敞开式无动力冷却器的研制.pdf

爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 0 卷第4 期 敞开式无动力冷却器的研制。 陈飞邢光武甘德淮谭文斌温建平陈清平 广东宏大爆破股份有限公司 广东广州，5 1 0 6 2 3 【摘要] 简述了一种敞开式无动力冷却器的设计思路，讨论了传热面积、传热系数、冷却水温度及流速对冷却效 率和乳胶基质的影响因素。乳胶基质在冷却介质中停留6 一l O s ，可由9 5 ℃冷却至5 5 ℃以下，该冷却器占地面积在 1 ．5m 2 以内。 【关键词] 乳化炸药乳胶基质冷却器敞开无动力 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1 T K 4 1 4 ．2 “ 引言 目前，乳化炸药生产线主要采用4 种冷却设备 钢带冷却机、皮带浸水冷却机、封闭式冷却器、封闭 式强冷机，后一种已经淘汰。 1 钢带冷却机。钢带浸水降温冷却后，将高 温乳胶基质，用胶辊将它铺成厚5 1 2m i l l ，宽1 2 0 0 m i n 的薄层，钢带与乳胶基质发生热交换，产量可达 4t ／h ，优点是敞开式，无摩擦及乳胶基质残留。缺 点是冷却效率低，设备占地面积大，钢带经常性跑 偏，维修费用高uJ 。 2 皮带冷却机。将高温乳胶基质，用胶辊在 皮带上铺成厚5 1 2 m m ，宽1 2 0 0m i n 的薄层，皮带 与乳胶基质从冷却水中通过，乳胶基质与冷却水发 生热交换，产量可达6t ／h 。优点是敞开冷却，冷却 效率比钢带高，无摩擦及乳胶基质残留。缺点是占 地面积大，皮带跑偏且易被乳胶基质腐蚀，维修费用 高。 3 封闭式冷却器。主要用于乳胶基质制备 站，螺杆泵将高温乳胶基质送到冷却器内，薄壁管内 通过冷却水，高温乳胶基质与薄壁管进行热交换，产 量可达2t ／h 。优点是无摩擦，无运动部件，设备体 积小【2 】。缺点是冷却效率低，有乳胶基质残留，薄 壁铜管容易破损，漏水后很难维修。 4 封闭式强冷机。螺杆泵将高温的乳胶基质 送到强冷机内，由夹层与空心轴，通过强冷机内的搅 拌，以达到冷却的目的，产量可达4t ／h 。优点是设 备体积小，冷却效率高。缺点是有摩擦及运动部件， 有乳胶基质残留，属于行业淘汰产品。 乳化炸药正在朝着“一体化”方向发展，要实现 乳化炸药管道化、全自动无人化及普及民爆“一体 化”生产，上述4 种冷却设备仍然不能满足技术发 展需要。 1 新型冷却器的设计思路与原理 1 ．1 设计思路与难点 乳胶基质是油相与水相通过乳化产生的，油相 包覆水相，它具有油相 油脂 的特性，但又不同于 油相。冷却乳胶基质采用油脂类冷却设备，只利用 了介质的防水性能，未利用其密度大于油相的特性， 造成冷却设备的功能多余或不足，因此，要充分利用 防水性能与密度大于油相的特点设计冷却器。 乳胶基质冷却的工艺要求是从9 5 ℃左右，迅速 冷却到5 5 ℃以下，这时的乳胶基质流动性差，黏滞 性强，传热速率低，极易黏附在热交换器的管壁上， 阻碍了冷热介质的热量传递，使得常规套管式换热 设备无法对乳胶基质进行快速冷却旧J 。 乳胶基质是氧化剂与还原剂的混合物，严禁采 用铲、刮等具有摩擦运动的冷却设备与部件，使得设 计冷却设备有一定的特殊性与难度。 1 ．2 设计基本理论 冷却传热有3 种基本方式，即导热、对流传热、 辐射传热。乳胶基质颗粒是由油相包覆水相溶液， 如油相冷却到凝固点以下后，油相就凝聚成一层油 膜，就象给水相穿上了一层保温服，对外进行对流与 辐射热量很少，冷却很难达到工艺与生产要求，故采 用直接导热进行冷却。 直接的热传导是指热量从物体的高温部分向同 一物体的低温部分，或者从一个高温物体向一个与 它直接接触的低温物体传热的过程，导热是静止物 体的一种传热方式，不依靠物质的宏观位移L 4J 。 由传热理论知，换热设备的传热效果用传热量 收稿日期2 0 1 1 - 0 4 ．1 8 ． 作者简介陈飞 1 9 6 3 一 ，男，高级工程师。从事乳化炸药生产管理与管道化生产技术的研究。E - m a i l C h e n f e i ．0 1 1 9 1 6 3 ．