КОМПОЗИЦИИ ВЗРЫВЧАТОЙ ЭМУЛЬСИИ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
EXPLOSIVE EMULSION COMPOSITION AND METHODS OF PRODUCING SAID COMPOSITION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к чувствительным к детонации композициям взрывчатой эмульсии, содержащим нитрат гексамина и/или один или несколько других аминов или нитратов аминов, и способам их получения.
Уровень техники
Эмульсионные взрывчатые вещества обычно получают в виде эмульсии типа вода в масле при температурах процесса между 40 и 100°C. Водная (окислительная) фаза обычно состоит из перенасыщенного раствора нитрата аммония (НА) и нитратов щелочных металлов, таких как нитрат натрия, нитрат кальция и т.д., или других веществ, понижающих температуру кристаллизации, при повышенных температурах. Окислительная фаза будет кристаллизоваться (сгущаться) при охлаждении до температуры ниже температуры перенасыщения и должна оставаться горячей в процессе получения. В зависимости от композиции окислительной фазы и применяемых веществ, понижающих температуру кристаллизации, температура кристаллизации обычной окислительной фазы будет лежать в диапазоне от 30 до 100°C.
Масляная (горючая) фаза обычно состоит из минерального или растительного масла, по меньшей мере, одного поверхностно-активного вещества и других модификаторов вязкости, таких как воски, высокомолекулярные масла и т.д. Масляную фазу также поддерживают горячей в процессе получения, для того чтобы предотвратить преждевременную кристаллизацию окислительной фазы. Эмульсию получают в мешалке с большими сдвиговыми усилиями, при помощи которой окислитель разлетается на микрометровые капельки, покрытые масляной фазой. Одним необыкновенным свойством эмульсионных взрывчатых веществ типа вода в масле является то, что как только образуется эмульсия, окислительную фазу можно охлаждать до температуры ниже температуры ее перенасыщения, не вызывая при этом кристаллизацию капель окислителя. Однако чрезмерное переохлаждение будет вызывать быструю кристаллизацию капель окислителя, что приводит к тому, что эмульсия становится инертной в качестве взрывчатого вещества. Применяемые в контексте данного документа ссылки на температуру кристаллизации эмульсии относятся к температуре кристаллизации окислительной фазы, под которой подразумевается температура, при которой началась бы кристаллизация в растворе нитрата аммония и вещества, понижающего температуру кристаллизации.
Чувствительность эмульсионных взрывчатых веществ к детонации при ударе зависит от содержания воды в эмульсии. Чувствительные к детонации эмульсии можно получить, применяя только нитрат аммония и воду в окислительной фазе, но исходная температура кристаллизации (температура сгущения) данных растворов так высока, что невозможно получить удовлетворительную стабильность при хранении продукта. Проблема заключается в том, что капли раствора окислителя в эмульсии переохлаждаются при комнатной температуре, и если степень переохлаждения слишком высока, то капли будут кристаллизоваться и эмульсия станет инертной к детонатору. Для понижения температуры сгущения чувствительных к детонации эмульсий широко применяют нитрат натрия и перхлорат натрия, тогда как содержание воды поддерживают на достаточно низком уровне, чтобы сохранить чувствительность к детонации.
Патенты США, которые описывают применение эмульсий в качестве взрывчатых веществ и применение веществ, понижающих температуру сгущения, включают патент США № 3447978 изобретателя Harold F. Bluhm; и патенты США № 4110134; 4138281; 4149916; 4149917 изобретателя Charles G. Wade. Кроме того, патент США № 5244475 изобретателей C. Mick Lownds и Steven C. Grow раскрывает применение кросс-сшивающих агентов в эмульсионных взрывчатых веществах.
Несмотря на то что добавление нитрата натрия к раствору окислителя понижает температуру кристаллизации эмульсии, также экспериментально обнаружено, что нитрат натрия фактически уменьшает чувствительность эмульсии. Во взрывчатых веществах применяется тот факт, что микросферы или пузырьки газа действуют в качестве "активных участков" в процессе реакции детонации, что, как известно, повышает чувствительности эмульсионных взрывчатых веществ. Таким образом, в эмульсии, применяющие нитрат натрия в качестве вещества, понижающего температуру кристаллизации, нужно добавлять еще микросферы или пузырьки газа в качестве сенсибилизирующего агента, чтобы сохранить чувствительность к детонации.
3
3
Эмульсии, в которых для понижения температуры кристаллизации применяют нитрат натрия, можно получить только при плотностях менее 1,22 г/см. Эмульсии, в которых для понижения температуры сгущения применяют перхлорат натрия, можно получить при плотностях менее 1,32 г/см. Это обеспечивает более высокую скорость детонации, более высокую удельную энергоемкость в целом и вообще улучшенные эксплуатационные характеристики. Следовательно, для чувствительных к детонации эмульсий высшего качества в качестве вещества, понижающего температуру сгущения, выбирают перхлорат натрия.
В Соединенных Штатах Америки применение перхлората натрия во взрывчатых веществах запрещено в нескольких штатах из-за опасений загрязнения подземных вод. Кроме того, перхлорат натрия становится все дороже, и некоторые страны начинают вводить ограничения на импорт и перевозку перхлората натрия. Следовательно, необходимо найти менее дорогую и более подходящую альтернативу, при этом сохраняя преимущества перхлората натрия (высокую скорость детонации, высокую удельную энергоемкость и т.д.).
Возможными альтернативными веществами, понижающими температуру сгущения, являются нитрат натрия, нитрат кальция, монометиламина нитрат (ММАН) и раствор нитрата гексамина (РНГ). Как указано выше, затруднение с нитратом натрия заключается в том, что он уменьшает чувствительность эмульсии таким образом, что необходимо применять больше микросфер. Применение дополнительных микросфер повышает затраты и ухудшает общие показатели в целом.
Монометиламина нитрат представляет собой очень хорошее вещество, понижающее температуру сгущения, и его широко применяют в чувствительных к детонации водно-гелевых взрывчатых веществах, но не в эмульсиях. Единственным затруднением в случае монометиламина нитрата является то, что его ввоз в Соединенные Штаты Америки является незаконным. Трудность заключается в том, что когда кристаллы монометиламина нитрата высыхают, они становятся чувствительными к детонации. Следовательно, монометиламин нитрат нужно получать на месте, если его необходимо применять во взрывчатом веществе. Также необходимо тщательно следить за тем, чтобы небольшие количества не высохли и не образовали чувствительные кристаллы. Это требует тщательной проверки систем трубопроводов на наличие протечек и точной конструкции, чтобы монометиламина нитрат не осаждался и не кристаллизовался в каком-либо месте системы. Кроме факторов риска, связанных с перевозкой, хранением и применением монометиламина нитрата, также крайне дорогой является постройка завода, на котором можно безопасно получать монометиламина нитрат. Одной причиной такой дороговизны является то, что безводный монометиламин, один из расходных компонентов в любом процессе получения монометиламина нитрата, является горючим газом и его нужно хранить под давлением, чтобы удерживать его в жидком состоянии.
