静态乳化器

张 静， 仉培强

(北京北矿亿博科技有限责任公司， 北京 100160)



静态乳化器

张 静， 仉培强

(北京北矿亿博科技有限责任公司， 北京 100160)

摘要：为提高乳化炸药生产过程的安全性，开发新的本质安全的静态乳化器势在必行。静态乳化器由敞口、低转速的粗乳器和精乳器组成，精乳器为静态混合器，两者之间由螺杆泵衔接。通过理论计算和试验研究，确定了静态乳化器的主要技术参数。目前，静态乳化器已成功用于乳化地面站，产品性能稳定，完全满足有关国家标准的要求。静态乳化器的研发可以大大改善乳化炸药生产过程中的安全性，避免因设备自身设计缺陷引起的爆炸等恶性安全事故，提高炸药生产企业的安全生产水平，提升我国工业炸药的生产技术水平。

关键词：乳化炸药； 静态乳化器； 静态混合器； 安全

1引言

乳化炸药因其良好的抗水性能和性价比，已成为国内最重要的炸药品种，年产量约233万t，约占我国工业炸药总产量的50%。虽然乳化炸药生产线已经基本实现了连续化和自动化，其生产过程的安全得到了大幅度提高，但近几年仍发生了多起爆炸安全事故，造成了重大财产和人员伤亡〔1-2〕。事故大多由连续生产工艺中的乳化器引起，发生事故的生产线的乳化器均采用动态乳化器(即定子-转子剪切型)，这类设备的主要缺点在于设备内部定子和转子间隙小，且腔体相对密闭，转子高速运转形成强烈的机械剪切和撞击摩擦等作用，容易导致热量积聚；当热量积聚到一定程度，尤其是出现转子部分断裂或脱焊时，主轴窜位导致定子和转子接触，设备腔体内进入较大块的硬质异物等，可能发生爆炸。

鉴于以上原因，2011年2月立项开展了静态乳化器研究，以提高乳化过程安全性。该项研究突破传统设计，摒弃了常规高转速、小间隙、密闭型机械搅拌乳化器设计思路，形成了低转速、大间隙、大产能敞口型的全新乳化设备的系统性技术成果。2014年5月，该乳化器通过了工信部组织的科技成果鉴定；2015年1月，纳入《民用爆炸物品专用生产设备目录》(增补23)。

2静态乳化器的结构原理

静态乳化器由敞口、低转速(低于600rpm)的粗乳器和精乳器组成，精乳器为静态混合器，两者之间由螺杆泵衔接，如图1所示。粗乳器的电机支座2上带有进料口及液位计口；搅拌轴4由搅拌器和主轴组成；筒体5包含溢流口、出料口及安装支撑。

图1　粗乳器结构图Fig.1　Structure chart of rough emulsifier

经过计量的水相溶液和油相溶液在汇聚后从进料口进入粗乳器，受到搅拌轴的作用后，形成初级的乳胶基质，从底部的出料口进入螺杆泵中。粗乳器由变频器控制搅拌轴的转速。粗乳器上装有液位计，可以实时监测筒体中的液位，便于控制。

精乳器是一种SV型静态混合器，如图2所示。

图2　精乳器结构图Fig.2　Structure chart of fine emulsifier

静态混合器是一种借助流体管路的不同结构,得以在很宽的雷诺数范围内进行流体的混合，而又没有机械式可动部件的流体管路结构体。静态混合器靠设备内部特殊结构的组合单元，促使流体在设备内部产生切割、剪切、旋转等作用达到互不相溶流体的良好混合。SV型静态混合单元可以制成矩形或其他形状的截面,安放在相应形状的管道内。由金属板轧制波纹片,把波纹片组装成圆柱状或需要的其他形状,相邻的波纹片通道方向相反。圆柱状的混合单元装入管内时,彼此呈90°交错。改变波纹的峰高和波纹倾斜的角度 ,可以得到许多种规格的混合单元。一个静态混合单元的波纹通道,使流体在许多平行平面上向相反两个方向流动,相邻的下一个静态混合单元旋转90°,其波纹通道使流体在旋转90°的平面上流动。当单元高度等于直径时,波纹通道恰好把流体从管子一侧引向另一侧。当单元高度等于半径时,波纹通道仅能把流体自一侧引向中心面。静态混合器能使管内流体在空间的三个方向上流动,使流体混合均匀。这样的混合,其优点突出表现为即使在层流条件下也能使流体混合均匀,这是以前的混合设备(如孔板、混合阀等 )所不能比拟的〔3〕。

