试论乳化机的乳化效果与安全性.pdf

2 6 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 9 卷第2 期 试论乳化机的乳化效果与安全性’ 杨民刚 煤炭科学研究总院爆破技术研究所 安徽淮北，2 3 5 0 3 9 [ 摘要]通过对目前国内使用的不同类型乳化机的技术结构评述，分析了影响乳化效能与安全性的主要因素， 提出了乳化机结构与安全性设计的技术要点，给出了相应结论。 [ 关键词】乳化机乳化效果安全性影响因素设计 [ 分类号] T Q 5 6 0 ．5 1 引言 乳化炸药已成为我国工业炸药的主要品种之 一，乳化炸药生产的核心设备乳化机，其技术结 构的优劣，直接影响到乳化制品即乳化基质的质量 和设备运行的安全性。国内近几年新建和改建的乳 化炸药生产线，多以年产1 ．2 万吨以上的大产能为 主，对产能与运行安全性等的要求更高。这就使得 乳化机必须有良好的乳化和安全性能，满足产能和 安全性要求。因此有必要对现行乳化设备进行分析 评述，寻求探索提高乳化效果与安全性的技术途径。 l 乳化设备技术现状 1 ．1 结构与性能 国内目前生产线上使用的乳化设备总体结构形 式有立式和卧式两种，立式的主轴轴线与水平面垂 直，卧式的则与水平面平行，电机以直联式为主。乳 化组件包括转子和定子，形式各异。转子多数是复 合组件，主要有空心圆柱体、实心圆柱体和圆锥体， 其侧面设有形状不同的搅拌齿，还有的在端面设置 长方形锯齿式桨叶，类似于圆盘涡轮式，一般由若干 组构成。定子是与转子紧密配合的部件，两者构成 了乳化腔，结构形式与转子相对应，也有圆柱体和圆 锥体，并多数带有冷却夹套，定子内表面有光面和带 齿面两种。转子和定子的形状、结构、轴向和径向尺 寸要依据产能和配方工艺要求确定，同时应符合行 业的有关技术要求。需要指出，在乳化工艺设计上， 出现了乳化机后置静态混合乳化的工艺形式。 乳化机的产能多在3 ．5t ／h 以上，功率1 5 3 0 k W 。同步转数1 5 0 0r ／r a i n 。转子和定子之间的轴 向和径向间隙分别大于3 ．0m l n 和2 ．51 1 1 1 1 1 ，用于粉 状乳化炸药的乳化机转子和定子间隙适当加大。 1 ．2 技术特征评述 从整体结构看，立卧式乳化机转子部分均为悬 臂轴，悬臂部分越长，越易产生挠曲变形。相对而 言，立式乳化机悬臂轴不易产生挠度或挠度很小，占 地面积少，但易产生振动。卧式乳化机运行则相对 平稳，振动小，但悬臂轴容易产生挠度。就转子和定 子结构而言，多组式的定转子可以根据工艺适当增 减，更适应于不同技术要求的乳化工艺，但元件多， 装配工艺复杂，会影响加工制造和装配精度。轴的 密封采用油封或机械密封，较好地阻止了介质的外 漏。总之，目前生产上使用的乳化机基本满足工艺 和安全使用要求，然而从技术发展和更优化的设计 考虑，仍有需要改进和完善的方面 1 多组式定转子结构形式。这种结构会增加 装配环节，保证加工装配精度比较困难； 2 悬臂轴 结构。产生的挠度超过许可量时，定子和转子碰撞 机会增加，影响生产安全； 3 齿形和桨形的设计方 面。要充分考虑与工艺配方的适应性，满足不同配 方的乳化要求； 4 密封件的设置方面。取消介质 经过密封件的设计方法，保证介质不进入密封组件。 2 影响乳化效果和安全性的主要因素 乳化效果与安全性是对立统一的。在配方工艺 确定后，要想提高乳化质量，必然要增加转数，降低 定转子间隙，安全性相对降低；如果对乳化效果要求 不高，机器运行安全通过设计更容易得到保证。 2 ．1 转子与定子结构 圆柱体和圆锥体的结构形式，侧面设计了不同 的齿形，轴向和径向有适当的间隙，利于胶体的形 成，尤其适用于进一步乳化，但这种结构加工装配要 求高，如不能保证足够的间隙，会存在安全隐患。在 圆柱体、圆锥体转子的端面设置一改进形桨叶，更有 利于乳液的形成，产生的乳化基质质量会有所提高， 收稿日期1 2 0 0 9 ．1 l - 1 0 作者简介杨民剐 1 9 5 9 一 。男，研究员。主要研究方向工业炸药工艺与设备。