3
Нитрат гексамина также является веществом, понижающим температуру сгущения, и его можно применять при получении взрывчатых веществ с хорошей чувствительностью и высокими значениями скорости детонации (СД) вплоть до плотностей, по меньшей мере, 1,35 г/см. Однако нитрат гексамина имеет один главный недостаток в качестве вещества, понижающего температуру сгущения, который до сих пор препятствует его применению в эмульсионных взрывчатых веществах. При высоких температурах нитрат гексамина быстро разлагается на формальдегид и аммиак, ухудшая эффективность добавления нитрата гексамина в качестве вещества, понижающего температуру кристаллизации.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к чувствительной к детонации композиции взрывчатой эмульсии, содержащей окислительную фазу и горючую фазу. Окислительная фаза содержит перенасыщенный раствор нитрата аммония в воде. Горючая фаза содержит, по меньшей мере, одно масло и необходимый эмульгирующий агент для обеспечения дисперсии окислительной фазы в горючей фазе. Кроме нитрата аммония и водного раствора в окислительной фазе и масла и эмульгирующих агентов в горючей фазе, композиция взрывчатой эмульсии может содержать один или несколько воск(ов), сшивающих агентов, гранулированный нитрат аммония, алюминий, микросферы, пузырьки газа или другие общепринятые компоненты. Кроме того, композиция взрывчатой эмульсии настоящего изобретения содержит, по меньшей мере, одно вещество, понижающее температуру кристаллизации. Данное вещество, понижающее температуру кристаллизации, состоит по существу из по меньшей мере одного амина и нитрата амина.
Настоящее изобретение, кроме того, направлено на способ получения чувствительной к детонации композиции взрывчатой эмульсии в реакторе. Данный реактор может включать один или несколько смесителей, блендеров, холодильников, нагревателей, резервуаров или другое технологическое оборудование, которое необходимо для осуществления способа, описанного в данном описании. Композицию взрывчатой эмульсии можно получить путем введения в реактор раствора нитрата аммония в воде, масляной фазы и вещества, понижающего температуру кристаллизации. Раствор нитрата аммония можно поддерживать при температуре приблизительно 90°C или выше, так чтобы избежать насыщения или перенасыщения раствора и чтобы предотвратить кристаллизацию раствора нитрата аммония до попадания в реактор. Раствор нитрата аммония, масляную фазу и вещество, понижающее температуру кристаллизации, перемешивают в реакторе с образованием эмульсии типа вода в масле. Реактор поддерживают при температуре приблизительно 90°C или более в течение менее чем приблизительно 24 часов после того, как в реактор добавляют вещество, понижающее температуру кристаллизации. Более предпочтительно реактор поддерживают при температуре приблизительно 90°C или более в течение менее чем приблизительно 12 часов и еще более предпочтительно в течение менее чем приблизительно 1 часа.
Вышеописанный способ можно осуществить во множестве вариантов осуществления, в том числе в вариантах периодического процесса и непрерывного процесса. Например, реактор может содержать реактор периодического действия. Раствор нитрата аммония, масляную фазу и вещество, понижающее температуру кристаллизации, можно вводить в реактор периодического действия в любом порядке и перемешивать с образованием композиции взрывчатой эмульсии. Аналогично реактор может содержать реактор непрерывного действия, в том числе, по меньшей мере, смеситель для приготовления эмульсии, предназначенный для смешивания раствора нитрата аммония и масляной фазы. В некоторых вариантах осуществления предпочтительным может оказаться отдельное хранение раствора нитрата аммония, масляной фазы и вещества, понижающего температуру кристаллизации, до момента, когда они смешиваются в смесителе для приготовления эмульсии, и/или до введения в смеситель для приготовления эмульсии с образованием сырьевого потока, направленного в смеситель для приготовления эмульсии.
Эти и другие характеристики и преимущества настоящего описания станут еще более очевидными из приведенного ниже описания, или их можно изучить применением на практике способов, изложенных в дальнейшем в этом документе.
Краткое описание чертежей
Чтобы было совершенно понятно, каким образом получаются вышеизложенные и другие характеристики и преимущества настоящего изобретения, будет представлено более подробное описание кратко описанных выше настоящих композиций и способов в виде ссылки на конкретные варианты их осуществления, которые проиллюстрированы прилагаемыми чертежами. Понимая, что данные чертежи изображают лишь типичные варианты осуществления данных способов и, следовательно, что не нужно считать, что они ограничивают применение данных способов, настоящие способы и композиции будут описаны и интерпретированы с дополнительной точностью и подробностью посредством применения сопутствующих фигур, на которых:
Фиг. 1 представляет собой технологическую схему процесса, иллюстрирующую способ получения композиций взрывчатой эмульсии настоящего изобретения;
Фиг. 2 представляет собой схематическую последовательность технологических операций, иллюстрирующую примерный периодический процесс получения композиций взрывчатой эмульсии; и
Фиг. 3 представляет собой схематическую последовательность технологических операций, иллюстрирующую примерный непрерывный процесс получения композиций взрывчатой эмульсии.
Подробное описание
Предпочтительные в настоящий момент варианты осуществления лучше всего можно понять, посредством ссылки на чертежи. Будет совершено понятно, что элементы, которые в общем описаны и проиллюстрированы на Фигурах в контексте данного документа, можно было бы расположить и скомпоновать, применяя огромное множество различных вариантов. Таким образом, подразумевается, что приведенное ниже более подробное описание способов получения композиций взрывчатой эмульсии, представленных на Фиг. с 1 по 3, не ограничивает объем настоящего изобретения, а просто представляет собой предпочтительные в настоящий момент варианты осуществления.
Фиг. 1 иллюстрирует схему технологического процесса способа получения чувствительной к детонации композиции взрывчатой эмульсии. В самом элементарном описании способы получения взрывчатых эмульсий в рамках объема настоящего изобретения включают источник окислителя 12, источник горючего вещества 14 и источник вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16, определенные количества которых подаются в реактор 18, в котором они смешиваются с образованием эмульсии 64. Кроме того, для изменения одной или более характеристик эмульсионного взрывчатого вещества один или более источников вспомогательных компонентов 20 могут обеспечить дополнительные компоненты в реакторе 18. Эмульсия 64, полученная в реакторе 18, выходит из реактора и упаковывается, хранится или обрабатывается каким-либо другим способом в конечном процессоре 22 для применения в качестве композиции чувствительного к детонации эмульсионного взрывчатого вещества. В некоторых вариантах осуществления такой процесс от введения в реактор вещества, понижающего температуру кристаллизации, до упаковки композиции эмульсионного взрывчатого вещества может занимать менее приблизительно 24 часов, менее приблизительно 12 часов или более предпочтительно менее приблизительно 1 часа. В других вариантах осуществления в ходе данного процесса можно получить устойчивую композицию эмульсионного взрывчатого вещества в течение менее приблизительно 24 часов, менее приблизительно 12 часов или менее приблизительно 1 часа, при этом стадию упаковки можно осуществлять позже.
Источник окислителя 12 может быть предназначен для хранения или содержания окислительной фазы 24, которую необходимо подавать в реактор 18 в сырьевом потоке окислителя 26. Вариант комплектации источника окислителя 12 может варьироваться в зависимости от композиции окислительной фазы 24 и способа, которым окислительная фаза подается в реактор 18. Например, источник окислителя 12 может быть оснащен смесителем 44. Кроме того или в качестве альтернативы, окислительная фаза 24 может кристаллизоваться при температурах окружающей среды, и источник окислителя 12 может содержать нагреватель и/или другие элементы температурного контроля для поддержания окислительной фазы 24 при температуре выше температуры ее кристаллизации. Аналогично, другие источники, такие как источник горючего вещества 14, источник вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16 и источники вспомогательных компонентов 20, могут включать нагреватели, смесители 44 и/или другие элементы, подходящие для поддержания хранящегося компонента в подходящей форме и состоянии.
