乳化基質(zhì)冷卻工藝研究

黃云川

（廣東宏大羅化民爆有限公司，廣東云浮 527300）

乳化基質(zhì)冷卻是炸藥連續(xù)自動化生產(chǎn)中必不可少工序，即在生產(chǎn)過程中需將乳化工序產(chǎn)出的乳膠基質(zhì)進(jìn)行冷卻處理，將其從95～100℃冷卻至50～57℃。由于受到原材料、安全因素、冷卻效率以及工房大小的制約，生產(chǎn)現(xiàn)場對于冷卻工藝有著諸多方面的要求，同時(shí)敏化工序?qū)θ榛|(zhì)的溫度要求較為嚴(yán)格，且在一定程度上要做到自由調(diào)控，因此，必須對乳化基質(zhì)冷卻工藝進(jìn)行研究，以確保冷卻工藝穩(wěn)定。

1 乳化基質(zhì)冷卻效果影響因素

1.1 熱量傳遞效果理論表述

乳化基質(zhì)冷卻工藝問題從熱量傳遞理論來看，實(shí)際上是一個(gè)間壁傳熱過程，熱量傳遞交換效果可用傳熱量公示來表示[1]，即：

其中Q為傳熱量，kJ/h；K為設(shè)備傳熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）；A為傳熱面積，m2；Δtm為熱傳遞溫差，℃。由式（1）可見，理論上Q與K、A、Δtm成正比關(guān)系。在生產(chǎn)過程中，其他工藝條件不變的條件下，乳化出口基質(zhì)與冷卻介質(zhì)溫度隨之確定，基質(zhì)與冷卻介質(zhì)溫度差成為一個(gè)定值，傳熱動力也是一定的。想要提高冷卻效果，就要提高乳化基質(zhì)傳熱量，增大傳熱面積和冷卻基質(zhì)與介質(zhì)的熱傳遞溫差，調(diào)整配方以提高乳化基質(zhì)的傳熱系數(shù)。

由傳熱理論可知，冷熱流體的給熱系數(shù)決定傳熱系數(shù)，用公式表示，即：

式中，K為給熱系數(shù)，β1、β2為高溫物質(zhì)給熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）；δ為接觸介質(zhì)壁厚度，m；μ1為導(dǎo)熱系數(shù)kJ/（m2·h·℃）。

由式（2）可知，在確定傳熱工藝設(shè)備材質(zhì)及厚度后，δ/μ1就成為固定常量。給熱系數(shù)與冷卻物質(zhì)（流體）的運(yùn)動狀態(tài)及性質(zhì)、傳熱設(shè)備傳熱面積有密切關(guān)系，β1、β2是影響給熱系數(shù)K值的主要參數(shù)[2]。

綜上分析可見，傳熱面積和冷熱流體的給熱系數(shù)是單位時(shí)間傳熱量的決定因素。換熱面積與給熱系數(shù)在很大程度上依賴于冷卻工藝與設(shè)備的設(shè)計(jì)。提高乳化基質(zhì)冷卻效果的主要途徑：一是要增大傳熱面積，可以對冷卻設(shè)備不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增大設(shè)備體積；二是提高乳化基質(zhì)對流給熱系數(shù)，可以加長乳化基質(zhì)輸送管道長度，讓乳化基質(zhì)在冷卻器不斷分割流經(jīng)及旋轉(zhuǎn)次數(shù)（增加β1、β2系數(shù)），提高冷卻設(shè)備Δtm傳熱量。

1.2 乳化基質(zhì)傳熱特性

乳化基質(zhì)主要成分為硝酸銨、復(fù)合蠟、乳化劑，經(jīng)過乳化機(jī)高速剪切混合形成，屬于一種非牛頓塑性流體。乳化基質(zhì)從乳化機(jī)生產(chǎn)出來的黏度在500～700Pa·s，由于其附在冷卻設(shè)備會產(chǎn)生極強(qiáng)的黏滯作用，很難被清除和更新，再加上物理摩擦作用，流通性差，增加輸送壓力，乳化基質(zhì)本身的熱量難以被快速導(dǎo)走，因此在冷卻設(shè)備上會形成熱阻，產(chǎn)生很厚的滯留層[3]。熱阻與冷卻設(shè)備接觸材質(zhì)壁厚度成正比，與給熱系數(shù)成反比。此外乳化基導(dǎo)熱系數(shù)通常很小，為0.96kJ（m·h·℃）左右，造成熱阻很大，這些都是影響基質(zhì)傳熱效果的重要因素。

