靜態(tài)乳化器

張 靜， 仉培強(qiáng)

(北京北礦億博科技有限責(zé)任公司， 北京 100160)

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靜態(tài)乳化器

張 靜， 仉培強(qiáng)

(北京北礦億博科技有限責(zé)任公司， 北京 100160)

摘要：為提高乳化炸藥生產(chǎn)過程的安全性，開發(fā)新的本質(zhì)安全的靜態(tài)乳化器勢在必行。靜態(tài)乳化器由敞口、低轉(zhuǎn)速的粗乳器和精乳器組成，精乳器為靜態(tài)混合器，兩者之間由螺桿泵銜接。通過理論計(jì)算和試驗(yàn)研究，確定了靜態(tài)乳化器的主要技術(shù)參數(shù)。目前，靜態(tài)乳化器已成功用于乳化地面站，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，完全滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。靜態(tài)乳化器的研發(fā)可以大大改善乳化炸藥生產(chǎn)過程中的安全性，避免因設(shè)備自身設(shè)計(jì)缺陷引起的爆炸等惡性安全事故，提高炸藥生產(chǎn)企業(yè)的安全生產(chǎn)水平，提升我國工業(yè)炸藥的生產(chǎn)技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：乳化炸藥； 靜態(tài)乳化器； 靜態(tài)混合器； 安全

1引言

乳化炸藥因其良好的抗水性能和性價(jià)比，已成為國內(nèi)最重要的炸藥品種，年產(chǎn)量約233萬t，約占我國工業(yè)炸藥總產(chǎn)量的50%。雖然乳化炸藥生產(chǎn)線已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化和自動(dòng)化，其生產(chǎn)過程的安全得到了大幅度提高，但近幾年仍發(fā)生了多起爆炸安全事故，造成了重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡〔1-2〕。事故大多由連續(xù)生產(chǎn)工藝中的乳化器引起，發(fā)生事故的生產(chǎn)線的乳化器均采用動(dòng)態(tài)乳化器(即定子-轉(zhuǎn)子剪切型)，這類設(shè)備的主要缺點(diǎn)在于設(shè)備內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子間隙小，且腔體相對密閉，轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)形成強(qiáng)烈的機(jī)械剪切和撞擊摩擦等作用，容易導(dǎo)致熱量積聚；當(dāng)熱量積聚到一定程度，尤其是出現(xiàn)轉(zhuǎn)子部分?jǐn)嗔鸦蛎摵笗r(shí)，主軸竄位導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子接觸，設(shè)備腔體內(nèi)進(jìn)入較大塊的硬質(zhì)異物等，可能發(fā)生爆炸。

鑒于以上原因，2011年2月立項(xiàng)開展了靜態(tài)乳化器研究，以提高乳化過程安全性。該項(xiàng)研究突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，摒棄了常規(guī)高轉(zhuǎn)速、小間隙、密閉型機(jī)械攪拌乳化器設(shè)計(jì)思路，形成了低轉(zhuǎn)速、大間隙、大產(chǎn)能敞口型的全新乳化設(shè)備的系統(tǒng)性技術(shù)成果。2014年5月，該乳化器通過了工信部組織的科技成果鑒定；2015年1月，納入《民用爆炸物品專用生產(chǎn)設(shè)備目錄》(增補(bǔ)23)。

2靜態(tài)乳化器的結(jié)構(gòu)原理

靜態(tài)乳化器由敞口、低轉(zhuǎn)速(低于600rpm)的粗乳器和精乳器組成，精乳器為靜態(tài)混合器，兩者之間由螺桿泵銜接，如圖1所示。粗乳器的電機(jī)支座2上帶有進(jìn)料口及液位計(jì)口；攪拌軸4由攪拌器和主軸組成；筒體5包含溢流口、出料口及安裝支撐。

圖1　粗乳器結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure chart of rough emulsifier

經(jīng)過計(jì)量的水相溶液和油相溶液在匯聚后從進(jìn)料口進(jìn)入粗乳器，受到攪拌軸的作用后，形成初級的乳膠基質(zhì)，從底部的出料口進(jìn)入螺桿泵中。粗乳器由變頻器控制攪拌軸的轉(zhuǎn)速。粗乳器上裝有液位計(jì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測筒體中的液位，便于控制。

精乳器是一種SV型靜態(tài)混合器，如圖2所示。

圖2　精乳器結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure chart of fine emulsifier