Одна примерная окислительная фаза 24 включает раствор нитрата аммония, содержащий приблизительно 87,5% нитрата аммония и приблизительно 12,5% воды. В качестве окислительной фазы можно применять и другие концентрации раствора нитрата аммония. Аналогично, окислительная фаза 24 может содержать другие компоненты, на которые предпочтительно не оказывают отрицательного воздействия условия в источнике окислителя 12 и которые предпочтительно не воздействуют отрицательно на способность окислительной фазы подаваться в реактор в качестве потока жидкости. Было установлено, что примерная 87,5/12,5 окислительная фаза имеет температуру кристаллизации приблизительно 85°C. Таким образом, источник окислителя 12, предназначенный для хранения окислительной фазы 24, содержащей примерный раствор нитрата аммония, может содержать нагреватель в сборе, предназначенный для того, чтобы регулировать температуру окислительной фазы 24 до температуры выше 85°C и предпочтительно приблизительно 95°C. Растворы нитрата аммония и нитрата аммония хорошо известны, и их применение во взрывчатых веществах аналогично убедительно подтверждено документальными доказательствами. Предполагается, что окислительная фаза 24 может включать подходящую концентрацию раствора нитрата аммония или раствора, состоящего из нитрата аммония, смешанного с другими нитратными солями, такими как нитрат калия, нитрат натрия, нитрат кальция и т.д., и может быть сформирована любым подходящим образом.
Источник горючего вещества 14, как и источник окислителя 12, может быть предназначен для хранения и/или подачи горючей фазы 28, которую нужно подавать в реактор 18 в сырьевом потоке горючего вещества 30. Главным образом предполагают, что горючая фаза 28 для взрывчатой эмульсии типа вода в масле обычно включает, по меньшей мере, одно минеральное или растительное масло 32. Горючая фаза 28 также может содержать один или несколько эмульгирующих агентов 34 и/или модификаторов вязкости 36. Отношение масла 32 к эмульгирующим агентам 34 и/или модификаторам вязкости 36 может варьироваться в зависимости от остальных компонентов в эмульсионном взрывчатом веществе и/или предполагаемого применения эмульсионных взрывчатых веществ, которые получают. Примерные соотношения будут представлены ниже, хотя в соответствии с заключением, сделанным на основании настоящего описания, можно реализовывать и другие соотношения.
В продолжение обсуждения технологической схемы способа Фиг. 1, источник вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16 представляет собой различные технологические модули, которые можно применять для подачи веществ, понижающих температуру кристаллизации, 38 в реактор 18. Применяемое вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 может также называться веществом, понижающим температуру сгущения, 38. В то время как ряд веществ, понижающих температуру сгущения, применяют в известных эмульсионных взрывчатых веществах, настоящие вещества, понижающие температуру сгущения, состоят по существу по меньшей мере из одного раствора амина и раствора нитрата амина. Одним примерным веществом, понижающим температуру сгущения, является раствор нитрата гексамина. Другие подходящие растворы амина могут содержать мочевину и моно-, ди- и триэтаноламин. Другие подходящие растворы нитрата амина могут включать нитрат мочевины и нитраты этаноламина (например, нитраты моно-, ди- и триэтаноламина). Вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 можно подавать в реактор 18 в сырьевом потоке вещества, понижающего температуру кристаллизации, 40.
Как проиллюстрировано на Фиг. 1, каждый из сырьевого потока окислителя 26, сырьевого потока горючего вещества 30 и сырьевого потока вещества, понижающего температуру кристаллизации, 40 включает насос 42 на линии потока. Насосы 42 представляют собой наглядные примеры многообразия оборудования, которое может быть включено в сырьевые потоки и/или в источники компонентов 12, 14, 16, 20 для упрощения способов, описанных в контексте данного документа.
Чувствительные к детонации эмульсионные взрывчатые вещества известны уже много лет. Описанные выше основные ингредиенты нитрата аммония и источник горючего вещества дополнялись за эти годы множеством других компонентов, которые обеспечивают множество преимуществ данным эмульсиям. Источник вспомогательного компонента 20 на Фиг. 1 представляет собой большую установку, которую можно применять для введения одного или несколько вспомогательных компонентов 50 в реактор 18 в сырьевом(ых) потоке(ах) вспомогательного компонента 48. Примерные вспомогательные компоненты 46 могут включать нитрат аммония в гранулированной форме (гранула) 52, алюминий 54 и микросферы 56.
Как указано в описании ниже Фиг. 2 и 3, реактор 18 может быть укомплектован множеством подходящих операций, включая многообразие технологического оборудования 58. Схематическое изображение Фиг. 1 иллюстрирует, что данный реактор 18 содержит любой подходящий вариант комплектации, который объединяет окислительную фазу 22, горючую фазу 28 и вещество, подавляющее кристаллизацию, 38 для получения чувствительного к детонации эмульсионного взрывчатого вещества, описанного в описании настоящего изобретения. Аналогично, конечный процессор 22 представляет собой и является наглядным примером разнообразия технологического оборудования, которое можно применять для упаковки, хранения, перевозки и т.д. конечной эмульсионной композиции.
Как представлено выше, вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 может состоять по существу из по меньшей мере, одного раствора амина и/или раствора нитрата амина. Одним примерным раствором нитрата амина является раствор нитрата гексамина, который можно получить смешением гексамина и азотной кислоты в воде. Раствор нитрата гексамина можно получить в любой концентрации, и в рамках объема настоящего изобретения можно применять многообразие подходящих концентраций. Примерный раствор нитрата гексамина содержит 61,4% нитрата гексамина в воде.
3
3
3
Раствор нитрата гексамина, содержащий 61,4% нитрата гексамина, можно получить посредством добавления воды в реактор, который может быть источником вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16 или другим реактором, который снабжает водой источник вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16. Затем к воде добавляют гексамин при перемешивании и охлаждении реакции. Затем можно медленно добавлять азотную кислоту, при этом продолжая перемешивать и охлаждать реакцию для поддержания температуры ниже приблизительно 50°C. Затем реакцию охлаждают до приблизительно 25°C для хранения и применения, как, например, в источнике вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16. Для получения раствора нитрата гексамина, содержащего 61,4% нитрата гексамина, к воде можно добавлять гексамин и азотную кислоту до получения конечного массового состава из 30,4 массовых процентов воды, 43,9 массовых процентов гексамина и 25,7 массовых процентов азотной кислоты (68%). Конечный раствор нитрата гексамина (61,4%) при 25°C может иметь плотность 1,240±0,005 г/см и pH от приблизительно 2,5 до приблизительно 7,0. Растворы нитрата гексамина различных концентраций могут иметь различные свойства. Например, в рамках объема настоящего изобретения находятся плотности между приблизительно 1,1 г/см и приблизительно 1,4 г/см.
При высоких температурах раствор нитрата гексамина имеет тенденцию разлагаться на аммиачный и формальдегидный газы. Кроме запаха аммиака и/или формальдегида, который может присутствовать, когда начинает разлагаться раствор нитрата гексамина, разложение также можно проследить по повышению pH раствора. Таким образом, можно отслеживать pH раствора нитрата гексамина в источнике вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16 с целью контроля качества вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38, которое подается в реактор 18. Вещества, понижающие температуру кристаллизации, различных композиций могут иметь различные температуры, при которых начинается разложение, и могут давать в результате различные продукты разложения, но в рамках объема настоящего изобретения для различных веществ, понижающих температуру кристаллизации, можно проследить схожие характеристики и/или свойства. Было определено, что примерный раствор нитрата гексамина имеет температуру кристаллизации между приблизительно 5°C и приблизительно 10°C; было определено, что разложение начинается при температурах свыше приблизительно 30°C. Следовательно, раствор нитрата гексамина (61,4%) можно предпочтительно хранить при температурах между приблизительно 10°C и приблизительно 30°C, чтобы избежать кристаллизации и разложения. Таким образом, источник вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16 может быть предназначен для поддержания вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38 в рамках данного температурного диапазона.