綜上分析可知，乳膠基質(zhì)具有流動性差、黏度大、導(dǎo)熱性差等特性，是導(dǎo)致基質(zhì)冷卻降溫困難的主要原因。

1.3 乳化基質(zhì)黏稠度

乳化基質(zhì)作為一種非牛頓塑性流體，經(jīng)過精乳機(jī)乳化后，容易形成2～10mm厚度的非流動層，黏稠度較大，在冷卻器和乳化器中速度梯度較大，主要表現(xiàn)為黏滯輸送設(shè)備零部件及冷卻材質(zhì)器壁，運(yùn)動摩擦力較大，乳化基質(zhì)這種黏滯性，嚴(yán)重影響其與其他物質(zhì)熱量傳遞，難以實(shí)現(xiàn)溫度降溫。

1.4 乳化基質(zhì)流動性

乳化機(jī)出口的乳化基質(zhì)溫度一般在100～105℃。水油相經(jīng)過短時(shí)間高速攪拌混合、剪切，乳化基質(zhì)黏稠度增加，乳膠粒子變小，在這個(gè)乳化溫度范圍內(nèi)，乳化基質(zhì)顯著的特性就是流動性較差，運(yùn)動摩擦力就越大，導(dǎo)熱性弱，傳熱效果差。

1.5 冷卻設(shè)備材料

由于不同冷卻設(shè)備材料的熱傳導(dǎo)性不同，熱導(dǎo)系數(shù)也不同，材料管壁越薄，傳熱效果越好，例如在100℃時(shí)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)μ=393W/（m·K），鋁的導(dǎo)熱系數(shù)μ=240W/（m·K）。冷卻設(shè)備越長，基質(zhì)冷卻時(shí)間越長，冷卻效果越好。冷卻設(shè)備表面越粗糙，乳化基質(zhì)黏附越厚，黏附作用強(qiáng)，熱擴(kuò)散率越低，導(dǎo)熱系數(shù)下降。

1.6 冷卻水溫度及流量

國內(nèi)乳化炸藥生產(chǎn)線冷水基本都采用自來水，以水為冷卻介質(zhì)，在冷卻設(shè)備尺寸直徑不變時(shí)，冷卻水溫度及流量與冷卻溫度成正比。冷卻水溫度越低，流量越大，熱交換能力越強(qiáng)，冷卻效果越好。

2 冷卻工藝技術(shù)對比分析

具有推廣價(jià)值的乳化炸藥冷卻工藝，一是要滿足安全高效、連續(xù)自動化，二是實(shí)現(xiàn)快速冷卻降溫，三是產(chǎn)能大、投資維護(hù)成本低，以下是對幾種我國目前主流的乳化炸藥冷卻工藝技術(shù)進(jìn)行分析和比較。

2.1 鋼帶冷卻工藝

鋼帶冷卻主要由碾壓料系統(tǒng)、鋼帶輸送系統(tǒng)、冷卻噴淋水循環(huán)系統(tǒng)等組成。鋼帶冷卻工藝主要原理是將制備好的水、油相物料被泵送到乳化器進(jìn)行乳化，制得乳膠基質(zhì)，乳膠基質(zhì)自由下落輸送到移動的鋼帶，將鋼帶連續(xù)過水噴灑冷卻，用膠輥裝置將乳化后的可流動狀態(tài)的高溫基質(zhì)均勻碾壓，鋪在鋼帶上形成5～12mm薄層，鋼帶在勻速移動過程中，用循環(huán)冷卻水噴淋到鋼帶另一面，確保鋼帶在輸送過程中連續(xù)冷卻。冷卻后的乳化基質(zhì)通過鋼帶末端掛料系統(tǒng)落入敏化機(jī)進(jìn)行敏化。鋼帶冷卻工藝，不受炸藥配方限制，物理敏化、化學(xué)敏化均可，鋼帶冷卻沒有任何剪切破壞，對乳化基質(zhì)的破壞較小，乳化狀態(tài)保持良好。影響鋼帶冷卻效果主要因素是產(chǎn)能大小、乳化基質(zhì)出料溫度、循環(huán)冷卻噴淋水溫度、乳化基質(zhì)分布厚度、鋼帶輸送速度等。

2.1.1 鋼帶冷卻工藝優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：①敞開式，無乳化基質(zhì)殘留，無摩擦，安全性高；②冷卻效率高，效果好，通常在3min內(nèi)可以將100℃冷卻到51～55℃，如表1所示。

表1 冷卻性能實(shí)驗(yàn)

（2）缺點(diǎn)：①日常操作繁雜，鋼帶上乳化基質(zhì)厚度一般都是人工調(diào)節(jié)；②鋼帶冷卻裝置整體占地面積大，前期投資及后期維護(hù)成本高。

