乳化炸药射流乳化工艺研究

栗峰雷

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽淮北235000)

0 引言

乳化是乳化炸药生产线中关键工序,设备内能量集中,且反应物均匀混合,通常作为危险工序严密监控[1-2]。 现有的乳化技术依靠不同强度搅拌剪切实现乳化功能。 民爆行业技术进步指导意见提倡“研制应用本质安全、低能耗、小型化、环保型的专用设备”。 喷射乳化器完全符合该发展方向。

早在乳化炸药工业化初期,就有喷射乳化设备的专利报道,但由于供料压力过高(超过40 MPa),不便于实际应用。 由于在相同流量比的情况下,流量越大混合进行的就越快[3]。 目前炸药生产线产量要求均大于3.6 t/h,有的已经高达7 t/h。 同时借助易乳型炸药配方减低乳化操作的机械作用,使乳化炸药的喷射乳化工艺更加可行。 引进技术已经可以在1.5 MPa 压力下实现精乳,国内也有多家研究机构投入力量进行乳化新工艺的研发。

1 射流乳化的工艺适用性

射流混合的工作原理是利用主动流体的高速流动去卷吸另一股流体,使两种物料密切接触和混合。 将它用作乳化炸药生产,可视为一种接近本质安全的连续乳化器。 乳化过程不同于混合,混合可以在较低的混拌强度下通过延长作用时间来完成,而乳化的关键在于提供必要的剪切强度,即流场中合适的速度梯度。

目前采用理论计算或经验公式方法得到乳化过程的能量需求还难以实现,对比和试验是常规做法。 文献[4]指出搅拌线速度为10 m/s 即可成乳。其实乳化炸药乳胶的形成对搅拌强度是有选择性的。 通过对目前应用的不同乳化机正常生产时的功耗比较,可以发现能量供给的巨大差异,如同生产能力(1 200 kg/h)的乳化机的输入功率从5.5 kW 到15.0 kW 不等。 文献[5]指出:对乳化炸药的乳胶体系来讲,配方和乳化方式的不同,对乳化剂的量和分子结构的要求是有区别的,乳化剂用量及乳化工艺对乳化炸药稳定性起决定作用。 因此对确定的配方来说,形成一种稳定的乳胶体系,需要的剪切强度是确定的;用于辅助混合作用的能量依照乳化腔结构的不同差别很大,功耗中未转化为乳胶体系表面功的部分也有很大差异,这些能量一部分促成宏观混合,大部分用于无效的粘滞流动,引起温升,增加了危险因素。 使用恰如其分的能量输入,既确保剪切强度,又满足整体混合,是射流乳化工艺研究的重点。

2 喷射乳化流场模拟研究

乳化设备是生产线关键设备,由于试验条件的限制,单纯通过试验来研究设备的性能不仅周期长而且费用高。 而采取小型试验再放大设计的方法可行性并不好。 目前的CFD 仿真模拟和试验吻合的很好,被大量应用进行指导设计。 因此,以流场湍流数值模拟为主研究喷射器内流体流动规律,进而优化结构设计,具有重要的工程应用价值。

对于乳化过程中黏度急剧变化的炸药乳化基质,由于尚未掌握其中黏度的变化规律,模拟的过程难以与黏度变化过程相一致,最终设计仍需要依靠试验来进行验证。 但是乳化过程的前期是水相油相溶液的湍流接触,完全是流体混合状态,随着乳化过程的进行,黏度增加将使内部流动梯度变化增大,加快了体系速度均化过程,有利于能量转化。本模拟的着眼点在于对乳化前流场结构的探索,忽略油水相湍流接触发生乳化时的黏度变化,希望能基于CFD 技术了解流场中湍流强度分布以及总体混合效果,探讨射流乳化的可行性,提出优化设计的方法。

2.1 模型的建立

虽然射流产生的湍流强度值与射流速度成正比,提高射流速度,就可以达到需要的乳化剪切强度,但是单射流的强湍流区域集中在较小的范围内,难以形成分布均匀、大小合适的速度梯度,使有限的能量转化为乳胶表面能。 因此,需通过增加喷头数量改变强湍流场的分布。 本设计为了形成较均匀的旋流场,采用成螺旋状布置的3 个喷头。 建立模型并划分网格见图1。

图1 组合射流模型网格划分图

采用RNG k-ε 计算模型,模拟时考虑以下简化方式:

1)基于各向同性涡黏性假设的湍流模型,模拟中不涉及热交换,故设所有流体及壁面温度皆为恒温,即忽略能量方程;

2)不考虑乳化过程中形成乳胶引起的粘度变化;