Чувствительные к детонации эмульсионные взрывчатые вещества имеют многообразные применения, и композиция эмульсионных взрывчатых веществ может изменяться для удовлетворения желаемым применениям. Примерные модификации композиции эмульсионного взрывчатого вещества могут содержать переменное наличие и/или концентрации одного или нескольких вспомогательных компонентов. Например, подходящая композиция эмульсионного взрывчатого вещества может содержать композицию без вспомогательных компонентов, таких как алюминий и гранулированный нитрат аммония. Подобную композицию можно применять для обеспечения низкоэнергетического, недорогого для применения взрывчатого вещества со всеми возможными диаметрами (например, диаметрами от 1" до 3,5"). Примерные применения данной "низкоэнергетической" композиции могут включать применение в качестве инициирующего заряда на основе нитрата аммония и жидкого топлива и для обычных буровзрывных работ, где требуется высокая СД, но не нужна высокая суммарная энергия. Кроме того, "высокоэнергетическую, с небольшим диаметром" композицию можно получить добавлением к композиции 6,0% алюминия и варьированием некоторых других концентраций соответственно. Опять же, кроме того, примерную "высокоэнергетическую, с большим диаметром" композицию можно получить добавлением 5,9% алюминия и 15% гранулированного нитрата аммония. Примерные концентрации различных компонентов показаны в приведенной ниже таблице для каждой из примерных композиций, описанных выше.
Низкоэнергетическая, мас.%
Высокоэнергетическая, с небольшим диаметром, мас.%
Высокоэнергетическая, с большим диаметром, мас.%
Примерные композиции,  мас.%
НА(в растворе)
75,91
70,27
59,70
50-80
НА (гранулиро-ванный)
0,0
0,0
15,00
0-30
Нитрат гексамина
4,62
4,59
3,65
0,1-10,0
Эмульгатор
1,76
2,00
1,39
1-3
Воск
2,00
2,00
1,58
1-3
Минеральноемасло
0,16
0,0
0,16
0,0-5,0
Алюминий
0,0
6,0
6,0
0-10
Вода
13,75
13,14
10,72
5-15
Микросферы
1,80
2,00
1,80
1-5
<b>Итого</b>
100,00
100,00
100,00
100,00
Суммарная энергия
749 кал/г
983 кал/г
1019 кал/г
600-1200 кал/г
Баланс кислорода
-0,34%
-6,84%
-2,77%
-10%-+1%
Плотность
1,25
1,25
1,25
1,0-1,4
Температура сгущения
<80ºC
<80ºC
<80ºC
<80ºC
Концентрации, показанные в предшествующей таблице и в приведенном выше обсуждении, даны только для иллюстрации. В рамки объема настоящего изобретения попадают и другие концентрации, такие, которые могут подходить для изменения профиля взрывчатого вещества композиции, для удовлетворения желаемому применению. Подходящие концентрации могут включать композиции с концентрациями, лежащими в рамках диапазонов, определенных в четвертой колонке приведенной выше таблицы.
Вещества, понижающие температуру кристаллизации, 38 преимущественно применяют для понижения температуры кристаллизации или температуры сгущения окислительной фазы 24. В прошлом вещества, понижающие температуру кристаллизации, хранили вместе с окислительной фазой, которая к тому же была в растворе, и подавали в эмульсионный реактор 18 вместе. Однако раствор нитрата аммония, применяемый в качестве окислительной фазы 24, обычно хранят при повышенных температурах, чтобы избежать кристаллизации. Например, было определено, что примерный раствор нитрата аммония (87,5%) имеет температуру кристаллизации приблизительно 85°C и, следовательно, обычно его хранят при температурах выше приблизительно 90°C. Из-за разложения веществ, понижающих температуру кристаллизации, настоящего изобретения в способах настоящего изобретения вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 хранят отдельно от окислительной фазы 24 до их введения в реактор 18, с целью включения в композицию эмульсионного взрывчатого вещества. Таким образом, период времени, в течение которого вещество, понижающее температуру кристаллизации, подвергается повышенной температуре, сокращается, тем самым минимизируя разложение данного вещества, понижающего температуру сгущения, и сохраняя его функциональность в течение срока хранения композиции взрывчатой эмульсии.
Композиции эмульсионного взрывчатого вещества обычно оценивают по их взрывчатым свойствам (например, суммарной энергии, скорости детонации, чувствительности к детонации и т.д.), а также по их устойчивости при хранении (например, универсальности условий хранения и сохранению взрывчатых свойств с течением времени). Конкретная композиция может обладать идеальными взрывчатыми свойствами, но очень плохими характеристиками устойчивости при хранении, делающими ее практически неподходящей для практического применения. Как описано выше, было определено, что композиции эмульсионного взрывчатого вещества сохраняют свои взрывчатые свойства при температурах ниже температуры кристаллизации раствора нитрата аммония сразу после образования эмульсии. Однако при отсутствии веществ, понижающих температуру сгущения, 38 в эмульсионной композиции данные композиции переохлаждаются в большей степени при нормальных условиях хранения (например, в условиях комнатной температуры), чем композиции с веществами, понижающими температуру сгущения. Это приводит к довольно короткому сроку хранения, что обусловлено, по меньшей мере, отчасти разницей между температурой сгущения раствора нитрата аммония (приблизительно 85°C) и температурой хранения (приблизительно 25°C).
Было определено, что применяемые в прошлом вещества, понижающие температуру сгущения, такие как перхлорат натрия, понижают температуру сгущения взрывчатой эмульсии до приблизительно 80°C, что обеспечивает увеличенный срок хранения при нормальных условиях хранения. Было определено, что при добавлении вещества, понижающего температуру кристаллизации, настоящего изобретения, раствора нитрата гексамина (61,4%), в композицию эмульсионного взрывчатого вещества температура сгущения окислительной фазы составляла приблизительно 75°C. Считается, что другие вещества, понижающие температуру кристаллизации, лежащие в рамках объема настоящего изобретения, понижают температуру сгущения окислительной фазы таким же образом. В зависимости от природы применяемого вещества, понижающего температуру кристаллизации, количество применяемого вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38 относительно остальных компонентов может варьироваться. Таким образом, соотношение вещества, понижающего температуру кристаллизации, может варьироваться в композициях в рамках объема настоящего изобретения, но оно должно быть достаточным для обеспечения температуры кристаллизации менее чем приблизительно 80°C.
Не ограничиваясь, в настоящее время считают, что примерные композиции, описанные выше, будут иметь срок хранения один год и более без значительного понижения взрывчатых свойств композиции взрывчатой эмульсии. Например, композиции в рамках объема настоящего изобретения могут проявлять менее чем 10% уменьшение скорости детонации при измерении через один год. Кроме того или в качестве альтернативы, композиции в соответствии с настоящим изобретением могут сохранять более чем 90% суммарной энергии после хранения в течение одного года. Например, было определено, что если оставить раствор нитрата гексамина в растворе нитрата аммония при температурах выше чем приблизительно 90°C более чем на 24 часа, то нитрат гексамина почти полностью разлагается, тем самым исключая какое-либо понижение температуры кристаллизации, которое можно было предполагать при добавлении раствора нитрата гексамина. Взрывчатые вещества, состоящие из подобных растворов, уже не являются чувствительными к детонации и/или не могут передать волну детонации от инициирующего заряда.
