靜態乳化器

張 靜， 仉培強

(北京北礦億博科技有限責任公司， 北京 100160)

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靜態乳化器

張 靜， 仉培強

(北京北礦億博科技有限責任公司， 北京 100160)

摘要：為提高乳化炸藥生產過程的安全性，開發新的本質安全的靜態乳化器勢在必行。靜態乳化器由敞口、低轉速的粗乳器和精乳器組成，精乳器為靜態混合器，兩者之間由螺桿泵銜接。通過理論計算和試驗研究，確定了靜態乳化器的主要技術參數。目前，靜態乳化器已成功用于乳化地面站，產品性能穩定，完全滿足有關國家標準的要求。靜態乳化器的研發可以大大改善乳化炸藥生產過程中的安全性，避免因設備自身設計缺陷引起的爆炸等惡性安全事故，提高炸藥生產企業的安全生產水平，提升我國工業炸藥的生產技術水平。

關鍵詞：乳化炸藥； 靜態乳化器； 靜態混合器； 安全

1引言

乳化炸藥因其良好的抗水性能和性價比，已成為國內最重要的炸藥品種，年產量約233萬t，約占我國工業炸藥總產量的50%。雖然乳化炸藥生產線已經基本實現了連續化和自動化，其生產過程的安全得到了大幅度提高，但近幾年仍發生了多起爆炸安全事故，造成了重大財產和人員傷亡〔1-2〕。事故大多由連續生產工藝中的乳化器引起，發生事故的生產線的乳化器均采用動態乳化器(即定子-轉子剪切型)，這類設備的主要缺點在于設備內部定子和轉子間隙小，且腔體相對密閉，轉子高速運轉形成強烈的機械剪切和撞擊摩擦等作用，容易導致熱量積聚；當熱量積聚到一定程度，尤其是出現轉子部分斷裂或脫焊時，主軸竄位導致定子和轉子接觸，設備腔體內進入較大塊的硬質異物等，可能發生爆炸。

鑒于以上原因，2011年2月立項開展了靜態乳化器研究，以提高乳化過程安全性。該項研究突破傳統設計，摒棄了常規高轉速、小間隙、密閉型機械攪拌乳化器設計思路，形成了低轉速、大間隙、大產能敞口型的全新乳化設備的系統性技術成果。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設備目錄》(增補23)。

2靜態乳化器的結構原理

靜態乳化器由敞口、低轉速(低于600rpm)的粗乳器和精乳器組成，精乳器為靜態混合器，兩者之間由螺桿泵銜接，如圖1所示。粗乳器的電機支座2上帶有進料口及液位計口；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　粗乳器結構圖Fig.1　Structure chart of rough emulsifier

經過計量的水相溶液和油相溶液在匯聚后從進料口進入粗乳器，受到攪拌軸的作用后，形成初級的乳膠基質，從底部的出料口進入螺桿泵中。粗乳器由變頻器控制攪拌軸的轉速。粗乳器上裝有液位計，可以實時監測筒體中的液位，便于控制。

精乳器是一種SV型靜態混合器，如圖2所示。

圖2　精乳器結構圖Fig.2　Structure chart of fine emulsifier

靜態混合器是一種借助流體管路的不同結構,得以在很寬的雷諾數范圍內進行流體的混合，而又沒有機械式可動部件的流體管路結構體。靜態混合器靠設備內部特殊結構的組合單元，促使流體在設備內部產生切割、剪切、旋轉等作用達到互不相溶流體的良好混合。SV型靜態混合單元可以制成矩形或其他形狀的截面,安放在相應形狀的管道內。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時,彼此呈90°交錯。改變波紋的峰高和波紋傾斜的角度 ,可以得到許多種規格的混合單元。一個靜態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方向流動,相鄰的下一個靜態混合單元旋轉90°,其波紋通道使流體在旋轉90°的平面上流動。當單元高度等于直徑時,波紋通道恰好把流體從管子一側引向另一側。當單元高度等于半徑時,波紋通道僅能把流體自一側引向中心面。靜態混合器能使管內流體在空間的三個方向上流動,使流體混合均勻。這樣的混合,其優點突出表現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，由螺桿泵泵送經過精乳器時，受到靜態混合單元的切割、剪切、旋轉等作用，從而形成合格的乳膠基質。靜態混合單元數目通常在1～4之間，以適應不同的配方要求。