从粗乳器出来的初级乳胶基质，由螺杆泵泵送经过精乳器时，受到静态混合单元的切割、剪切、旋转等作用，从而形成合格的乳胶基质。静态混合单元数目通常在1～4之间，以适应不同的配方要求。

3静态乳化器主要技术参数的确定

为使水油两相溶液充分混合，应防止液体在粗乳器搅拌器附近产生“圆柱状回转区”或产生涡流，采取了以下技术措施：将主轴倾斜安装；将进料管加长，以起挡板的作用。搅拌器采用的是带导流筒的推进式叶轮，以保证罐内流体的轴向循环流动；导流筒的作用是为了增强轴向循环。叶轮直径d和罐体直径D的比值取为0.5左右；因罐体较深，搅拌轴上设计了两层叶轮。两层叶轮之间的距离在1d～1.5d之间。搅拌功率按下式计算：P=Npρ N3d5；由于密度ρ、转速N和叶轮直径d三个参数很易求得，故计算搅拌功率的关键是求出功率准数Np。计算Np有两种方法，一是用算图直接求取，另一种是用永田进治的搅拌功率计算式计算〔4〕。

SV型静态混合器的压降采用下列公式〔5〕进行计算：

(1)

(2)

式中：ΔP为单位长度静态混合器压力降，Pa；f为摩擦系数；ρ为操作条件下连续相流体密度，kg/m3；V为混合流体流速，以空管内径计，m/s；ε为静态混合器孔隙率；d为水力直径，m；Re为雷诺数；μ为操作条件下连续相粘度，Pa·s；L为静态混合器长度，m；ΔA为混合单元总单面面积，m2；σ为混合单元材料厚度，m；D为管内径，m。

摩擦系数f与雷诺数Re的关系见图3〔6〕。

图3　摩擦系数f与雷诺数Re关系图Fig.3　Function diagram between friction coefficient and Reynolds number

经计算及实验研究，静态乳化器的主要技术参数最终确定如下：产能≤18t/h；粗乳器功率为2.2kW；转子与筒壁间隙≥60mm；粗乳器主轴转速 <600rpm；转子线速度<7.3m/s；精乳器压降<1.5MPa。

4静态乳化器的安全性分析

国内用于乳化炸药生产的乳化器绝大部分为定子-转子剪切型，定子与转子的轴向和径向间隙大多2.5 ～8.0mm。工作时，主轴以970 ～1470r/min的速度高速旋转，转子线速度大于10m/s；而且乳化腔体相对密闭，易导致热量积聚，当出现转子断裂、主轴窜位或腔体进入硬质异物等异常情况时，是极其危险的。

通过比较技术参数，静态乳化器主轴转速低、转子线速度低、转子与筒壁间隙大，其安全性是不言而喻的。粗乳器敞口，低转速(低于600r/min)，能有效避免乳化过程中的热量积聚而引发的爆炸，近乎本质安全；用静态混合器作精乳器，因其内部无机械式可动部件，能避免常规定子-转子剪切型乳化器转子与定子、器壁等接触带来的危险，非常安全。

5应用实例

静态乳化器已用于北京矿冶爆锚技术工程有限责任公司九江县分公司的乳化地面站(图4～图6)。

图4　静态乳化器Fig.4　The static emulsifier

图5　乳胶基质Fig.5　The emulsion bases

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

通过使用乳胶基质液位智能控制技术，该地面站实现了一键开机乳化以及一号螺杆泵的频率根据粗乳器中乳胶基质液位自动调节；该地面站还具备油水相断流，精乳器出口超温，螺杆泵超压断流等状态下的安全联锁保护功能。目前已生成出乳胶基质6 000余吨，产品性能稳定，且储存期超过一个月。经国家安全生产淮北民用爆破器材检测检验中心检测，爆速为5 000m/s(采用φ110mm×3mm×750mm的PVC管装药)，远高于标准GB18095-2000《乳化炸药》的要求。

6结语

静态乳化器的研制符合我国民爆行业的产业发展方向，彻底消除了乳化过程中的安全隐患，大大提高了生产的安全水平，是目前最具本质安全的乳化炸药生产技术。此项技术的研发可大大改善乳化炸药生产过程中的安全性，避免因设备自身设计缺陷引起的爆炸等恶性安全事故，提高炸药生产企业的安全生产水平，提升我国工业炸药的生产技术水平。

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文章编号：1006-7051(2016)03-0031-03

收稿日期：2016-05-01

基金项目：北京矿冶研究总院院科研基金项目(YJ-2008-12)

作者简介：张 静(1977-)，男，硕士、高级工程师，主要从事化工机械及民爆设备方面的研究。E-mail： hbjmzj@163.com

中图分类号：TD235.2

文献标识码：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