靜態(tài)混合器是一種借助流體管路的不同結(jié)構(gòu),得以在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行流體的混合，而又沒有機(jī)械式可動(dòng)部件的流體管路結(jié)構(gòu)體。靜態(tài)混合器靠設(shè)備內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)的組合單元，促使流體在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生切割、剪切、旋轉(zhuǎn)等作用達(dá)到互不相溶流體的良好混合。SV型靜態(tài)混合單元可以制成矩形或其他形狀的截面,安放在相應(yīng)形狀的管道內(nèi)。由金屬板軋制波紋片,把波紋片組裝成圓柱狀或需要的其他形狀,相鄰的波紋片通道方向相反。圓柱狀的混合單元裝入管內(nèi)時(shí),彼此呈90°交錯(cuò)。改變波紋的峰高和波紋傾斜的角度 ,可以得到許多種規(guī)格的混合單元。一個(gè)靜態(tài)混合單元的波紋通道,使流體在許多平行平面上向相反兩個(gè)方向流動(dòng),相鄰的下一個(gè)靜態(tài)混合單元旋轉(zhuǎn)90°,其波紋通道使流體在旋轉(zhuǎn)90°的平面上流動(dòng)。當(dāng)單元高度等于直徑時(shí),波紋通道恰好把流體從管子一側(cè)引向另一側(cè)。當(dāng)單元高度等于半徑時(shí),波紋通道僅能把流體自一側(cè)引向中心面。靜態(tài)混合器能使管內(nèi)流體在空間的三個(gè)方向上流動(dòng),使流體混合均勻。這樣的混合,其優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)為即使在層流條件下也能使流體混合均勻,這是以前的混合設(shè)備(如孔板、混合閥等 )所不能比擬的〔3〕。

從粗乳器出來的初級乳膠基質(zhì)，由螺桿泵泵送經(jīng)過精乳器時(shí)，受到靜態(tài)混合單元的切割、剪切、旋轉(zhuǎn)等作用，從而形成合格的乳膠基質(zhì)。靜態(tài)混合單元數(shù)目通常在1～4之間，以適應(yīng)不同的配方要求。

3靜態(tài)乳化器主要技術(shù)參數(shù)的確定

為使水油兩相溶液充分混合，應(yīng)防止液體在粗乳器攪拌器附近產(chǎn)生“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”或產(chǎn)生渦流，采取了以下技術(shù)措施：將主軸傾斜安裝；將進(jìn)料管加長，以起擋板的作用。攪拌器采用的是帶導(dǎo)流筒的推進(jìn)式葉輪，以保證罐內(nèi)流體的軸向循環(huán)流動(dòng)；導(dǎo)流筒的作用是為了增強(qiáng)軸向循環(huán)。葉輪直徑d和罐體直徑D的比值取為0.5左右；因罐體較深，攪拌軸上設(shè)計(jì)了兩層葉輪。兩層葉輪之間的距離在1d～1.5d之間。攪拌功率按下式計(jì)算：P=Npρ N3d5；由于密度ρ、轉(zhuǎn)速N和葉輪直徑d三個(gè)參數(shù)很易求得，故計(jì)算攪拌功率的關(guān)鍵是求出功率準(zhǔn)數(shù)Np。計(jì)算Np有兩種方法，一是用算圖直接求取，另一種是用永田進(jìn)治的攪拌功率計(jì)算式計(jì)算〔4〕。

SV型靜態(tài)混合器的壓降采用下列公式〔5〕進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

式中：ΔP為單位長度靜態(tài)混合器壓力降，Pa；f為摩擦系數(shù)；ρ為操作條件下連續(xù)相流體密度，kg/m3；V為混合流體流速，以空管內(nèi)徑計(jì)，m/s；ε為靜態(tài)混合器孔隙率；d為水力直徑，m；Re為雷諾數(shù)；μ為操作條件下連續(xù)相粘度，Pa·s；L為靜態(tài)混合器長度，m；ΔA為混合單元總單面面積，m2；σ為混合單元材料厚度，m；D為管內(nèi)徑，m。

摩擦系數(shù)f與雷諾數(shù)Re的關(guān)系見圖3〔6〕。

圖3　摩擦系數(shù)f與雷諾數(shù)Re關(guān)系圖Fig.3　Function diagram between friction coefficient and Reynolds number

經(jīng)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究，靜態(tài)乳化器的主要技術(shù)參數(shù)最終確定如下：產(chǎn)能≤18t/h；粗乳器功率為2.2kW；轉(zhuǎn)子與筒壁間隙≥60mm；粗乳器主軸轉(zhuǎn)速 <600rpm；轉(zhuǎn)子線速度<7.3m/s；精乳器壓降<1.5MPa。

