散装乳化炸药水相材料物性分析.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 2 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №3 J u n e2 0 1 2 散装乳化炸药水相材料物性分析① 彭宁1 ’2 ，邱朝阳1 ’2 ，吴晓梦1 2 1 ．长沙矿冶研究院有限责任公司．湖南长沙4 1 0 0 1 2 ；2 ．湖南金能科技股份有限公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要结合散装乳化炸药水相材料物性实际数据，用A S P E NP L U S 软件对水相材料在不同温度下进行了p u r e 和b i n a r y 物性分析， 结果表明，物件分析数据与实际数据相符。 关键词散装乳化炸药；水相；A S P E NP L U S ；P E N G - R O B 法；R K S O A V E 法 中图分类号T D 2 3 5 文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 3 - 0 0 1 8 0 4 P h y s i c a lP r o p e r t yA n a l y s i sf o rW a t e r - p h a s eM a t e r i a l o fB u l kE m u l s i o nE x p l o s i v e s P E N GN i n 9 1 ”．Q I UC h a o y a n 9 1 ”．W UX i a a m e n 9 1 ’2 1 ．C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n ga n dM e t a l l u r g yC o 删，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．H u n a nK e n o n S c i e n c e ＆T e c h n o l o g yC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t U s i n gA S P E NP L U Ss o [ t w a r _ e 。b o t hp u r ep h y s i c a lp r o p e r t ya n a l y s i sa n db i n a r yp h y s i c a lp r o p e r t ya n a l y s i sw e r e p e r f o r m e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sf o rw a t e r p h a s em a t e r i a li nb u l ke m u l s i o ne x p l o s i v e s ．T h er e s u l t ss h o w e dag o o d c o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ea n a l y t i c a ld a t aa n da c t u Md a t ao fp h y s i c a lp r o p e r t i e so fw a t e r - p h a s em a t e r i a l ． K e yw o r d s b u l ke m u l s i o ne x p l o s i v e ；w a t e r p h a s e ；A S P E NP L U Ss o f t w a r e ；P E N G - R O B ；R K - S O A V E 散装乳化炸药泛指一类用乳化技术制备的油包水 W ／O 乳胶型抗水工业炸药。其生产系统主要由散 装炸药车和配套的移动地面站两部分组成⋯。 在进行散装乳化炸药流程模拟之前，首先应该了 解所选物系的物性和相平衡关系，并对所选体系偏离 理想体系的程度和所选体系热力学计算方法有初步认 识。