嗍 万方数据 2 0 1 1 年8 月敞开式无动力冷却器的研制陈飞等 1 3 表示，即 Q K 弛t 。 式中Q 传热量，k J ／h ； K 介质的传热系数，k J ／ m 2 h ℃ ； ，传热面积，m 2 ； 缸。泠热液体间的平均温度差，℃。 由上式可知，Q 与K 、，、△￡。成正比，要提高传 热量，就要提高介质的传热系数K 、增大传热面积F 和提高冷热液体的温差△￡。。 乳胶基质的传热介质系数K ，冷却后的温差△‘。 都是一定的，要提高冷却效率只有提高冷却面积，。 乳胶基质的冷却速度随季节的变化有所不同，夏季 慢，冬季快，要保持乳胶基质的冷却温度，冷却面积 也应是夏季大于冬季。 1 ．3 设计要点 根据民爆行业要求、乳胶基质特性及工艺要求， 冷却器应有如下特点 1 敞开式，在冷却时不与乳 胶基质产生摩擦； 2 冷却效率高，冷却温度可调 节； 3 乳胶基质要求具有好的防水性能； 4 乳胶 基质从9 8 ℃冷却到5 5 ℃ 混装乳胶基质从9 0 ℃冷 却到4 5 ℃ 以下； 5 不能让乳胶基质粘附在设备 上，以免影响冷却效率； 6 乳胶基质不能残留在设 备内。 1 ．4 冷却器结构 敞开式、无动力的冷却器是将乳化机的高温乳 胶基质出口安装分筛喷头，乳胶基质制成条状，冷却 水进、出口的位置在冷却器的下部及上部，条状乳胶 基质出口位于冷却器漏斗形出口，如制造物理敏化 的乳化炸药，可直接与搅拌器相连，见冷却器示意图 1 a 直排式冷却器，少量水珠经搅拌后进人乳胶基 质内，不影响炸药质量。图l b S 型冷却器出料口 为S 形，乳胶基质就必须有螺杆泵抽吸，便于自动化 控制。 爨原-灸墨毒 a 直排式冷却器 b S 型冷却器 l 一乳胶基质出口；2 一冷却的乳胶基质；3 一冷却水；4 一罐体； 5 一冷却水出口；6 一条状乳胶基质制备站；7 一分筛喷头； 8 一乳化机；9 一冷却水进口；1 0 一弯头；1 1 一抽板；1 2 一螺杆泵 图1敞开式无动力冷却器示意图 分筛喷头按需要采用不同直径或不同形状，制 成需要的条状、粒状乳胶基质。冷却器底部出料口 直接位于敏化机料斗上方或与螺杆泵的入口连接， 该螺杆泵的出口与敏化工序设备连接。冷却器无乳 胶基质残留、高效、几乎无需维修，冷却水循环使用， 使乳化炸药生产线的占地面积大幅缩小，该冷却器 已申报实用新型专利，专利号2 0 1 0 2 0 6 5 0 1 3 4 ．5 HJ 。 1 ．5 冷却过程 将高温乳胶基质，用一个筛子形状的喷头分筛 成面条一样的条状，直接浸入冷却水中，冷却水从装 载容器的底部进入，上部出水，形成循环。用漏斗形 状的底部收集乳胶基质。因为乳胶基质不溶于水， 密度较大，容易沉降在容器的底部，利用重力能将基 质中的水滴挤出。降温后的乳胶基质可直接用于敏 化‘6 1 。 2 影响冷却器效率的因素 2 ．1 传热面积 由图1 可见，高温乳胶基质从乳化机出来，进入 冷却水，乳胶基质与冷却水的传热面积，随着喷嘴的 直径减小，传热面积增大，乳胶基质冷却效果明显增 强。表l 采用0 2 5 0 m m 直径的喷头，加工不同直径 的喷嘴，增加传热面积，冷却器长度为2 m ，乳胶基质 温度为9 5 9 8 ℃，产能2 ．4 t ／h ，冷却水流速3m 3 ／h 。 因冷水机功率不足，冷却水上升1 ．5 2 ℃／h ，循环 水池容量为3 5 m 3 。 表l 增大传热面积降温效果 0 2 5 0n l l T l 直径的喷头 2 ．2 传热系数 在相同的冷却条件下，乳胶基质采用不同配方， 传热系数不同，下降的温度也不同，对冷却效果影响 较大，见表2 。采用彩3 0 0 r a m 直径的容器，加工囝 1 2 r n m 的喷嘴，冷却长度为l m ，乳胶基质温度为9 5 9 8 ℃。每次冷却lk g 乳胶基质，采用3 l ℃静态冷 表2 传热系数对基质温度的影响 基质配方油相含量／％油相中石蜡含量／％基质温度／℃ 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 0 卷第4 期 却水。从实验的统计数据可知，油相中含蜡量越高， 冷却效果越差一J 。 2 ．3 冷却水温度与流速 冷却水温度与流速对冷却效率有很大的影响， 见表3 和表4 。