3)边界条件为两个速度入口(即水相和油相按配比进入)及一个压力出口。

2.2 CFD模拟分析

对照乳化工艺要求,一般常用的1.2 MPa 压力输送泵可产生的喷射速度约为32.99 m/s,因此取射流速度为30.0 m/s 来进行模拟。

从湍流强度云图(图2)看,仅有喷头附近湍流强度较高,其余大面积蓝色区域都在35% 以下,乳化作用较弱。 从速度矢量图(图3)中也可以看出,同样喷头附近流体速度从约20 m/s 迅速减弱到10 m/s 以下,该区域流体速度梯度(剪切力)很大;而大面积蓝色区中,射流速度与混合体的速度差较小,剪切力小。 说明该设计选用的喷头直径小(＜1.5 mm),射流储能不足,进入乳化腔后在高黏度油相混合体中迅速消散;其二,速度矢量图中也反映出喷头倾斜角度偏大,腔中混合流体旋转速度过大。

图2 喷头下游湍流强度云图

图3 喷头下游速度矢量图

从轴(纵)截面速度矢量图(图4)观察,也看出射流速度迅速减弱,速度方向多变,螺旋射流在乳化腔内的搅拌作用较强,卷吸作用发挥更好。 但流体速度梯度大的区域较小,大范围内速度约为6.0 m/s,乳化剪切力不够。

图4 轴截面速度矢量

从各横截面的水相含量曲线(图5)可以看出,混合效率较高,但水相材料在距轴心不同距离处尚不一致,含量约从69% ～78.5%,靠近轴心部位的水相含量较高,靠近壁面处油相含量较高。 因此工艺参数仍需调整,或采用2 级喷射腔串联结构。

图5 出口附近横截面上水相组份分率

在上述模拟计算的基础上,仍需要对乳化设备的腔体结构、喷头布局等进一步分析和模拟计算,得出用于指导工业设计的结论。 另外参考高压均质机、高速射流撞击腔[6]的设计,最终选择优化后的设备工艺参数。

3 现场试验情况与讨论

3.1 试验情况

在模拟分析基础上,设计制造了射流乳化器小型试验装置。 为了避免射流携带能量不足、消散过快,组合喷头直径不宜过小,所以试验装置的流量设计为2 050 ～2 380 m3/h,结构设计见图6。 由于工厂条件所限,试验工作只能采用模拟物料。

图6 喷射乳化器结构图

试验材料:油相为生产线尾料,保温95 ℃;水相为生产线冲洗用水,加热保温约95 ℃。

试验设备:在原有生产线上,将水油相通过金属软管引入喷射乳化器。 油相泵为齿轮泵,PN1.0 MPa,水相泵为单螺杆泵,PN1.2 MPa。

乳化工艺参数:由控制室读取。 水相温度95 ℃,油相温度93 ～95 ℃;水相压力1.0 ～1.2 MPa,油相压力0.1 MPa;水相流量0.60 ～0.91 kg/s,油相流量0.05 kg/s;基质温度(乳化器出料温度)95 ℃。

试验过程中水相模拟物料的供料压力由1.0 MPa逐渐提高到1.2 MPa,水相流量由0.60 kg/s 逐步增加,只观察到水相和油相物料得到了充分混合,但未发生乳化现象:混合物料黏度未显著增高,未出现乳胶体特征。

3.2 讨论

乳化炸药的乳化工艺要求乳化腔内形成速度梯度大、剪切力强的高能量交换区域,能量的匹配和有效转化是喷射乳化成功与否的关键。 试验中选择的压力低、输送泵的功率较小,依靠射流携带的能量远不及机械搅拌传递的能量,乳化装置腔内的剪切力不均匀且总体强度低。 保证射流乳化效果的关键还是提高射流携带的能量。 因目前难以有效进行乳化状态与输入能量关系的估算,仍采取对比和摸索的基本方法。 本项目研究试验采用通用的水相输送泵,额定功率一般为4 kW,能量偏低。适当提高水相供料压力,比如达到通常液压工作站的低压水平,即6.3 MPa,这时输送泵功率、射流携能均达到一个新高度,应可满足乳化工艺要求。

4 结论

喷射乳化不容易达成均匀的湍流强度场和整体均匀混合,其强湍流区域集中在喷射流能够达到的前部,随着射流速度的增加,此区域相应扩大,但扩大范围有限,湍流强度场的均匀性即流体剪切力均匀程度变差。

模拟结果也显示出喷射对高黏度物料的混合作用不强。 由于流体黏度大,扩散系数小,在喷射流不能达到的区域,雷诺数Re便迅速降低,物料呈层流状态,混合作用很弱。

能量的匹配和有效转化是喷射乳化成功与否的关键。 依靠射流搅拌作用形成能量交换区要达到机械搅拌传递能量的效果,难度较高,因此需提高射流携带的能量,乳化工艺的可行性更好。