本文采用化工模拟软件A S P E NP L U S 对湖南金能 科技股份有限公司B C H R 型车制散装乳化炸药水相 材料进行了物性分析。通过模拟试验反映出实际生产 效果，使得炸药生产工艺调整的参数更为精确，大大提 高生产安全系数。通过选择合适的物性分析方法，改 善工艺条件，以备有效地保证散装乳化炸药乳化基质 的生产质量。 1 散装乳化炸药的水相 1 ．1 散装乳化炸药的水相材料 B C H R 型散装乳化炸药乳化基质是由氧化剂水溶 液 水相 和燃料油溶液 油相 按一定配比经高速剪 切乳化而得，基质质量的好坏在很大程度上取决于油 相和水相的配比是否准确和稳定，因此生产中对水相 和油相物性的熟知显得十分重要。 B C H R 型散装乳化炸药的水相是以硝酸铵和水组 成的硝酸盐水溶液，其主要作用为给炸药提供足够的 有效氧；使乳化炸药具有高密度的特征；形成分散相改 善爆炸性能J 。B C H R 型散装乳化炸药组成中，水相 构成分散相，主氧化剂为硝酸铵，含量一般在7 8 ％左 右，硝酸铵的作用是在爆炸过程中提供大量的氧，产生 大量气体和热量，发挥炸药爆炸威力，但是，硝酸铵的 爆炸性能随着其粒度、水分含量、起爆能、约束条件等 因素的不同而变化，因此在进行软件对散装乳化炸药 水相材料理想的物性分析之前，有必要对硝酸铵实验 值物性有个客观了解。 1 ．2 水相材料中的硝酸铵 硝酸铵化学式为N H 。N O ，，分子质量为8 0 ．0 1 ，含氮 量3 4 ．9 8 ％，含氧量为5 9 ．9 9 ％，氧平衡为 1 9 ．9 8 ％，常 温常压下。纯净的硝酸铵是白色无结晶水的结晶体，工 业硝酸铵由于含有少量铁的氧化物而略呈淡黄色。硝 酸铵晶体的密度为1 ．4 4 ～1 ．7 9 ∥c m 3 ，堆积密度取决 于颗粒度，一般粉状硝酸铵为0 ．8 0 - 0 ．9 5e ／c a ’，多孔 粒状硝酸铵为O ．7 5 0 ．8 5g ／c m 3 。硝酸铵极易吸水和 易溶于水，吸湿性强，易结块，熔点1 6 9 ℃，在水中的溶 解度随温度的增高而增大，表1 为硝酸铵在水中不同 温度下的溶解度卜J 。图1 为表l 的实验数据图。 ①收稿日期2 0 1 I ．1 2 ．3 1 作者简介彭宁 1 9 8 , 1 一 。男。硕士研究生，主要从事乳化炸药生产和混装车的研究。 万方数据 第3 期彭宁等散装乳化炸药水相材科物性分析1 9 表1 硝酸铵在水中的溶解度 t ／* C Ⅲ N H 4 N 0 3 ／％∥℃W N H 4 N 0 3 ／％ 一1 6 ．94 2 ．46 08 0 ．B 1 04 7 ．17 08 3 ．6 05 4 ．38 0踮．7 l O∞．3 9 0 8 8 ．8 2 06 5 ．5l ∞9 1 ．1 3 07 0 ．21 2 09 5 ．O 4 07 4 ．11 5 09 8 ．3 5 07 7 ．61 6 91 0 0 ．O 零 ＼ 凝 隶 删 餐 袋 钰 翟 廿 矬 缝 篙 足 爱 图l不同温度下硝酸铵饱和水溶液中硝酸铵的质量分数 硝酸铵溶于水时吸收热量，在不同溶度水溶液中 硝酸铵的溶解热不同。表2 给出了不同水溶液中硝酸 铵的溶解热，其不同温度时饱和水溶液的特性如表3 所示。 表2 硝酸铵在水溶液中的微分溶解热q “ N H 4 N 0 3 ／％ Q 。／ k J k g “ 2 8 ℃3 6 ℃ 1w 卅h N 0 3 c - 。p |地 ／℃ ／％ i t l i , g - I K 一‘ i W m 一’K - 1 ／ g ∞- 3 ／ s P a 8 1 05 4 ．34 ．1 lo ．4 6 11 ．“2 ．2 0 2 06 5 ．53 ．5 50 ．4 4 5I ．3 022 ．2 4 0 7 3 ．33 ．0 7o ，4 4 I1 ．3 534 4 6 08 0 ．82 ，6 2o ．4 1 91 ．3 755 0 8 0 8 6 ．72 ．1 70 ．4 2 51 ．3 93 ．0 4 1 0 09 1 ．I l _ 6 70 ．3 7 0 1 ．4 13 ．6 1 注c ．为比定压热容； 。为对麻温度下硝酸铵饱和水溶液的热导率．p ，为对应 温度下硝酸铵饱和水溶液的密度班。