3靜態乳化器主要技術參數的確定

為使水油兩相溶液充分混合，應防止液體在粗乳器攪拌器附近產生“圓柱狀回轉區”或產生渦流，采取了以下技術措施：將主軸傾斜安裝；將進料管加長，以起擋板的作用。攪拌器采用的是帶導流筒的推進式葉輪，以保證罐內流體的軸向循環流動；導流筒的作用是為了增強軸向循環。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，攪拌軸上設計了兩層葉輪。兩層葉輪之間的距離在1d～1.5d之間。攪拌功率按下式計算：P=Npρ N3d5；由于密度ρ、轉速N和葉輪直徑d三個參數很易求得，故計算攪拌功率的關鍵是求出功率準數Np。計算Np有兩種方法，一是用算圖直接求取，另一種是用永田進治的攪拌功率計算式計算〔4〕。

SV型靜態混合器的壓降采用下列公式〔5〕進行計算：

(1)

(2)

式中：ΔP為單位長度靜態混合器壓力降，Pa；f為摩擦系數；ρ為操作條件下連續相流體密度，kg/m3；V為混合流體流速，以空管內徑計，m/s；ε為靜態混合器孔隙率；d為水力直徑，m；Re為雷諾數；μ為操作條件下連續相粘度，Pa·s；L為靜態混合器長度，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為管內徑，m。

摩擦系數f與雷諾數Re的關系見圖3〔6〕。

圖3　摩擦系數f與雷諾數Re關系圖Fig.3　Function diagram between friction coefficient and Reynolds number

經計算及實驗研究，靜態乳化器的主要技術參數最終確定如下：產能≤18t/h；粗乳器功率為2.2kW；轉子與筒壁間隙≥60mm；粗乳器主軸轉速 <600rpm；轉子線速度<7.3m/s；精乳器壓降<1.5MPa。

4靜態乳化器的安全性分析

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

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

5應用實例

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

圖4　靜態乳化器Fig.4　The static emulsifier

圖5　乳膠基質Fig.5　The emulsion bases

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

通過使用乳膠基質液位智能控制技術，該地面站實現了一鍵開機乳化以及一號螺桿泵的頻率根據粗乳器中乳膠基質液位自動調節；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下的安全聯鎖保護功能。目前已生成出乳膠基質6 000余噸，產品性能穩定，且儲存期超過一個月。經國家安全生產淮北民用爆破器材檢測檢驗中心檢測，爆速為5 000m/s(采用φ110mm×3mm×750mm的PVC管裝藥)，遠高于標準GB18095-2000《乳化炸藥》的要求。

6結語

靜態乳化器的研制符合我國民爆行業的產業發展方向，徹底消除了乳化過程中的安全隱患，大大提高了生產的安全水平，是目前最具本質安全的乳化炸藥生產技術。此項技術的研發可大大改善乳化炸藥生產過程中的安全性，避免因設備自身設計缺陷引起的爆炸等惡性安全事故，提高炸藥生產企業的安全生產水平，提升我國工業炸藥的生產技術水平。

參考文獻(References)：

〔1〕 汪旭光，王尹軍. 危險化學品安全管控與應急救援[J]. 工程爆破，2016,22(2)：1-7.

WANGXu-guang,WANGYin-jun.Thesafetymanagementandcontrolandemergencyrescueofthedangerouschemicals[J].EngineeringBlasting，2016,22(2)：1-7.

〔2〕 談選民，唐秋明. 乳化器和螺桿泵爆炸事故原因分析及其防范對策[J]. 爆破器材，2007，36(3)：31-33.

TANXuan-min,TANGQiu-min.Causeanalysisandpreventionmeasureofexplosionaccidentofemulsifierandscrew-bump[J].ExplosiveMaterials,2007，36(3)：31-33.

〔3〕 葉楚寶.蘇爾士靜態混合器[J]. 北京化工學院學報，1980，7(2)：43-57.

YEChu-bao.TheSulzerstaticmixer[J].JournalofBeijingAcademyofChemicalTechnology，1980，7(2)：43-57.

〔4〕 王凱，虞軍. 攪拌設備[M]. 北京：化學工業出版社,2003.

WANGKai,YUJun.Themixingequipment[M].Beijing:ChemicalIndustryPress,2003.

〔5〕 陸振明，徐斌. 靜態混合器的設置[J]. 化學工程，1994，22(5)：59-69.

LUZhen-ming,XUBin.Settingupastaticmixer[J].ChemicalEngineering, 1994，22(5)：59-69.

〔6〕 王宗勇.SV型靜態混合器流體力學和傳熱性能的研究[D]. 沈陽：沈陽化工學院,2000.

WANGZong-yong.ResearchformodelSVstaticmixerathydromechanicsbehaviorandconductingheatproperties[D].Shenyang:ShenyangAcademyofChemicalTechnology,2000.

文章編號：1006-7051(2016)03-0031-03

收稿日期：2016-05-01

基金項目：北京礦冶研究總院院科研基金項目(YJ-2008-12)

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

中圖分類號：TD235.2

文獻標識碼：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