冷却水温度越低，冷却效果越好，为 了与生产中乳胶基质温度一致，开始生产时冷却水 温度低，流量小，到生产后期冷却水温度上升了，可 增加冷却水流速，保持乳胶基质冷却温度的恒定。 表3流速不变时冷却水温度对基质温度的影响 冷却水温度／℃冷却水上升5 。C 的时间／m i n 基质温度／℃ 表3 采用1 2 j 2 5 0 r a m 直径的喷头，9 2 0 r n m 的喷 嘴，冷却器长度2 ．8 m ，乳胶基质温度9 5 9 8 。C ，产能 2 ．4t ／h ，冷却水流速4m 3 ／h ，未开冷水机。 表4冷却水温度不变时流速对乳化基质 冷却效果的影响 表4 采用0 2 5 0 r a m 直径的喷头，j 2 j 2 0 r n m 的喷 嘴，冷却器长度为2 ．8 m ，乳胶基质温度为9 5 9 8 ℃，产能2 ．4t ／h ，开冷水机。 3 对乳胶基质性质的影响 3 ．1 浸水冷却对乳胶基质水分的影响 乳胶基质浸水冷却，热传导与热交换速度快，冷 却效果好，但乳胶基质浸水后仍然会产生一些变化， 乳胶基质的水分含量随着配方的不同，将会有变化， 见表5 。表5 中1 。是混装车配方，采用的是柴油、机 油、S p a n - 8 0 ；2 ‘一4 。是包装型配方，采用的是复合 蜡、S p a n q O 、T 1 5 4 。1 。是条状浸水，2 ’一4 。是乳胶 基质铺平成1 2 r a m 厚浸水。 表5浸水冷却对乳胶基质含水量的影响 浸水冷却增加了乳胶基质的水分含量，如采用 珍珠岩敏化，即在敏化前用搅拌器将水混人乳胶基 质中，并不影响乳化炸药的性能；如是化学发泡，可 直接后续加工，化学敏化本身要增加1 ．5 ％左右的 水分，在设计配方时，水相中减少0 ．5 ％左右的水 分，提高复合蜡1 3 ℃的滴熔点，降低冷却水温度， 整体增强配方与工艺的防水功能，将冷却水对乳胶 基质的影响减到最小J 。 3 ．2 冷却水温度对乳胶基质防水的影响 考虑到乳胶基质的外相是由油相材料组成，如 果冷却水温度超过外相油相的凝固点时，对乳胶基 质的影响见表6 ，实验时条状乳胶基质裸露在冷却 水中。随着冷却水温度上升，乳胶基质表面反白就 越快，水进人乳胶基质越多，乳胶基质表面变白，证 明乳胶基质的防水性能差，同时还可能会失去爆炸 性能。随着乳胶基质外相材料中油相烷烃分子量越 大，在同样冷却水温度时，表面反白及浸人乳胶基质 的水分就越少。 表6冷却水温度对乳胶基质的影响 配方冷却水温度／℃表面转白时间／w i n 含水量变化／％ 3 ．3 乳胶基质中硝酸铵在冷却水中的溶损 冷却水温度越低，表面油相冷却与热传导越快， 乳胶基质颗粒收缩越紧密，防水性能好，对硝酸铵的 侵蚀小，冷却后密度基本不变，见表7 。 表7 冷却水温度对乳胶基质密度及性能的影响 冷却水窒廑銮型 墨 竺2 激／。C 器9 5 鬈溢敏骺 ℃ 常温 职m “ 爆炸性能 化学敏化 爆速殉爆距离 ／ m s 一 ／c m 注为自然冷却，硝酸铵没有被侵蚀。配方采用的油相 是复合蜡与T 1 5 4 ，条状浸水时间为3m i n 。 配方中含蜡量高，防水性能好，硝酸铵被侵蚀量 小，见表5 。浸水后，水分含量增大，即对硝酸铵侵 蚀大，冷却水温度高，对油相破坏大，对硝铵侵蚀也 大，根据密度变化，正常情况下浸水后硝酸铵的被水 万方数据 2 0 1 1 年8 月敞开式无动力冷却器的研制陈飞等1 5 侵蚀量为0 ．3 ％一0 ．8 ％，对敏化后炸药性能基本没 有影响。 4 结束语 充分利用乳胶基质防水性能与密度大的特点， 成功设计了敞开式无动力冷却器，为乳化炸药生产 线实现管道化、自动化、小型化完成了一个关键设备 的攻关课题。 参考文献 [ 1 】谢皆见．钢带晾药机的应用[ J ] ．矿业快报，2 0 0 5 5 “4 5 ． [ 2 1 史良文，查正清，钟荫庭．新型乳胶基质冷却器的研究 与应用[ J ] ．矿冶，1 9 9 9 ，8 3 1 3 ．1 6 。 陈飞，何颖．珍珠岩敏化技术参数对乳胶基质性能的 影响[ J ] ．爆破器材，2 0 0 2 ．3 1 1 l O ．1 3 ． 汪旭光．乳化炸药[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 8 2 5 8 - 2 6 8 ． 陈飞，邢光武，郑炳旭，等．