重要的硝胺炸药，具有原料来源丰富、制备方法简单、爆轰性能优越等优点。在军事和国防建设中得到广泛应用［1-3］。作为多种混合炸药和弹药的重要成分，RDX的含水量对炸药性能的影响至关重要，含水量较高，不仅会降低炸药的爆炸性能，而且还存在安全隐患。传统的RDX干燥工序［4］是在间断操作的真空干燥柜中进行，干燥时间长，干燥效率低，干燥产品批量化生产水平低，消耗大量的水、电、气等资源和能源，干燥过程中人工参与干燥的加料、翻料和卸料等操作，自动化、连续化程度低，干燥过程中产生的静电和粉尘积累对操作人员的安全及健康构成极大的威胁。因此，开展RDX等含能材料生产过程后续化干燥技术的研究对于炸药的生产及贮存具有重要意义。

近年来，曹端林等［5］采用沸腾床干燥RDX，工艺过程中的存药量比传统干燥法少很多，但是干燥速率较高，考虑到RDX颗粒与干燥气流摩擦易产生静电危害，因此未正式使用。Murray等［6］提出将微波应用于炸药干燥，实验证明RDX和TATB在低功率微波和高功率微波辐射下不发生爆燃、爆轰或分解。研究表明，微波干燥对于提高炸药的干燥速率、节约能源具有重要的意义。但是微波干燥易发生局部过热的现象，这对RDX等易燃易爆危险品的干燥存在安全隐患。

本实验采用最新设计的干燥冷却一体机对RDX进行干燥，研究了RDX在干燥冷却一体机中的干燥特性，得到干燥过程中RDX的水分、静电和温度分布以及干燥过程的有效扩散系数。这种干燥设备具有安全性高、干燥效率高和连续化程度高等优点。

1 实 验

1.1 干燥冷却一体机及其工作原理

西安近代化学研究所与甘肃银光化学工业集团有限公司对传统圆盘式干燥机和冷却机进行了改进，将干燥机与冷却机功能合并，研制出水平圆盘干燥冷却一体机，如图1所示。干燥盘面置于内环形面，冷却盘面置于外环形面，外环形面比内环形面低10 cm。这样缩短了物料干燥完成到冷却盘面的落差，减少了静电的产生和积累，还大大减少了粉尘，减轻了外力的作用。

图1 干燥冷却一体机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the drying-cooling integrated machine

由图1可见，水平安装的转台面为两个环形面，内环形面为干燥盘面，高于外部冷却盘面，并分别设置蛇形流道的冷热水箱。干燥盘上方一定距离装有螺旋挡板布料器，干燥盘进料处上方装有干燥弧形卸料板，冷却盘卸料口处附近上方分别装有弧形布料挡板和弧形卸料挡板。

在干燥冷却一体机上实施RDX干燥时，物料由喂料机进入、由布料器均匀分散于干燥盘面，实现物料的初次分散，然后随干燥盘一起作水平圆周运动，期间受耙齿翻动作用实现再次和多次分散，转动一周后，由弧形刮板推动离开干燥盘面，自由进入冷却盘面，而后随冷却盘作圆周运动，转动一周后，由刮板推动离开冷却盘出料，整个过程实现了物料的连续传输、干燥和冷却。

1.2 干燥监测点的分布和分区

干燥冷却一体机盘面示意图如图2所示，实心黑点代表监测点位置，可以看出，在干燥盘表面沿圆盘转动方向等弧度取点，圆盘的每一径向方向上取3个监测点。起点0即干燥区位移为零的点，此时物料的含水量认为是RDX湿物料的初始含水量；终点8／8即干燥区位移，认为是干燥盘的圆周距离，此时物料的含水量为产品的最终含水量，含水量均用干基含水量表示，每个弧度处的物料含水量均测量3次取平均值。为考察干燥盘面的干燥均匀性以及盘面不同径向距离的物料干燥特性，将干燥盘盘面依据监测点的分布划分为3个分区：干燥盘内圈区域0-1；干燥盘中圈区域0-2；干燥盘外圈区域0-3。

图2 干燥冷却一体机盘面和数据采集监测点分布Fig.2 Disk surfaces of the drying-cooling integrated machine and the distribution of data collection monitoring sites