В то время как вещества, понижающие температуру кристаллизации, лежащие в рамках объема настоящего изобретения, можно добавлять в композиции взрывчатой эмульсии, при этом не воздействуя отрицательно на взрывчатые свойства композиции и в то же время сохраняя и/или улучшая свойства устойчивости при хранении, известно, что некоторые растворы аминов и растворы нитрата амина увеличивают энергетический потенциал окислительной фазы 24. Эмульсионные взрывчатые вещества оптимально имеют нулевой кислородный баланс, таким образом, постдетонационные продукты почти не содержат или не содержат избыточного количества углерода или кислорода. Следовательно, отношение окисляющих компонентов к горючим компонентам варьируется до достижения желаемого кислородного баланса. Нитрат аммония имеет положительный кислородный баланс +20%, тогда как масла и воски горючей фазы обычно имеют отрицательные кислородные балансы в диапазоне от -300% до -350%. Таким образом, отношение нитрата аммония к горючей фазе обычно в большей степени смещено в сторону нитрата аммония.
Однако растворы амина и растворы нитрата амина, применяемые в настоящих способах, также имеют отрицательный кислородный баланс, как например -48% для растворов нитрата гексамина, что требует регулирования отношения окислительной фазы к горючей фазе по сравнению с общепринятыми композициями взрывчатой эмульсии. Однако если отношение горючей фазы к окислительной фазе становится слишком низким, то вязкость эмульсии увеличивается и может стать такой высокой, что продукт невозможно будет откачивать или упаковывать подходящим образом. В прошлом во взрывчатых веществах на водной основе применяли нитрат гексамина, не сталкиваясь с такой проблемой вязкости, так как непрерывной фазой в водных гелях является окислительная фаза и отношение окислительной фазы к горючей фазе можно увеличивать, не увеличивая вязкость водного геля.
Как видно из приведенной выше таблицы, показывающей наглядные примеры концентраций различных компонентов в настоящих эмульсиях, концентрация раствора нитрата гексамина крайне низкая (3-5%) по сравнению с концентрацией общепринятых веществ, понижающих температуру сгущения, таких как перхлорат натрия, которая обычно может приближаться к 10%. Несмотря на то что множество растворов амина и растворов нитрата амина соответственно попадают в рамки объема настоящего изобретения, при определении пригодности данного раствора и при определении концентрации данного раствора в конечной композиции эмульсионного взрывчатого вещества следует принимать во внимание кислородный баланс растворов.
Чувствительные к детонации композиции взрывчатой эмульсии обычно содержат эмульгаторы в горючей фазе, которые способствуют диспергированию окислительной фазы в горючей фазе. Кроме того, эмульгирующие агенты обычно выбирали и вводили в концентрациях, достаточных для того, чтобы препятствовать кристаллизации окислительной фазы в эмульсии в ответ на удар и/или сдвиговые напряжения. Было обнаружено, что при введении в качестве вещества, понижающего температуру кристаллизации, раствора нитрата гексамина для подержания устойчивости к кристаллизации под действием такого же удара и/или сдвиговых напряжений требуется меньшее количество эмульгирующего агента. В настоящий момент считают, что другие растворы амина и/или растворы нитрата амина, попадающие в рамки объема настоящего изобретения, будут давать такой же результат, т.е. позволят водить в эмульсионную композицию более низкую концентрацию эмульгирующих агентов, при этом сохраняя хорошую устойчивость к кристаллизации окислительной фазы под действием удара и/или сдвиговых напряжений. Кроме сокращения затрат, связанного с уменьшенной необходимостью в эмульгирующих агентах, пониженная концентрация эмульгирующих агентов также способствует уменьшению вязкости эмульсии.
Не ограничиваясь, в настоящее время считают, что взаимодействия между эмульгаторами и аминогруппами веществ, понижающих температуру сгущения, по меньшей мере, отчасти могут вносить вклад в стабилизацию эмульсии. Например, во многих эмульгирующих агентах амины применяются в качестве молекулярных концевых групп, которые могут взаимодействовать с аминами веществ, понижающих температуру сгущения. Кроме того или в качестве альтернативы, и также не ограничиваясь теорией, считают, что устойчивость к кристаллизации даже при пониженных концентрациях эмульгирующих агентов, по меньшей мере, отчасти может быть связана с более низкой температурой кристаллизации, которая достигается применением настоящих веществ, понижающих температуру сгущения, по сравнению с общепринятыми веществами, понижающими температуру сгущения, такими как перхлорат натрия. Как отмечалось выше, известно, что перхлорат натрия обычно понижает температуру сгущения композиций взрывчатой эмульсии до приблизительно 80°C, и было определено, что настоящие вещества, понижающие температуру сгущения, понижают температуру сгущения, по меньшей мере, уже до 75°C.
Как уже отмечалось выше, композиции и способы настоящего изобретения могут обеспечивать многочисленные преимущества при получении чувствительных к детонации композиций эмульсионного взрывчатого вещества. В качестве еще одного примера, применение нитрата гексамина значительно безопаснее и уместнее по сравнению с применением перхлората натрия, что обусловлено опасениями загрязнения грунтовых вод. Кроме того или в качестве альтернативы, одно или несколько из приведенных ниже преимуществ может достигаться посредством применения принципов настоящего изобретения. Сокращения затрат можно достигать посредством применения меньших количеств веществ, понижающих температуру сгущения, которые могут требоваться для поддержания желаемого кислородного баланса, и что, вероятно, может быть обусловлено их улучшенной способностью понижать температуру кристаллизации эмульсионной композиции. Более того, по меньшей мере, получение некоторых веществ, понижающих температуру сгущения, попадающих в рамки настоящего изобретения, может быть дешевле по сравнению с известными веществами, понижающими температуру сгущения. Например, растворы нитрата гексамина, описанные в контексте данного документа, являются, по меньшей мере, в настоящее время более дешевыми, чем растворы перхлората натрия. Кроме того или в качестве альтернативы, как описано выше, применение раствора амина или нитрата амина может позволить включать в композицию более низкую концентрацию эмульгирующих агентов. Также было определено, что, по меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления в соответствии с настоящим изобретением требуется меньше микросфер, что дополнительно уменьшает стоимость получения настоящих композиций эмульсионного взрывчатого вещества.