E - m a i l ．忡s i n a ．嗍 万方数据 2 0 1 0 年4 月试论乳化机的乳化效果与安全性杨民刚 但桨叶一般是焊接在转子上，焊接质量关系到运行 安全，同时桨的分设均匀状况及材料质量也影响转 子转动的平衡性，进而影响运行安全。单纯的桨叶 式转子 相当于缩小的乳化罐 ，定子和转子间隙一 般较大，难以生成高质量的乳化基质，除非提高转数 和缩小间隙，加之结构与联接方式的因素对安全运 行影响很大。 2 ．2 转数与转子直径 转数对剪切分散作用和安全性影响很大，高转 数会使油水两相混合更均匀，分散度更好，提升乳化 效果和产品质量。高转数和大直径转子也会使轴运 转的稳定性下降，甚至引起振动；另外介质在单位时 间内受摩擦的机会增加，产生大量摩擦热；过滤不严 密杂质进人间隙中；转子动平衡性差。这些都会降 低机器的安全性。所以乳化机转数尽量减小，转子 直径不宜太大，同时两者应相互匹配协调。 2 ．3 间隙 间隙是乳化机的一个重要技术指标。小间隙对 成乳和提高乳胶体质量非常有利，间隙过小，容易造 成定子和转子碰撞产生摩擦，危及安全。从保证乳 胶体质量和运行安全考虑，定子和转子间隙建议一 般不低于3 ．0m i l l o 2 ．4 制造精度 加工装配的优劣对乳化机的乳化效能和安全性 至关重要，机器性能在设计确定后，很大程度上取决 于零部件的加工与组装精度。设计中应选择合适的 配合公差、形位公差及表面粗糙度，如不圆度、不垂 直度等，以满足工艺对设备的要求。 2 ．5 工艺参数与运行状态 工艺参数一般指温度、压力、流量、液位等与介 质有关的参量。这些参量不在工艺要求的许可范围 内，不仅影响乳化效果，而且安全性降低。比如出料 不畅引起工作压力增大，物料在乳化腔内反复受剪 力作用，会使乳胶体受损。同时局部反复摩擦，热量 积聚易产生燃烧爆炸。乳化机的运行状况是自身技 术性能和安装运行质量的综合体现，通过电流、噪 声、稳定性等来表现。显而易见，如果偏离这些数值 较大或设备运行状态不良，安全将受到威胁。 3 乳化机设计与安全技术措施 前已叙及影响乳化效果与安全的主要因素，设 计时它体现在设备总体结构、定子和转子结构、转子 支撑方式、密封形式、进出料管路、动力选配及安全 联锁控制等方面。这些设计的综合效果决定设备的 安全性能。设计实际就是考虑工艺性、机械性和安 全性的过程。 3 ．1 结构设计 设备为获得良好的运行可靠性，其形式应优先 考虑卧式结构。转子长度大时，选用两端支撑结构， 可有效减少转轴挠度。宜选用受径向力为主，兼有 承受轴向力具有调心功能的轴承，以减少装配带来 的附加力。定子和转子间隙、长度，在保证料液有充 分的乳化分散时间和效果的前提下，应增大间隙，减 小直径，同时应满足有关规定要求。定转子表面和 端面是否都设置齿或桨叶，取决于对混合分散的强 度要求。齿或桨叶与轴的横切面设计成一定的角 度，在确定转动方向后，有利于乳胶体的输出。另 外，转子长度A 与直径D 之比大于0 ．2 时，要做动 平衡试验，平衡精度A A [ e ] w ／1 0 0 0 ，建议取不 低于C A O 级⋯，在使用4 极电机时许用偏心距约 0 ．2 5 m m 。总之定转子结构形式较多，不可能完全一 致，但无论何种结构都必须具有良好乳化性和安全 性的功能。 3 ．2 密封设计 密封的目的是防止料液外泄，有的设计也防止 压力降低。悬臂轴须考虑一端密封，简支梁形式的 支撑就涉及两端面的密封。密封结构形式很多，依 据其性能特点和工程实践，对具有强腐蚀性的乳化 液的密封常选择油封密封和机械密封，前者结构简 单，后者相对复杂。如因意外料液泄漏，油封密封可 直接外泄到非转动件以外；机械密封则难以及时排 除体外，对安全不利，采用外装平衡型安装结构，即 静环置于密封端盖外侧方式，会有效提高安全性。 轴承端面处设置密封件，并与阻挡料液泄露的密封 件有一定距离，则可有效控制泄露料液进入轴承。 3 ．3 进出料管路设计 进料口和出料口的设置一般使料液流向与重力 方向互逆布置，利于乳胶体形成和维持一定乳化剪 切时间，当然也可在成乳阶段适当增加出料管路输 出阻力。