1.3 干燥过程中水分、静电和温度的在线监测

干燥过程中，用MCT330型PSC水分测试仪检测RDX水分，用KSD-0109静电电位仪监测RDX的静电，用ITL-500红外测温仪检测RDX的表面温度，水分、静电和温度检测信号传至自控室的PLC自动控制系统，实时显示物料的水分、静电和温度。

1.4 数据处理

干基含水量（质量分数）为：

式中：M为干基含水量；m为干燥物料质量（g）；md为物料干燥至绝干时的质量（g）。

水分比（MR）用来表示一定干燥条件下物料中剩余水分的含量（质量分数），MR可由下式表示：

式中：M0为初始含水量；Me为平衡含水量。定义干燥速率：

式中：DR为干燥速率；d M为干基含水量变化；d t为干燥间隔时间。

物料干燥特性可以用菲克扩散方程［7］来描述：

式中：t为时间（s）；Deff为有效扩散系数（m2·s－1）。Crank［8］提出式（4）的解形式如下：

式中：L为干燥物料层半厚度。

对方程（5）两边同时取自然对数［9］，得到如下线性方程：

有效扩散系数Deff可通过式（6）求解得到。

2 结果与讨论

2.1 RDX的连续干燥特性

2.1.1 干燥特性曲线

在干燥过程中物料层中RDX的干燥速率与水分比之间的关系变化规律见图3～5。

图3 不同干燥分区处RDX水分比随时间的变化Fig.3 Variation of moisture ratio with drying time of RDX for different subareas

从图3可以看出，在相同干燥区域，干燥前期的水分比下降较快，干燥速率高；干燥后期的水分比下降缓慢，干燥速率低。这是因为干燥前期，RDX的含水量较大且具有较多的表面自由水，与周围的空气之间形成了较大的水分梯度，内部水分向表面转移能力强。随着干燥的继续进行，RDX的含水量逐渐减小，RDX粉末颗粒间的自由水大幅减少，水分梯度逐渐变小；同时，由于由氢键结合力结合的部分少量结合水较难脱离RDX颗粒，干燥过程变得缓慢。干燥盘最终RDX的含水量均不大于0.1%（质量分数），满足工业生产使用的要求。

图4 不同干燥分区处RDX干燥速率随时间的变化Fig.4 Variation of drying rate with drying time of RDX for different subareas

图5 不同干燥分区处RDX干燥速率随含水量的变化Fig.5 Variation of drying rate with moisture content of RDX for different subareas

图4和图5显示，在RDX连续干燥过程中，恒速干燥阶段不明显，而是经过短暂的升速阶段后很快进入降速干燥阶段，RDX连续干燥主要受降速干燥段影响，这与传统静态干燥主要受恒速干燥段影响显著不同［10］。在RDX连续干燥过程中，降速干燥段占主导作用，表明内部水分扩散是影响RDX干燥的主导因素，直接影响RDX的干燥速率。

由图3～图5可见，0-3区域干燥速率最大、水分比下降速率最快，干燥所需时间最短，其次是0-1区域，最后是0-2区域。0-1、0-2和0-3区域对应的平均干燥速率值分别为13.7×10－4、11.98×10－4和13.82×10－4g／（cm2·min），可以看出，干燥区域不同对整体干燥结果的影响不大，整个干燥盘的干燥均匀性良好；相应区域的最大干燥速率值分别为45.3×10－4、31.7－4和50.2×10－4g／（cm2·min），造成干燥速率最大值显著差异的原因可能在于加热介质高温水的水平蛇形迂回流动造成干燥盘温度发生区域差异性。

2.1.2 干燥盘和冷却盘表面静电分布

图6分别为干燥盘和冷却盘表面不同监测点位置的静电电压（U）分布。

图6 干燥盘面和冷却盘面不同监测点的静电分布图Fig.6 Electrostatic charge distribution of surface positions of the drying disk and cooling disk