Кроме потенциального сокращения затрат, которое может быть следствием осуществления настоящего изобретения, при помощи принципов, которые сообщаются в контексте данного документа, изменяются также и взрывчатые свойства данной композиция. Например, можно уменьшить чувствительность к кристаллизации при ударе и/или сдвиговых напряжениях. Кроме того или в качестве альтернативы, устойчивость данной композиции при хранении может быть равна или выше, чем у общепринятых композиций. Было определено, что суммарная энергия композиций, включающих растворы нитрата гексамина в качестве вещества, понижающего температуру сгущения, немного ниже, чем энергии подобных композиций, включающих растворы перхлората натрия. Однако эти более низкие энергии компенсируются более высоким газообразованием эмульсионных композиций, включающих растворы нитрата гексамина. В эмульсиях, в которых применяется перхлорат натрия, получается множество продуктов реакции, некоторые из которых не являются газообразными при рабочих температурах взрыва. В сравнительных исследованиях взрывчатого вещества, включающего перхлорат натрия, и взрывчатого вещества, включающего нитрат гексамина, взрывчатое вещество с нитратом гексамина производило 43,84 моль газа на килограмм взрывчатого вещества, тогда как взрывчатое вещество с перхлоратом натрия производило только 40,97 моль газа на килограмм взрывчатого вещества. При сравнении тех же самых взрывчатых веществ взрывчатое вещество с перхлоратом натрия показало суммарную энергию 2608,07 кДж/кг, тогда как взрывчатое вещество с нитратом гексамина показало суммарную энергию 2362,10 кДж/кг. Приблизительно на 9% более низкая суммарная энергия у взрывчатого вещества с нитратом гексамина, по меньшей мере, отчасти компенсируется более чем на 7% большим суммарным газообразованием. Один способ, в котором различные уровни газообразования оказывают влияние на взрывчатые свойства, заключается в измерениях скорости детонации, проведенных для различных композиций. Например, было определено, что низкоэнергетическая композиция широкого применения с перхлоратом натрия имеет суммарную энергию 851 кал/г и скорости детонации в диапазоне от 5400 до 5600 м/с в конфигурации с диаметром 2". Для сравнения, было определено, что низкоэнергетическая композиция широкого применения с нитратом гексамина имеет суммарную энергию 749 кал/г и скорости детонации в диапазоне от 5900 до 6100 м/с в конфигурации с диаметром 2". Таким образом, даже в конфигурациях, в которых суммарная энергия ниже, композиции взрывчатой эмульсии настоящего изобретения способны обеспечить более высокую скорость детонации, что является значительным преимуществом в некоторых применениях взрывчатых веществ, таких как применение в качестве инициирующего заряда на основе нитрата аммония и жидкого топлива.
Как уже описывалось выше, конечная композиция эмульсионного взрывчатого вещества настоящего изобретения включает окислительную фазу, горючую фазу и вещество, понижающее температуру кристаллизации. Кроме того, конечная композиция может содержать один или несколько вспомогательных компонентов, характерных для взрывчатых эмульсий, таких как алюминий, гранулы, микросферы и т.д. Примерное эмульсионное взрывчатое вещество, описанное выше, включало воск в качестве модификатора вязкости. Кроме того или в качестве альтернативы, для получения желаемых реологических свойств конечной композиции можно применять кросс-сшивающие агенты. Если рассматривать примерные композиции, приведенные выше в таблице, то данные композиции можно модифицировать для включения в их состав кросс-сшивающих агентов посредством замены воска на подходящее количество минерального масла и/или растительного масла и добавления соответствующего количества кросс-сшивающего агента. В некоторых вариантах осуществления воск и кросс-сшивающие агенты можно применять вместе в одних и тех же композициях. В одном примерном варианте введения кросс-сшивающих агентов с целью получения эмульсионного взрывчатого вещества, попадающего в рамки объема настоящего изобретения, воск можно заменить минеральным маслом и в качестве кросс-сшивающего агента можно добавить приблизительно 0,2 мас.% малеинизированого полибутадиена. Можно применять и другие кросс-сшивающие агенты, а подходящие концентрации можно по необходимости варьировать. Кроме того или в качестве альтернативы, взрывчатые вещества, попадающие в рамки объема настоящего изобретения, могут и не включать воск и другие модификаторы вязкости вовсе. Например, эмульсионные взрывчатые вещества в соответствии с настоящим изобретением могут быть сформированы в виде взрывчатого вещества без оболочки, в котором модификация вязкости не требуется или нежелательна.
Несмотря на то что выше были описаны конкретные примерные композиции и были описаны примерные модификации композиций, конкретные примеры и описания, приведенные в контексте данного документа, даны лишь для иллюстрации, и подразумевается, что они не ограничивают объем настоящего изобретения или формулу изобретения, представленную ниже. Например, формулы и массовые проценты, приведенные в таблице выше, являются лишь примерными. Соответствующие концентрации любого одного или нескольких компонентов можно увеличивать или уменьшать с целью получения различных взрывчатых свойств, модификации показателей безопасности и/или изменения структуры издержек композиций. В качестве самой основной иллюстрации модификации, которая попадает в рамки объема настоящего изобретения, можно повышать или понижать содержание воды по различным соображениям.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения можно варьировать компоненты и их соответствующие концентрации для достижения одной или несколько целей, некоторые из которых могут противоречить другим. Например, может понадобиться получить эмульсионное взрывчатое вещество, обладающее взрывчатыми свойствами, сравнимыми или превышающими взрывчатые свойства эмульсий на основе перхлората натрия, но с меньшими затратами, чем на существующие продукты. Кроме того или в качестве альтернативы, не принимая во внимание расходы, может понадобиться получить композицию эмульсионного взрывчатого вещества, имеющую, по меньшей мере, такую же высокую скорость детонации, как и существующий продукт на основе перхлората натрия. Кроме того или в качестве альтернативы, может быть предпочтительным получение композиции взрывчатой эмульсии, имеющей срок хранения около одного года или нескольких. Опять же, кроме того или в качестве альтернативы, энергия и диапазон чувствительности могут быть, по меньшей мере, почти такими же, как и у существующих продуктов. Другие примерные характеристики настоящего изобретения можно уяснить из всей совокупности настоящего изобретения.
Как уже отмечалось выше, одной проблемой, которая раньше препятствовала применению растворов нитрата гексамина и растворов другого амина или нитрата амина в качестве веществ, понижающих температуру кристаллизации, 38, была тенденция нитрата гексамина к разложению при температурных условиях окислительной фазы. Схематический способ Фиг. 1, в котором вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 хранят отдельно от окислительной фазы до того момента, когда все будет готово для получения эмульсии, и данный процесс завершают при охлаждении эмульсии в течение одного дня (предпочтительно в течение приблизительно 12 часов, а более предпочтительно в течение приблизительно 1 часа), иллюстрирует лишь один способ преодоления этой проблемы; более конкретные способы описаны с применением Фиг. 2 и 3.
Как указано выше, композиции эмульсионного взрывчатого вещества настоящего изобретения можно получить посредством любого подходящего способа, в котором окислительная фаза, горючая фаза и вещество, понижающее температуру кристаллизации, объединяются таким образом, что период времени, в течение которого данное вещество, понижающее температуру кристаллизации, находится в условиях повышенной температуры, становится минимальным. Примерные способы могут включать способы с периодическим процессом и способы с непрерывным процессом. Возвращаясь к Фиг. 1, можно увидеть, что каждый из основных исходных агентов (окислительная фаза 24, горючая фаза 28 и вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38) можно хранить отдельно и поддерживать в условиях, которые являются оптимальными для соответствующих компонентов. Например, вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 можно хранить при низкой температуре, тогда как окислительную фазу 24 можно хранить при повышенной температуре. Реактор 18 может включать любое многообразие технологического оборудования 58 для упрощения получения настоящих композиций взрывчатой эмульсии с помощью периодического и/или непрерывного процессов. Примерный схематический периодический процесс 60 проиллюстрирован на Фиг. 2, тогда как примерный схематический непрерывный процесс 70 проиллюстрирован на Фиг. 3.
Если обратиться к Фиг. 2, то там проиллюстрировано, что реактор 18 включает ленточный смеситель 62 для перемешивания различных компонентов эмульсионной композиции.
