栗峰雷

(中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽淮北235000)

0 引言

乳化是乳化炸藥生產線中關鍵工序,設備內能量集中,且反應物均勻混合,通常作為危險工序嚴密監(jiān)控[1-2]。 現有的乳化技術依靠不同強度攪拌剪切實現乳化功能。 民爆行業(yè)技術進步指導意見提倡“研制應用本質安全、低能耗、小型化、環(huán)保型的專用設備”。 噴射乳化器完全符合該發(fā)展方向。

早在乳化炸藥工業(yè)化初期,就有噴射乳化設備的專利報道,但由于供料壓力過高(超過40 MPa),不便于實際應用。 由于在相同流量比的情況下,流量越大混合進行的就越快[3]。 目前炸藥生產線產量要求均大于3.6 t/h,有的已經高達7 t/h。 同時借助易乳型炸藥配方減低乳化操作的機械作用,使乳化炸藥的噴射乳化工藝更加可行。 引進技術已經可以在1.5 MPa 壓力下實現精乳,國內也有多家研究機構投入力量進行乳化新工藝的研發(fā)。

1 射流乳化的工藝適用性

射流混合的工作原理是利用主動流體的高速流動去卷吸另一股流體,使兩種物料密切接觸和混合。 將它用作乳化炸藥生產,可視為一種接近本質安全的連續(xù)乳化器。 乳化過程不同于混合,混合可以在較低的混拌強度下通過延長作用時間來完成,而乳化的關鍵在于提供必要的剪切強度,即流場中合適的速度梯度。

目前采用理論計算或經驗公式方法得到乳化過程的能量需求還難以實現,對比和試驗是常規(guī)做法。 文獻[4]指出攪拌線速度為10 m/s 即可成乳。其實乳化炸藥乳膠的形成對攪拌強度是有選擇性的。 通過對目前應用的不同乳化機正常生產時的功耗比較,可以發(fā)現能量供給的巨大差異,如同生產能力(1 200 kg/h)的乳化機的輸入功率從5.5 kW 到15.0 kW 不等。 文獻[5]指出:對乳化炸藥的乳膠體系來講,配方和乳化方式的不同,對乳化劑的量和分子結構的要求是有區(qū)別的,乳化劑用量及乳化工藝對乳化炸藥穩(wěn)定性起決定作用。 因此對確定的配方來說,形成一種穩(wěn)定的乳膠體系,需要的剪切強度是確定的;用于輔助混合作用的能量依照乳化腔結構的不同差別很大,功耗中未轉化為乳膠體系表面功的部分也有很大差異,這些能量一部分促成宏觀混合,大部分用于無效的粘滯流動,引起溫升,增加了危險因素。 使用恰如其分的能量輸入,既確保剪切強度,又滿足整體混合,是射流乳化工藝研究的重點。

2 噴射乳化流場模擬研究

乳化設備是生產線關鍵設備,由于試驗條件的限制,單純通過試驗來研究設備的性能不僅周期長而且費用高。 而采取小型試驗再放大設計的方法可行性并不好。 目前的CFD 仿真模擬和試驗吻合的很好,被大量應用進行指導設計。 因此,以流場湍流數值模擬為主研究噴射器內流體流動規(guī)律,進而優(yōu)化結構設計,具有重要的工程應用價值。

對于乳化過程中黏度急劇變化的炸藥乳化基質,由于尚未掌握其中黏度的變化規(guī)律,模擬的過程難以與黏度變化過程相一致,最終設計仍需要依靠試驗來進行驗證。 但是乳化過程的前期是水相油相溶液的湍流接觸,完全是流體混合狀態(tài),隨著乳化過程的進行,黏度增加將使內部流動梯度變化增大,加快了體系速度均化過程,有利于能量轉化。本模擬的著眼點在于對乳化前流場結構的探索,忽略油水相湍流接觸發(fā)生乳化時的黏度變化,希望能基于CFD 技術了解流場中湍流強度分布以及總體混合效果,探討射流乳化的可行性,提出優(yōu)化設計的方法。

2.1 模型的建立

雖然射流產生的湍流強度值與射流速度成正比,提高射流速度,就可以達到需要的乳化剪切強度,但是單射流的強湍流區(qū)域集中在較小的范圍內,難以形成分布均勻、大小合適的速度梯度,使有限的能量轉化為乳膠表面能。 因此,需通過增加噴頭數量改變強湍流場的分布。 本設計為了形成較均勻的旋流場,采用成螺旋狀布置的3 個噴頭。 建立模型并劃分網格見圖1。

圖1 組合射流模型網格劃分圖

采用RNG k-ε 計算模型,模擬時考慮以下簡化方式:

1)基于各向同性渦黏性假設的湍流模型,模擬中不涉及熱交換,故設所有流體及壁面溫度皆為恒溫,即忽略能量方程;

2)不考慮乳化過程中形成乳膠引起的粘度變化;