为对应温度下硝酸铵饱和水溶液的动 力黏度。 2 物性分析 2 ．1A S P E NP L U S 物性数据和模型 A S P E NP L U S 是一个大型通用的流程模拟系统软 件，广泛应用于物性分析、新工艺开发、装置设计优化 与改造。它具有丰富的物性数据库，可处理非理想、极 性高的复杂物系，并独具联立方程法和序贯模块法相 结合的解算方法，以及一系列拓展的单元模型库。此 外还具有灵敏度分析、自动排序、多种收敛方法以及报 告等功能。对有机化工、无机化工、电化学、石油化工 等各领域的各种单元操作均可模拟。其中自带的各种 物质的物性数据库较全，可满足绝大多数工艺过程的 模拟要求。包括50 0 0 多种纯组分的物性数据，被认为 是最适用于工业且最完备的物性系统∞J 。 物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关 键。A S P E NP L U S 性质方法是根据化合物的类别和操 作条件定制的，根据考察对象在这个软件中选择不同 的属性来进行数据处理，并验证实际现象，能满足大多 数工程需要。使用P r o p e r t i e sS p e c i f i c a t i o n s 表页定义 在模拟中所使用的物性方法．用于描述纯组分和混合 物的行为，主要从热力学性质着手分析物性‘4 j 。 2 ．2A S P E NP L U S 物性分析流程 物性分析路线在s i m u l a t i o n 里选择单位制一选 择运行类型A s p e nP r o p e r t i e s - ，, 订制报告内容_ ∞t u p 参数设置- 在c o m p o n e n t 中定义组分_ 在p r o p e r t y 中 设定计算物性的物性方法- - - p u r e 物性分析- - - , b i n a r y 物 性分析。 选择模拟类型 s i m u l a t i o n 为g e n e r a lw i t h m e t r i c u n i t s 。选择运行类型 r u nt y p e 为p r o p e r t ya n a l y s i s 。 p r o p e r t y 中设定计算物性的物性方法分别选择P E N G R O B 性质方法和R K S O A V E 性质方法对散装乳化炸 药水相进行物性分析。 2 ．3A S P E NP L U S 物性分析结果与讨论 2 ．3 ．1 P E N G R O B 法对散装乳化炸药水相的物性分 析由于硝酸铵的物性随温度变化而变化，所以散装 乳化炸药的水相物性与水相融化罐、水相储存罐、乳化 基质、炮孔中炸药的温度相关。融化罐的控制温度为 8 0 9 0 ℃，并与大气相通，在搅拌过程中保持一个恒 压过程；水相储存罐控制温度为8 5 ℃左右；基质制备 到炸药车料仓罐温度一般保持在8 0 ～8 5 ℃；在炮孔中 散装乳化炸药温度在2 0 一7 0 ℃之间变化。 基于散装乳化炸药水相物性考察条件，本文p u r e 物性分析中温度控制在0 1 0 0 ℃；b i n a r y 物性分析中， 分别在0 、2 0 邯、印、8 0 、1 0 0 ℃下分析硝酸铵饱和水溶液 的特性，压力控制在0 ．1M P a ，结果如图2 ～4 所示。 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 p 雩 k 卑 堇 、 肄 臻 ‰ 卑 耄 ＼ 簸 霰 2 枷瑚3 帅3 2 0 3 4 03 6 0 3 帅 温度／x ．1 1 呻 ．n S O ．n ∞ 一n 5 0 ．1 3 0 0 ●●●●● ●●●- _ ／’⋯ - - ●●●- ●●●● ●●●●- ⋯1 ．．．；～老f _ ●●●● ∥i ●●- ●● J--●●●●●●●●_ ⋯●●●_ ●●y z { ．- 一⋯⋯ - ●- ’ ／ ●●●●●少Z -_-●_L ⋯- ●⋯- ⋯- “ 1 - ⋯-- ●- ● ／ 瑚 2 8 0 3 帅 3 2 03 4 03 砷3 8 0 温度／x 圈2 硝酸铵p u r e 物性分析结果 碚酸铵的气液分率／％ 图3T - X H 2 0 y I N H 。