4靜態(tài)乳化器的安全性分析

國內(nèi)用于乳化炸藥生產(chǎn)的乳化器絕大部分為定子-轉(zhuǎn)子剪切型，定子與轉(zhuǎn)子的軸向和徑向間隙大多2.5 ～8.0mm。工作時(shí)，主軸以970 ～1470r/min的速度高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子線速度大于10m/s；而且乳化腔體相對密閉，易導(dǎo)致熱量積聚，當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷裂、主軸竄位或腔體進(jìn)入硬質(zhì)異物等異常情況時(shí)，是極其危險(xiǎn)的。

通過比較技術(shù)參數(shù)，靜態(tài)乳化器主軸轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)子線速度低、轉(zhuǎn)子與筒壁間隙大，其安全性是不言而喻的。粗乳器敞口，低轉(zhuǎn)速(低于600r/min)，能有效避免乳化過程中的熱量積聚而引發(fā)的爆炸，近乎本質(zhì)安全；用靜態(tài)混合器作精乳器，因其內(nèi)部無機(jī)械式可動(dòng)部件，能避免常規(guī)定子-轉(zhuǎn)子剪切型乳化器轉(zhuǎn)子與定子、器壁等接觸帶來的危險(xiǎn)，非常安全。

5應(yīng)用實(shí)例

靜態(tài)乳化器已用于北京礦冶爆錨技術(shù)工程有限責(zé)任公司九江縣分公司的乳化地面站(圖4～圖6)。

圖4　靜態(tài)乳化器Fig.4　The static emulsifier

圖5　乳膠基質(zhì)Fig.5　The emulsion bases

圖6　自控操作界面Fig.6　Automatic operation interface

通過使用乳膠基質(zhì)液位智能控制技術(shù)，該地面站實(shí)現(xiàn)了一鍵開機(jī)乳化以及一號螺桿泵的頻率根據(jù)粗乳器中乳膠基質(zhì)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)；該地面站還具備油水相斷流，精乳器出口超溫，螺桿泵超壓斷流等狀態(tài)下的安全聯(lián)鎖保護(hù)功能。目前已生成出乳膠基質(zhì)6 000余噸，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，且儲存期超過一個(gè)月。經(jīng)國家安全生產(chǎn)淮北民用爆破器材檢測檢驗(yàn)中心檢測，爆速為5 000m/s(采用φ110mm×3mm×750mm的PVC管裝藥)，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)GB18095-2000《乳化炸藥》的要求。

6結(jié)語

靜態(tài)乳化器的研制符合我國民爆行業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，徹底消除了乳化過程中的安全隱患，大大提高了生產(chǎn)的安全水平，是目前最具本質(zhì)安全的乳化炸藥生產(chǎn)技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)可大大改善乳化炸藥生產(chǎn)過程中的安全性，避免因設(shè)備自身設(shè)計(jì)缺陷引起的爆炸等惡性安全事故，提高炸藥生產(chǎn)企業(yè)的安全生產(chǎn)水平，提升我國工業(yè)炸藥的生產(chǎn)技術(shù)水平。

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文章編號：1006-7051(2016)03-0031-03

收稿日期：2016-05-01

基金項(xiàng)目：北京礦冶研究總院院科研基金項(xiàng)目(YJ-2008-12)

作者簡介：張 靜(1977-)，男，碩士、高級工程師，主要從事化工機(jī)械及民爆設(shè)備方面的研究。E-mail： hbjmzj@163.com

中圖分類號：TD235.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.03.006

Staticemulsifier

ZHANGJing，ZHANGPei-qiang

(BGRIMMExplosive&BlastingTechnologyCo.,Ltd.ofBeijing,Beijing100160,China)

ABSTRACT：It is necessary to develop a new and intrinsically safe static emulsifier in order to improve the safety in the emulsion explosives production. The static emulsifier consists of the rough emulsifier with the open and low rpm and the fine emulsifier and they are connected by a screw-type pump. The fine emulsifier is a static mixer. The main technical parameters of the static emulsifier were determined by means of theoretical calculation and experiments. Now the static emulsifier has been successfully used in the production station for emulsion, the products can meet the relevant national standards. The research and invention of the static emulsifier can avoid vicious accidents such as blasts due to design defects of the equipment, greatly improve the safety in the emulsion explosives production. It also raises the safety production level of explosives production enterprises and the production level of the industry explosives of China.

KEY WORDS:Emulsion explosives； Static emulsifier； Static mixer； Safety