Также в реакторе 18 могут применяться один или несколько дополнительных или подходящих в качестве альтернативы смесителей и мешалок. Например, подходящие смесители могут включать лопастные мешалки, шнековые мешалки, скребковые мешалки и т.д. Как и на Фиг. 1, периодический процесс 60 Фиг. 2 включает источник окислителя 12, обеспечивающий окислительную фазу 24, источник горючего вещества 14, обеспечивающий горючую фазу 28, и источник вещества, понижающего температуру кристаллизации, 16, обеспечивающий вещество, понижающее температуру сгущения, 38. Кроме того, Фиг. 2 иллюстрирует множество источников вспомогательных компонентов, обеспечивающих один или несколько различных вспомогательных компонентов, которые могут быть включены в конечные эмульсионные композиции. В иллюстрируемой схеме один такой источник подобного компонента 20 представляет собой источник гранулированного нитрата аммония 52, тогда как другой представляет собой источник алюминия 54, а еще один представляет собой источник микросфер 56. Дополнительные источники вспомогательных компонентов 20 могут обеспечивать один или несколько дополнительных или альтернативных компонентов по желанию.
Фиг. 2 иллюстрирует, что различные компоненты вводят в ленточный смеситель 62 отдельными сырьевыми потоками и что сначала компоненты объединяются в ленточном смесителе 62. Один или несколько компонентов можно смешать предварительно в смесителе, расположенном выше по потоку. Независимо от точной конфигурации источников компонентов и реактора 18, периодический процесс 60 Фиг. 2 может быть предназначен для минимизации периода времени, в течение которого вещество, понижающее температуру кристаллизации, находится при повышенной температуре. В одной примерной конфигурации данный реактор можно поддерживать при температуре приблизительно 90°C или более в течение менее чем приблизительно 24 часов после введения в реактор 18 вещества, понижающего температуру кристаллизации. В других вариантах осуществления температуру данного реактора можно поддерживать выше приблизительно 90°C в течение менее чем приблизительно 12 часов или менее чем приблизительно 1 часа. Как уже было описано ранее, окислительная фаза 24 может включать перенасыщенный раствор нитрата аммония в воде, и, пока она находится в источнике окислителя 12, ее можно хранить при температуре 90°C или более. Для предотвращения кристаллизации окислительной фазы реактор 18 можно аналогичным образом поддерживать при температуре приблизительно 90°C до момента введения вещества, понижающего температуру сгущения, 38. Более того, для облегчения вмешивания вещества, понижающего температуру кристаллизации, в композицию эмульсионного взрывчатого вещества данное вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 можно вводить практически одновременно с окислительной фазой 24 и/или горючей фазой 28 или, по меньшей мере, в момент времени, близкий к этому.
Время, необходимое для эффективного смешения компонентов с образованием эмульсии в ходе периодического процесса 60, включающего ленточный смеситель 62, может зависеть от ряда факторов, таких как объем смесителя 62, количество веществ, которые необходимо смешать, и характеристики эмульсионной композиции, такие как плотность, вязкость, концентрация эмульгирующих агентов, и т.д. Сразу после того, как различные компоненты будут достаточно перемешаны в реакторе 18 с образованием желаемой эмульсионной композиции, содержимое реактора 18 можно перемещать в конечный процессор 22, в котором эмульсионную композицию 64 упаковывают и/или подготавливают для хранения, перевозки и т.д.
Конечный процессор 22 может включать теплообменное оборудование для охлаждения эмульсионной композиции до комнатной температуры перед упаковкой и/или хранением. Теплообменное оборудование конечного процессора 22 может быть предназначено для быстрого охлаждения эмульсионной композиции с целью дополнительного сокращения времени, в течение которого вещество, понижающее температуру сгущения, находится при повышенных температурах. В зависимости от продолжительности периода времени, в течение которого эмульсионная композиция находится в реакторе 18, и условий в реакторе конечный процессор 22 может быть предназначен для осуществления множества режимов охлаждения с целью минимизации времени, в течение которого вещество, понижающее температуру сгущения, находится при повышенной температуре. Кроме того или в качестве альтернативы, теплообменное оборудование может быть предназначено для обеспечения контролируемого охлаждения в конце процесса охлаждения таким образом, чтобы избежать и/или ограничить переохлаждение эмульсионной композиции, тем самым ограничивая случайную кристаллизацию и падение чувствительности эмульсионной композиции.
Несмотря на то что значительное или полное охлаждение может происходить в конечном процессоре 22, эмульсионная композиция может подвергаться некоторому охлаждению, еще находясь в реакторе 18. Такое охлаждение в реакторе 18 может происходить из-за отсутствия подводимого тепла при введении в реактор компонентов с более низкой температурой или может быть вызвано активным охлаждением данного реактора. Например, вещество, понижающее температуру кристаллизации, можно вводить при температуре между приблизительно 10°C и приблизительно 30°С. В некоторых примерных вариантах осуществления ленточный смеситель 62 может быть приспособлен таким образом, что его поддерживают при температуре приблизительно 90°C или выше до момента введения в реактор вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38, после которого ленточный смеситель может начать охлаждаться или его начинают охлаждать активно, по меньшей мере, до приблизительно 75°C.
В зависимости от конфигурации оборудования в реакторе 18 периодического процесса 60, данный реактор 18 можно поддерживать при температуре приблизительно 90°C или более в течение менее чем приблизительно 8 часов после введения вещества, понижающего температуру кристаллизации. В других вариантах осуществления температуру реактора 18 можно поддерживать на уровне приблизительно 90°C или более в течение менее чем приблизительно 2 часов или даже менее чем приблизительно 1 часа после введения вещества, понижающего температуру кристаллизации. Например, для понижения температуры реактора до приблизительно 75°C при введении вещества, понижающего температуру кристаллизации, можно применять активное охлаждение, как уже отмечалось выше. Кроме того или в качестве альтернативы, температура реактора 18 может оставаться на уровне 90°C или выше или может быть неконтролируемой и флуктуировать в соответствии с температурами компонентов на входе. Подобный вариант осуществления может быть приемлемым в периодических процессах, в которых компоненты эмульсионной композиции удаляют из реактора 18 в течение менее чем двадцати четырех часов после введения вещества, понижающего температуру кристаллизации. Например, ленточный смеситель 62 может быть достаточно эффективным, для того чтобы завершить перемешивание эмульсионной композиции 64 за 15 минут, 30 минут, 1 час, 2 часа, 4 часа, 8 часов или какое-либо другое время, достаточно короткое, для того чтобы эмульсионная композиция охладилась в конечном процессоре 22 без разложения вещества, понижающего температуру кристаллизации.
Периодический процесс 60 Фиг. 2 можно осуществлять с окислительной фазой 24, горючей фазой 28 и веществом, понижающим температуру кристаллизации, 38, как описано выше, в соответствии с любым одним или несколькими вариантами осуществления или технологическими циклами, описанными выше. Аналогично, периодический процесс 60 может быть организован таким образом, чтобы получить композицию эмульсионного взрывчатого вещества 64, имеющую одно или несколько свойств и характеристик, описанных выше.