N 0 3 分析结果图 硝酸铵的气液分率／％ 圈4H O ／N H 。N O ，体系吉布斯函数值 由图2 可见，硝酸铵的粘度不随温度的变化而变 化，A 。和C 。随着温度的提高而降低，热焓随温度变化 增大，与表3 所显示的A 。和c 。实验数据相符合。图3 反映的是硝酸铵水溶液的气液平衡相图；图4 中，纵坐 标为d G 血。函数值，即硝酸铵溶解吉布斯值△。l G 。，图3 呈现出△“G 。随硝酸铵浓度增大先增大再减小的变 化，也反映出温度增加G i b b s 函数值减小，通过曲线能 够找出在不同温度下饱和溶液G i b b s 函数值。热效应 OH p 相当于溶解所有的硝酸铵的溶解热，利用Q 除以 硝酸铵的物质的量／1 , 即可得到K N O ，的摩尔积分溶解 热△。l Ⅳ。，由△舯l 以 Q ／n ，又△“H 。 A 。l G 。 T A S ， A s 在硝酸铵水溶液硝酸铵溶解中值极小不予考虑，即 A G 。能反映出硝酸铵溶于水时吸收热量，在不同溶 度水溶液中硝酸铵的溶解热不同，与表2 给出的实验 值相符。 2 ．3 ．2R K ．S O A V E 法对散装乳化炸药水相的物性分 析基于散装乳化炸药水相物性条件要求，R K S O A V E 法选择分析条件与P E N G ．R O B 法相同，分析结果如 图5 6 所示。 2 椰2 舯3 ∞ 3 2 03 4 0瑚3 舯 温度／K i ＼ X I ●●●●- ⋯- - } ⋯ 。粼．| -●--- 卜、 瑚瑚3 ∞ 3 2 03 4 0姗3 舯 温度／K - 1 2 ∞ ．1 2 鲫 号一n ∞ 2 矿卯 ．1 4 0 0 ● 璺⋯⋯．．- ⋯．⋯．√；⋯- { ⋯- - ⋯- } ⋯- ●⋯⋯群 { | 夕 ⋯t ；；f ‘乍⋯ - ．⋯- ’⋯{ ⋯ ⋯{ ⋯”⋯ ⋯- ； 2 6 0 臻03 肿3 2 0 3 4 0 3 砷3 舯 温度／K 图5 硝酸铵p u r e 物性分析结果 S 0 6 一 ～ 一 叫 n m 拿-邑＼憾罄 万方数据 第3 期 彭宁等散装乳化炸药水相材料物性分析 2 I 产 七 暑 臼 硝酸铵的气踱分率／％ 硝酸铵的气液分率／％ 图6T - X 心O - y N it 4 N o , 和心C l ／h 雌N 0 3 体系吉布斯函数值 由图5 6 可知，利用R K S O A V E 法得到的硝酸 铵纯组分物性及水相物性基本与P E N G R O B 法相近， 可以很好地反映出散装乳化炸药水相材料实际物性数 据基本符合实验值。 3 结语 结合散装乳化炸药水相材料实际数据，采用 A S P E NP L U S 软件对水相材料在不同温度下进行了 p u r e 和b i n a r y 物性分析，分析结果均符合实际数据，为 利用A S P E NP L U S 软件对散装乳化炸药工艺流程进行 模拟做好了准备。 散装乳化炸药工业是国家一个特殊危险的行业， 生产表明，每进行一个工艺参数的改变都可能引起安 全隐患，如果通过模拟试验能够很好地反映出实际生 产效果，那么炸药生产工艺的参数调整将更为精确，生 产安全系数将大大提高。 参考文献 [ 1 ]唐秀永．乳化炸药移动式地面站油相与水相流量的模糊控制 [ J ] ．爆破器材，2 0 0 7 ，3 6 6 1 2 1 4 ． [ 2 ] 汪旭光．乳化炸药[ M 】．北京冶金T 业出版社，2 0 0 8 ． [ 3 】屈一新．化工过程数值模拟及软件[ M ] ．北京化学工业出版社， 2 0 【 6 ． [ 4 ] A S P E NT e c hI n c ．A S P E NP L U SR e l e a s e9 [ M ] ．C ．枷o r n i a A S P E N T e e hI n e ，1 9 9 5 ． 上援第1 7 页 了凡口铅锌矿地质软件G e o c a d 与矿业软件S u r p a c 钻 孔数据的无缝集成，建立了钻孑L 数据库，为矿山有效管 理地质数据奠定了基础。 2 创建的矿床三维实体模型及品位块体模型满 足资源储量计算要求，选用普通克立格法能准确、快速 计算矿山地质储量，根据不同的边界品位和中段生成 的储量报告，为矿山进行储量动态管理提供依据。 