2.1.2 優(yōu)化方案

近年來，國內(nèi)許多單位廠家對鋼帶冷卻工藝也在不斷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。尤其是中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院黃琦統(tǒng)設(shè)計(jì)了“一種涼藥厚度自動化控制系統(tǒng)”、撫順礦業(yè)李勝萍提出了“鋼帶冷卻機(jī)乳化基質(zhì)布料厚度調(diào)節(jié)裝置的改進(jìn)[4]”等技術(shù)，主要都是用PLC編程控制，實(shí)現(xiàn)對鋼帶乳化基質(zhì)厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動調(diào)節(jié)，解決了長期以來鋼帶冷卻基質(zhì)厚度的自動化控制問題，提高了乳化炸藥生產(chǎn)線全線自動化、無人化水平，對于鋼帶冷卻使用廠家具有很大推廣價(jià)值。

2.2 浸冷水冷卻工藝

浸冷水冷卻主要由鋼滾裝置、浸冷水循環(huán)槽、浸冷皮帶輸送系統(tǒng)、吹風(fēng)除水系統(tǒng)、刮料裝置等幾部分組成。浸冷水冷卻工藝主要原理是制得的乳膠基質(zhì)（溫度為95～100℃），自由下落到浸冷輸送皮帶，再由鋼滾壓料系統(tǒng)將基質(zhì)均勻碾壓成8～10mm厚度，然后由浸冷皮帶輸送直接經(jīng)過循環(huán)冷卻水槽過水進(jìn)行冷卻降溫，讓基質(zhì)與冷卻水進(jìn)行充分熱傳遞。浸冷水帶在移動過程中使乳化基質(zhì)邊輸送邊冷卻，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料與出料。再由吹風(fēng)除水系統(tǒng)對皮帶及乳化基質(zhì)上的游離水進(jìn)行清除，經(jīng)過除水系統(tǒng)的乳化基質(zhì)（溫度為52～57℃）再由刮料裝置刮入敏化機(jī)攪拌進(jìn)行敏化。影響浸冷水工藝?yán)鋮s效果的主要因素是產(chǎn)能大小、進(jìn)冷水循環(huán)溫度、基質(zhì)厚度、水槽長度等。

我公司乳化炸藥線目前冷卻工藝為浸冷水冷卻，在實(shí)際使用中，產(chǎn)能、工藝配方、生產(chǎn)設(shè)備條件不變的情況下，進(jìn)行了有關(guān)浸冷水冷卻效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 乳化基質(zhì)浸冷水冷卻實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)（7.5t/h）

表3 乳化基質(zhì)浸冷水冷卻敏化的產(chǎn)品性能

2.2.1 浸冷水冷卻工藝優(yōu)缺點(diǎn)

（1）浸冷水冷卻工藝優(yōu)點(diǎn)：①冷卻時(shí)，乳化基質(zhì)與水直接接觸，降溫效率高；②皮帶價(jià)格便宜，投資維護(hù)成本低。

（2）缺點(diǎn)：①降溫后乳化基質(zhì)會帶入游離水，影響炸藥產(chǎn)品質(zhì)量，帶入游離水過多時(shí)會導(dǎo)致炸藥爆炸性能下降；②皮帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過程容易打滑及磨損；③產(chǎn)能達(dá)到8.5～9.0t/h時(shí)，冷卻效果明顯降低；④浸冷水槽殘留藥渣需要定期清理。

2.2.2 優(yōu)化方案

針對浸冷水冷卻工藝目前存在的缺點(diǎn)：①可以進(jìn)一步改進(jìn)吹風(fēng)除水系統(tǒng)，調(diào)整冷卻皮帶爬坡角度，增大吹風(fēng)電機(jī)功率，提高除水效率。②在浸冷輸送皮帶卸料部門增加游離水導(dǎo)流裝置，將皮帶及乳化基質(zhì)上多余的游離水引走。③在浸冷水槽底部再增設(shè)一個(gè)水槽，對移動浸冷皮帶另一面循環(huán)冷卻，提高冷卻效率。④調(diào)整炸藥工藝配方，使用高分子乳化劑或高性能的復(fù)合油相，增加SPan80及含油量，使用憎水型珍珠巖等，都可以提高乳化基質(zhì)的抗水性，改善浸冷水冷卻乳化炸藥性能。

2.2.3 敞開式無動力冷卻工藝

陳飛等提出并研制出了一種敞開式無動力冷卻器[5]。敞開式無動力冷卻工藝主要原理是將高溫乳膠基質(zhì)用一個(gè)篩子形狀的噴頭噴射成條狀，直接浸入循環(huán)冷卻水容器中，將乳化基質(zhì)從100℃迅速冷卻到52～57℃。利用乳膠基質(zhì)抗水性，密度比水較大，將基質(zhì)中的水從容器底部擠出。此時(shí)冷卻降溫后的乳膠基質(zhì)在55℃，可直接輸送到敏化機(jī)進(jìn)行敏化。