一种敞开式无动力的冷却 器中国，2 0 1 0 2 0 6 5 0 1 3 4 ．5 [ P ] ，申请日2 0 1 0 ．1 2 - 0 9 ． 陈飞。肖才榕．乳化器中搅拌结构及参数对乳化作用 的影响[ J ] ．爆破器材，2 0 0 2 ．3 1 4 3 3 ．3 7 ． 杨民钢，于魏清，杨卫东．乳化炸药连续冷却机的研制 【J ] ．煤矿爆破，2 0 0 1 1 4 ．7 ． 贾进宝，刘正凯，陈飞，等．A E 型乳化炸药安全性试验 [ J ] ．矿冶工程，1 9 9 4 ．1 4 1 1 3 ．1 6 ． C H E NF e i ，X I N GG m m g 伽，G A ND e h u 丑i ，T A NW e n b i n ，W E NJ i a n p i n g ，C H E NQ i n g p i n g G u a n g d o n gH o n g d aB l a s t i n gC o ．，L t d ． G u a n g D o n gG u a n g z h o u ，51 0 6 2 3 [ A B S T R A C T ] 1 1 l i 8p a p e ri n t r o d u c e d 蛐o p e na n du n p o w e Ⅲ, e dc o o l e r ，a n ds t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fh e a tt r a n s f e r8 r e 8 8 ， h e a tt r a n s m i to o e f t l c i e n t 。t h et e m p e r a t u 弛a n df l o wo f c o o l i n gw a t e ro nt h ec o o l i n ge f i ％i e n c ya n dl a t e xm a t r i x ．6 一l O s ’s t a y i nt h ec o o l i n gm a d i t t mc o u l dc o o lt h em a t r i xf r o m9 5 ℃t Ob e l o w5 5 ℃．A n dt h i sc o o l e rc o v e r so n l y 蚰蚴o f1 ．5m 2 ． 【K E Yw 0 R D s ]e m u l s i o ne x p l o s i v e ，l a t e xm a t r i x ，c o o l e r ，o p e n ，u n p o w e r e d 上接第1 l 页 的产品质量检测报告，并随车同行，作为人库依据； 3 采购入库的硝酸钠原料，必须经本公司理 化分析室对其产品质量进行复核以后才能在生产中 应用。 采用上述措施以后，乳化炸药生产中水相配料 的泡沫量得到了控制，也没有发生过“溢料”事件。 乳化器出口的乳胶基质密度也保持在1 ．4 1g ／c m 3 左 右，说明采取的措施是有效的，提高了乳化炸药的安 全生产水平。 4 结论 1 实验表明，硝酸钠 干基 可以略微提高硝 酸铵的热稳定性，而实践表明，乳化炸药生产中使用 符合G B ／T 4 5 5 3 - - - 9 3 工业硝酸钠中规定的～等品质 量要求的硝酸钠是安全的。 2 实验表明，少量的亚硝酸钠 干基 杂质会 加快体系的分解速率，降低硝酸铵的热稳定性。实 际生产中，硝酸钠中的亚硝酸钠杂质能引起乳胶基 质密度发生变化，并提高乳胶基质的雷管感度，影响 安全生产。 参考文献 【1 ] 汪旭光．乳化炸药[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 8 ． [ 2 3 乐武斌．亚硝酸钠含量对乳化炸药生产安全性的影响 [ J ] ．山西化工，2 0 0 7 ，2 7 2 5 5 - 5 6 ． [ 3 ] 苏洪文，刘超，谢兆忠．硝酸钠中亚硝酸钠含量对乳化 炸药安全生产的影响[ J 】．爆破器材，2 0 0 6 ，3 5 4 1 1 ． 1 2 ． [ 4 】D r ．K i r kY e a g e r ，P r o c ．