3)邊界條件為兩個速度入口(即水相和油相按配比進入)及一個壓力出口。

2.2 CFD模擬分析

對照乳化工藝要求,一般常用的1.2 MPa 壓力輸送泵可產生的噴射速度約為32.99 m/s,因此取射流速度為30.0 m/s 來進行模擬。

從湍流強度云圖(圖2)看,僅有噴頭附近湍流強度較高,其余大面積藍色區(qū)域都在35% 以下,乳化作用較弱。 從速度矢量圖(圖3)中也可以看出,同樣噴頭附近流體速度從約20 m/s 迅速減弱到10 m/s 以下,該區(qū)域流體速度梯度(剪切力)很大;而大面積藍色區(qū)中,射流速度與混合體的速度差較小,剪切力小。 說明該設計選用的噴頭直徑小(＜1.5 mm),射流儲能不足,進入乳化腔后在高黏度油相混合體中迅速消散;其二,速度矢量圖中也反映出噴頭傾斜角度偏大,腔中混合流體旋轉速度過大。

圖2 噴頭下游湍流強度云圖

圖3 噴頭下游速度矢量圖

從軸(縱)截面速度矢量圖(圖4)觀察,也看出射流速度迅速減弱,速度方向多變,螺旋射流在乳化腔內的攪拌作用較強,卷吸作用發(fā)揮更好。 但流體速度梯度大的區(qū)域較小,大范圍內速度約為6.0 m/s,乳化剪切力不夠。

圖4 軸截面速度矢量

從各橫截面的水相含量曲線(圖5)可以看出,混合效率較高,但水相材料在距軸心不同距離處尚不一致,含量約從69% ～78.5%,靠近軸心部位的水相含量較高,靠近壁面處油相含量較高。 因此工藝參數仍需調整,或采用2 級噴射腔串聯結構。

圖5 出口附近橫截面上水相組份分率

在上述模擬計算的基礎上,仍需要對乳化設備的腔體結構、噴頭布局等進一步分析和模擬計算,得出用于指導工業(yè)設計的結論。 另外參考高壓均質機、高速射流撞擊腔[6]的設計,最終選擇優(yōu)化后的設備工藝參數。

3 現場試驗情況與討論

3.1 試驗情況

在模擬分析基礎上,設計制造了射流乳化器小型試驗裝置。 為了避免射流攜帶能量不足、消散過快,組合噴頭直徑不宜過小,所以試驗裝置的流量設計為2 050 ～2 380 m3/h,結構設計見圖6。 由于工廠條件所限,試驗工作只能采用模擬物料。

圖6 噴射乳化器結構圖

試驗材料:油相為生產線尾料,保溫95 ℃;水相為生產線沖洗用水,加熱保溫約95 ℃。

試驗設備:在原有生產線上,將水油相通過金屬軟管引入噴射乳化器。 油相泵為齒輪泵,PN1.0 MPa,水相泵為單螺桿泵,PN1.2 MPa。

乳化工藝參數:由控制室讀取。 水相溫度95 ℃,油相溫度93 ～95 ℃;水相壓力1.0 ～1.2 MPa,油相壓力0.1 MPa;水相流量0.60 ～0.91 kg/s,油相流量0.05 kg/s;基質溫度(乳化器出料溫度)95 ℃。

試驗過程中水相模擬物料的供料壓力由1.0 MPa逐漸提高到1.2 MPa,水相流量由0.60 kg/s 逐步增加,只觀察到水相和油相物料得到了充分混合,但未發(fā)生乳化現象:混合物料黏度未顯著增高,未出現乳膠體特征。

3.2 討論

乳化炸藥的乳化工藝要求乳化腔內形成速度梯度大、剪切力強的高能量交換區(qū)域,能量的匹配和有效轉化是噴射乳化成功與否的關鍵。 試驗中選擇的壓力低、輸送泵的功率較小,依靠射流攜帶的能量遠不及機械攪拌傳遞的能量,乳化裝置腔內的剪切力不均勻且總體強度低。 保證射流乳化效果的關鍵還是提高射流攜帶的能量。 因目前難以有效進行乳化狀態(tài)與輸入能量關系的估算,仍采取對比和摸索的基本方法。 本項目研究試驗采用通用的水相輸送泵,額定功率一般為4 kW,能量偏低。適當提高水相供料壓力,比如達到通常液壓工作站的低壓水平,即6.3 MPa,這時輸送泵功率、射流攜能均達到一個新高度,應可滿足乳化工藝要求。

4 結論

噴射乳化不容易達成均勻的湍流強度場和整體均勻混合,其強湍流區(qū)域集中在噴射流能夠達到的前部,隨著射流速度的增加,此區(qū)域相應擴大,但擴大范圍有限,湍流強度場的均勻性即流體剪切力均勻程度變差。

模擬結果也顯示出噴射對高黏度物料的混合作用不強。 由于流體黏度大,擴散系數小,在噴射流不能達到的區(qū)域,雷諾數Re便迅速降低,物料呈層流狀態(tài),混合作用很弱。

能量的匹配和有效轉化是噴射乳化成功與否的關鍵。 依靠射流攪拌作用形成能量交換區(qū)要達到機械攪拌傳遞能量的效果,難度較高,因此需提高射流攜帶的能量,乳化工藝的可行性更好。