敞開式無動力冷卻效果主要與傳熱面積與傳熱系數(shù)有關(guān)，乳化基質(zhì)進(jìn)入冷卻器后，與循環(huán)冷卻水直接發(fā)生熱量交換，乳化基質(zhì)與冷卻水接觸面積越大，乳化基質(zhì)傳熱越有利，冷卻效果越好。陳飛等以250mm直徑的噴頭為實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表4。

表4 乳化基質(zhì)傳熱面積對冷卻效果影響

敞開式無動力冷卻工藝優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：①冷卻工藝設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)巧妙，獨(dú)創(chuàng)性較強(qiáng)，為乳化炸藥冷卻提供了一種新思路，有很大發(fā)展空間。②基本實(shí)現(xiàn)了乳化炸藥生產(chǎn)冷卻工序管道化、自動化、無人化。

缺點(diǎn)：敞開式無動力冷卻明顯不適用于大產(chǎn)能的乳化炸藥生產(chǎn)線，超過3.5t/h，冷卻效率將會很低，目前只適用于混裝地面站、混裝車等小型化生產(chǎn)，不適宜大規(guī)模推廣。

2.2.4 夾套混合式冷卻工藝

廣東增化民爆公司乳化炸藥生產(chǎn)線目前使用的就是夾套混合式冷卻工藝。該工藝主要原理是制備乳化基質(zhì)后再由螺桿泵輸送到基質(zhì)料倉中進(jìn)行靜態(tài)敏化。這種冷卻工藝是在輸送管道夾套內(nèi)不斷通冷卻水，使得管道內(nèi)的基質(zhì)得以降溫冷卻。由于該生產(chǎn)工藝屬于高溫化學(xué)敏化工藝，需要將乳化基質(zhì)溫度由100℃冷卻到80℃左右進(jìn)行敏化及裝藥。高溫化學(xué)敏化裝藥后，還需要對藥卷進(jìn)一步冷卻，將藥卷輸送到冷卻水池皮帶進(jìn)行循環(huán)冷卻，將溫度降到55℃左右。

夾套混合式冷卻工藝屬于封閉式，乳化基質(zhì)處于密封狀態(tài)，對乳化基質(zhì)形態(tài)破壞較小，生產(chǎn)出來的乳化炸藥質(zhì)量產(chǎn)品優(yōu)良，爆炸性能好。增化公司采用夾套混合式冷卻工藝生產(chǎn)出來的高溫化學(xué)敏化乳化炸藥性能測試數(shù)據(jù)，如表6所示。

表6 乳化炸藥性能測試

（1）優(yōu)點(diǎn)：①夾套混合式冷卻工藝由于是封閉式冷卻加藥卷混合冷卻，炸藥跟基質(zhì)都處于封閉狀態(tài)，炸藥跟基質(zhì)幾乎沒有游離水，乳化基質(zhì)狀態(tài)沒有破損；②生產(chǎn)工藝簡單，自動化程度高，現(xiàn)場無固定操作 人員。

（2）缺點(diǎn)：①冷卻效果不好，冷卻后基質(zhì)溫度較高（80～85℃），還需要對藥卷進(jìn)行進(jìn)一步冷卻到45～55℃，只適用于高溫化學(xué)敏化工藝，不適用于中低溫化學(xué)敏化及物理敏化；②藥卷冷卻系統(tǒng)占地面積較大，工藝設(shè)備較多，水電能耗高，投資維護(hù)成本高。③螺桿泵輸送乳化基質(zhì)壓力較大，且容易殘存藥多難清理，存在一定安全隱患。

3 結(jié)束語

乳化基質(zhì)冷卻工藝技術(shù)是乳化炸藥連續(xù)化、大產(chǎn)能生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一，要實(shí)現(xiàn)乳化炸藥高效快速冷卻，主要應(yīng)從傳熱特性、敏化方式、冷卻設(shè)備技術(shù)、系統(tǒng)安全性、產(chǎn)能等方面研究考慮。①調(diào)整乳化炸藥工藝配方，選用高性能乳化劑，降低黏度，可以提高乳化基質(zhì)流動性，增加基質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)及傳熱效果。②中低溫敏化工藝，選用鋼帶冷卻、浸冷水冷工藝?yán)鋮s都比較適宜。高溫化學(xué)敏化，選用夾套混合式冷卻工藝比較適宜。③改進(jìn)傳熱工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)，優(yōu)化尺寸結(jié)構(gòu)，增大冷卻傳熱面積，可以提高基質(zhì)對流給熱系數(shù)，提高換熱設(shè)備的傳熱量，基質(zhì)冷卻效果明顯提高。④乳化基質(zhì)以水為冷卻介質(zhì)，增大冷卻水流量，降低冷卻水溫度，基質(zhì)冷卻效果好，簡單實(shí)用，投資維護(hù)成本低。