H a z a r d so fA Nf o r m u l a t i o ne m p l o - r i n gs o d i u mn i t r a t ea n dn i t r a t e [ J ] ．A l t n u ．C o n f ．E 叫∞． B l a s t i n gT e c h ．1 9 9 9 ，2 5 t h V 0 1 ．I 3 8 7 - 3 9 5 ． [ 5 ] 郭子如，王小红．A N 和硝酸钠混合物热分解的动力学 分析[ J ] ．含能材料，2 0 0 4 ，1 2 6 7 9 - 8 2 ． I n f l u e n c eo fS o d i u mN i t r a t ea n dS o d i l l l nN i t r i t eo nt h eP r o d u c t i o nS a f e t yo fE m u l s i o nE x p l o s i v e U Uj i e ∞，M 0Y u a n l i n g o 。Z H A NB i w e n 0 X ；n i y a n gJ i u l i a nC h e m i c a lI n d u s t 7C o ．，工土d ． G u i z h o uG u l y a n g ，5 5 0 0 2 5 ⑦G n i z h o uJ i u l i a nI n d u s t r i a lE x p l o s i v eM a t e r i a l sD e v e l o p m e n tC o ．，埘． G u _ i z h o uG u i y a n g ，5 5 0 0 0 1 [ A B S T RA C T 】 A s e e e l e r a t e dc a l o r i m e t e ri sa p p l i e dt Os t u d yt h ei n f l u e n c eo fs o d i u mn i t r a t ea n ds o d i u mn i t r i t eo nt h et h e r - r e a ls t s h i l i t yo fa m m o n i u mn i t r a t ei nt h ee m u l s i o ne x p l o s i v ep r o d u c t i o n ．E x p e r i m e n t a l 陀- s u l t ss h o w e dn oi m p a c to f ∞d ／u ／n n i t r a t e 。b u tm a r k e d l yc h a n g et Ot h e r m a ls t a b i l i t yo fa m m o n i u mn i t r a t eb yo n l ys m a l la m o u n to f8 0 d i 岫n i t r i t ei m p u r i t i e s ． C o n n e c t i n gw i t ht h ep r o d u c t i o np r a c t i c e ，t h ep r o b l e mo fl a r g ef o a ma m o u n ti nw 砒e rb u r d e n i n ga n do v e r n o ww 8 8a n a l y z e d ． a n ds u g g e s t i o n st Op r e v e n ts i m i l a rp r o b l e m so c a l l r 8w e r eg i v 蜘． [ K E YW O A D S ] e m u l s i o ne x p l o s i v e ，a n n n o n i t n nn i t r a t e ，s o d i u mn i t r a t e ，s o d i u mn i t r i t e ，s a f e t y 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 』 口 p ∞ № p № 万方数据