由图6（a）可见，在干燥盘的初始位置和结束位置，即干燥的前期和末期静电较大，干燥的中间过程静电很小，说明干燥过程中盘面的静电积累主要集中在加料口和出料口两个位置。分析认为，在干燥的初始位置，RDX通过加料器从进料斗滑落入干燥盘，再经螺旋式布料板摊平，然后进入干燥操作流程。在RDX经不锈钢斜槽落入干燥盘和摊平的过程中，RDX的颗粒与颗粒之间、颗粒与斜槽之间、颗粒与干燥盘、颗粒与布料板之间以及颗粒与附近的空气之间存在大量的碰撞、摩擦及挤压，产生大量的静电，使得加料口的累积静电压升高，随着干燥的进行，大部分静电通过接地的干燥盘导电零部件导出，出现低静电现象，在出料口位置，由于RDX的水分几乎全部蒸发，水分含量很低，同时由于出料口RDX向冷却盘滑落产生的静电的积累，使得出料口RDX的静电压升高。图6（b）表明冷却盘静电分布与干燥盘相似，冷却初始和末期的静电较高，同样认为是初期冷却盘的加料和末期冷却盘的卸料造成的。

2.1.3 干燥盘和冷却盘表面温度分布

干燥盘和冷却盘表面温度分布见图7。由图7（a）可看出，干燥盘的表面温度初期先快速升高，中期基本保持温度不变，末期温度出现小幅度上升。原因在于，干燥初期RDX蒸发较少，吸收的热量主要用来加热物料，干燥过程中吸收的能量基本全部用于水分的蒸发，使得温度变化不大；在干燥末期，吸收的热量大于水分蒸发带走的热量，多余的能量被用于RDX的加热，使得温度开始小幅上升。干燥盘内各分区的温度除了内圈少数监测点温度较高以外，其余监测点的温度差异不超过10℃，所有监测点温度均小于80℃，在RDX的干燥安全范围内。由图7（b）可以看出，冷却盘面的温度由最初的77℃逐渐降低到36℃，满足RDX的卸料温度要求。

2.1.4 有效扩散系数的确定

干燥RDX的有效扩散系数和相关系数如表1所示。

表1 干燥盘各分区有效扩散系数和相关系数Table 1 Effective diffusion coefficients and the correlation coefficient for RDX

由表1可知，RDX在不同分区的有效扩散系数为3.16～3.46×10－8m2／s，圆盘的外圈有效扩散系数最大，其次是内圈，中圈有效扩散系数最小。这是因为加热介质高温水的水平蛇形迂回流动造成干燥盘传热发生区域差异性，3个分区的有效扩散系数相差不大，表明干燥盘干燥均匀性良好。

2.2 RDX连续干燥能力

选择投料速率为55、60、65 kg／h，热水加热器出水温度100～110℃、回水温度90～100℃，每个投料速率重复4次实验，RDX连续干燥能力实验结果见表2。

表2 RDX连续干燥能力试验结果Table 2 Test results for the continuous drying capacity

由表2可知，RDX的投料速率分别为55、60、65 kg／h时，干燥后RDX的含水量（质量分数）均不大于0.1%的指标，不同干燥量下的干燥能力好。

2.3 RDX连续干燥稳定性

选取含水量（质量分数）为3%～14%的RDX湿物料，考察含水量不同时RDX的连续干燥稳定性，结果如表3所示。

表3 连续干燥稳定性试验结果Table 3 Test results for the continuous drying stability

表3结果显示，干燥后RDX含水量（质量分数）均不大于0.1%，表明水平圆盘连续干燥冷却试验运行平稳，试验过程安全可靠，达到了预期的指标要求。

3 结 论

（1）RDX连续干燥过程没有恒速干燥阶段，在短暂的升速阶段后直接进入降速干燥阶段。

（2）采用干燥冷却一体机极大地缩短了RDX的干燥周期，降低了静电积累，可防止RDX温度过高，有效扩散系数为3.16～3.46×10－8m2／s，传质效率得到极大提高。

（3）干燥投料量为55～65 kg／h、含水量（质量分数）3%～14%的RDX湿物料在干燥盘上随干燥盘的运转干燥完成后，最终RDX含水量（质量分数）均不大于0.1%，干燥能力和干燥稳定性较好。

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ZHANG Yao-xuan，ZHANG Qiu-jie，HU Xiu-juan，et al.Experimental analysis of RDX in drying process［J］.Initiators and Pyrotechnics，2011（3）：34-37.

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

国家自然科学基金委——中国工程物理研究院联合基金资助项目（10276018，10776012）

张幺玄（1985－），女，博士研究生，从事含能材料研究。