3 地质平剖面图的自动给制将复杂的地质绘图 过程简单化，成图结果与传统绘图相比，在绘图质量、 方便程度等方面有众多突出优势。 参考文献 [ 1 ]黄文斌，肖可炎，陈学工，等．矿产勘查储量估算三维可视化原 型系统的开发[ J ] ．矿床地质．2 0 0 6 ，2 5 2 2 0 7 2 1 2 ． [ 2 3 李仲学，李翠平，李春民，等．地矿工程三维可视化技术[ M ] ． 北京科学出版社。2 0 0 7 ． [ 3 3s u l p ∽M i n e xG r o u p ．s I 印∽V i s i o nS o f t w t h - gU s e rM a n u a l [ M ] ．B e i - j i n g S I l l p ∽S0 f i ㈣I n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 2 ． 【4 ] 采矿手册 编辑委员会．采矿手册 第一卷 [ M ] ．北京冶金 工业出版社，1 9 8 8 ． [ 5 ] L U OZ h o u q u a n ，L 1 UX i a o m i n g ，S UJ i a h o n g ．D e p o n i t3 Dm o d e l i n g a n da p p l i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o - g Y ，2 0 0 7 ，1 4 2 2 2 5 2 2 9 ． [ 6 ] 罗周全，李畅，刘晓明，等．金属矿床可视化建模及储量计算 [ J ] ．矿冶工程，2 0 0 9 ，2 9 1 1 0 1 4 ． [ 7 ] 徐海，罗周全，刘晓明．复杂巷道工程三维可视化建模方法研 究及应用[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 l ，3 1 1 1 9 2 3 ． [ 8 ] 罗周全．罗贞焱，刘晓明，等．基于钻孔编录信息可视化解译的 矿床三维建模[ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ，2 0 1 0 ，4 1 6 2 3 6 7 2 3 7 2 ． [ 9 】毕林，王李管，陈建宏。等．基 P ／k 叉树的复杂地质体块段模 型建模技术[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 8 ，。7 4 5 3 2 5 3 7 ． [ I o ] 龚元翔，王李管，冯兴隆，等．三维可视化建模技术在某铜矿中 的应用【J ] ．矿冶工程，2 0 0 8 。2 8 3 1 4 ． [ 1 1 】G o n gJY ，C l 。哪P G ，W a n gYD ．T h r e e - d i m e n s i u n a l m o d e l i n ga n d a p p l i c a t i o ni n 唧1 ．，g i c a le x p l a n a t i o ne n g i n e e r i n g 【J ] ．C o m p u t e r s ＆ C , e o s c i e n e e s ，2 0 0 4 ，3 0 4 3 9 1 - 4 0 4 ． [ 1 2 ]侯景儒，郭光裕．矿床统计预测及地质统计学的理论与应用 [ M ] ．北京冶金工业出版社。1 9 9 3 ． [ 1 3 ] U o y dCD ．A t k i n s o nPM ．A s s e s s i n gu n c e r t a i n t yi ne s t i m a t e sw i t h o r d i n a r ya n di n d i c a t o rK r i s i n g [ J ] ．C o m p u t e r s ＆c e 0 B c i e n c e s 。 2 0 0 1 ．2 7 9 2 9 9 3 7 ． 【1 4 ] 马洪滨，熊俊楠，基于地质统计学的储量估算系统[ J ] ．煤炭学 报，2 0 0 7 ，3 2 3 2 6 7 2 7 1 ． 万方数据