出料管路不应过长，同时考虑与后续工段 的衔接匹配，使乳化机内压力最小，出料管物料流速 一般在O ．5m ／s 以下【2J ，通过增大料管直径满足产 能需求。进料管直径可适当减小，使流速增大，趋向 湍流，利于乳液形成。 3 ．4 动力与传动设计 该设计方案主要是确定系统所需功率和传动联 接方式。电机功率选配不当，严重时威胁运行安全。 功率过大，功效比 功率与产能之比 增大，设备性 能下降，同时成本增加；功率过小，设备长时间超载 运行，影响系统安全，同时乳化液质量难以保证。乳 化炸药基质属非牛顿型流体中的宾汉姆流体口J ，对 万方数据 2 8 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 9 卷第2 期 特定的定转子结构，其功率的计算无更合适的方法， 通常参照类似的搅拌器功率估算后由经验确定。 电机与主轴的联接以直联为主，联轴器应能缓 和冲击、补偿径向偏差、适用中速转动。据此，宜设 计选用柱销联轴器、弹性圈联轴器和棒销联轴器等。 3 ．5 安全联锁监控设计 这部分一般是工艺设备布置设计内容，但应在 乳化设备的技术要求中提出。从乳化效果和安全性 方面，应监控电流、压力、流量、温度和振动等参数， 防止超载、超压、超温、断料、断水冷却和振幅与频率 超限。一旦出现参数超过设定值，乳化设备的安全 联锁监控系统将使设备自动停止运行，起到安全保 护作用。 4 结论 综上所述可知，乳化设备的乳化效能和运行安 全性与诸多因素有关，主要体现在以下几个方面 2 定子和转子加工制造精度是决定设备性能 的基础，设备零部件精度等级的选择是乳化设备设 计的又一关键环节。应依据工艺对乳化设备的要 求，确定合适的制造公差和配合公差。对L ／D 大于 0 ．2 的转子应进行动平衡试验，平衡精度一般不低 于G 4 0 级。 3 密封件是防止料液泄露的重要部件，宜首 选骨架式油封密封，当选用机械密封时，应采用静环 置于密封端盖外侧的安装方式。进出料管路直径和 长度的确定，应使两相溶液进人乳化腔时趋于湍流 状态，乳胶液输出阻力小，排出及时，排出速度小于 0 ．5 m ／s 。选用具有缓冲减振、有径向补偿的联轴 器，对提高设备安全性有利。 4 乳化设备必须设置安全联锁监控装置，对 主要工艺参数和运行状态进行监测与控制，它是保 证安全运行的重要手段。 构，多选用一端支撑形式；采用卧式结构，选用两端 册 [ M ] 北京人民教育出版社，1 9 7 9 6 7 7 ～6 8 0 支撑更有利于缓解振动冲击；合理设计定转子结构 [ 2 ]华东化工学院 基础化学工程编写组基础化学工 雪要塞望矍氅鼍竺黧篓杰慧罂善茎窆⋯霁嚣嚣 撼然嚣慧嚣翟嚣 銎些壁孚妻耋牟譬；冀于长璺和挠度较大时，可考虑 ⋯。爆破“一, ⋯1 9 9 “1 ⋯, 2 1 ⋯；3 ⋯8 ．一4 0 。_ ““～”“～”～”。。 采用简支梁形式的支撑方式。 上接第2 5 页 T h eO p t i m i z a t i o no ft h eE m u l s i o nE x p l o s i v eb yU s i n gO r t h o g o n a lE x p e r i m e n t a lM e t h o d R U A N H u a F u j i a nH a i x i aT e c h n o l o g yC o ．，L t d ． F u j i a nY o n g ’蚰，3 6 6 0 0 0 [ A B 汀R A c T ] I nt l l i sp a p e r ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o di s 叩叫e dt oo p t i m i z et h ef o r m u l ao fe m u l s i o ne x p l o - 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