Как указано ранее, Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение непрерывного процесса 70 для получения композиций эмульсионного взрывчатого вещества, попадающих в рамки объема настоящего изобретения. Несмотря на то что это конкретно не проиллюстрировано на фигурах, настоящее изобретение охватывает и способы, в которых одна или несколько стадий являются непрерывными процессами, тогда как другие стадии являются периодическими процессами. Например, источник горючего вещества 14 может заключать в себе непрерывный процесс получения горючей фазы, при котором данный непрерывный процесс заключается в перемешивании потоков масел, эмульгаторов и модификаторов вязкости внутри резервуара для хранения топлива, который применяется для подачи способа 10.
Фиг. 3 иллюстрирует, что схематический реактор 18 Фиг. 1 может включать множество единиц технологического оборудования 58 для упрощения получения композиций эмульсионного взрывчатого вещества 64. Фиг. 3, кроме того, иллюстрирует, что независимо от конфигурации реактора 18 и конфигурации способа, как например периодическая или непрерывная, данный способ включает окислительную фазу 24 и соответствующий сырьевой поток окислителя 26, горючую фазу 28 и соответствующий сырьевой поток горючего вещества 30 и вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 и соответствующий сырьевой поток вещества, понижающего температуру кристаллизации, 40. Как уже отмечалось выше, среди других возможных компонентов горючая фаза 38 может включать масла 32, эмульгирующие агенты 34 и модификаторы вязкости 36. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, данные компоненты можно вводить в источник горючего вещества 14 из их собственных источников, которые могут представлять собой отдельные источники для облегчения регулирования подачи различных компонентов.
Реактор Фиг. 3 может содержать мешалку для получения эмульсии 72, предназначенную для того, чтобы соединить, по меньшей мере, окислительную фазу и горючую фазу с получением эмульсии, которую можно назвать промежуточной эмульсией 74, которая отличается от конечной композиции взрывчатой эмульсии тем, что она еще не включает все надлежащие компоненты в надлежащих концентрациях при надлежащих температурах и т.д. Как проиллюстрировано на Фиг. 3 посредством сырьевого потока вещества, понижающего температуру кристаллизации, 40, мешалка для получения эмульсии 72 может быть предназначена для включения вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38 в состав промежуточной эмульсии 74. Например и как показано, сырьевой поток окислителя 26, сырьевой поток горючего вещества 30 и сырьевой поток вещества, понижающего температуру кристаллизации, 40 можно смешать все вместе изначально с образованием единого сырьевого потока 76, направленного в смеситель для получения эмульсии 72. Кроме того или в качестве альтернативы, одно или несколько из окислительной фазы 24, горючей фазы 28 и/или вещества, понижающего температуру сгущения, 38 можно вводить отдельно от других в смеситель для получения эмульсии 72 в любом месте. В качестве одного из примеров, вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 можно вводить в смеситель для получения эмульсии при входе в смеситель, который может быть включен в одну линию с сырьевым потоком, содержащим горючую фазу и окислительную фазу, или который может быть отведен от этого места.
Смеситель для получения эмульсии 72, схематически проиллюстрированный на Фиг. 3, представляет собой большое количество технологического оборудования, которое можно применять для получения эмульсии из сырьевого потока горючего вещества и сырьевого потока окислителя. Один или несколько альтернативных аппаратов можно применять отдельно или в комбинации с целью получения промежуточной эмульсии, которую затем модифицируют для получения конечной эмульсионной композиции.
Кроме того или в качестве альтернативы, некоторое количество или все вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 можно вводить в промежуточную эмульсию 74 после исходного смесителя для получения эмульсии 72. Фиг. 3 иллюстрирует, что реактор 18 может включать вспомогательный смеситель 78, который может представлять собой лопастной смеситель или другой подходящий смеситель, следующий после смесителя для получения эмульсии 72 и принимающий промежуточную эмульсию 74. Данный вспомогательный смеситель 78 можно применять для присоединения одного или нескольких вспомогательных компонентов 50 к промежуточной эмульсии 74. Примерные вспомогательные компоненты 50 могут включать среди других возможных вспомогательных компонентов гранулированный нитрат аммония 52, алюминий 54 и/или микросферы 56. Кроме того или в качестве альтернативы, как проиллюстрировано на примере необязательного сырьевого потока 80, некоторое количество или все необходимое вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 можно вводить в промежуточную эмульсию 74 во вспомогательный смеситель.
Несмотря на то что примерный непрерывный процесс 70, показанный на Фиг. 3, иллюстрирует конкретные компоненты, подающиеся в конкретное технологическое оборудование 58, следует понимать, что один или несколько компонентов можно вводить в любое подходящее место в реакторе 18. Например, необязательный сырьевой поток 80 вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38 можно организовать таким образом, чтобы вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 подавалось к промежуточной эмульсии 74 перед тем, как промежуточная эмульсия входит во вспомогательный смеситель 78.
Как уже отмечалось выше, температуру вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38, а также температуру других сырьевых компонентов, промежуточных композиций и конечного эмульсионного продукта можно отслеживать и контролировать с целью получения необходимых взрывчатых свойств конечной эмульсионной композиции. Любой один или несколько модулей технологического оборудования 58, которые могут создавать непрерывный процесс 70, такого как оборудование 58, которое включено в реактор 18, как показано на Фиг. 3, могут быть предназначены для применения активного нагревания и/или охлаждения с целью позволить условиям окружающей среды оказывать влияние на реакцию или условия смешения и/или предохранить оборудование от действия условий окружающей среды. Например, вспомогательный смеситель 78 может быть предназначен для активного охлаждения промежуточной эмульсии 74 таким образом, чтобы поддерживать температуру вспомогательного смесителя и тем самым температуру вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38 в рамках приемлемого диапазона, такого как температурные диапазоны, отмеченные выше.
Как проиллюстрировано на примере выходного потока 82, выход 84 вспомогательного смесителя 78 может переходить непосредственно в конечный процессор 22 для упаковки, перевозки и т.д. Кроме того или в качестве альтернативы, выход из вспомогательного смесителя 78 может проходить через внутренний выходной поток 86 к необязательному холодильнику 88. Холодильник 88 может быть предназначен для охлаждения эмульсионной композиции, которая может быть промежуточной эмульсией или эмульсией, которая уже включает все надлежащие ей компоненты, с целью поддержания температуры эмульсии в рамках приемлемого диапазона таким образом, чтобы предотвратить кристаллизацию эмульсии и разложение вещества, понижающего температуру кристаллизации. Как описано выше, любой один или несколько модулей технологического оборудования 58 может выполнять охлаждающую функцию, в результате чего дополнительный холодильник 88 может оказаться нецелесообразным. Однако холодильник 88 может быть включен вместо охлаждающих элементов, включенных в другое оборудование, или вместе с охлаждающими элементами другого оборудования. В одном примерном варианте осуществления вспомогательный смеситель 78 может иметь систему для измерения температуры (не показано) вещества, которое выходит из данного смесителя. В случае когда система для измерения температуры определяет, что температура на выходе 84 является приемлемой, выходящее вещество можно направлять в выходной поток 82. В случае когда система для измерения температуры определяет, что температура является слишком высокой, выходящее вещество 84 можно направлять во внутренний выходной поток по направлению к холодильнику 88. Холодильник 88 может обеспечивать активное охлаждение или может быть организован таким образом, чтобы выходной поток 84 охлаждался под влиянием условий окружающей среды.
В вариантах осуществления, которые включают теплообменник 88 для осуществления необходимого понижения температуры композиции промежуточной эмульсии, Фиг. 3 иллюстрирует, что в состав реактора 18 может быть включен дополнительный вспомогательный смеситель 90. Например, он может быть необходим для того, чтобы отсрочить введение вещества, понижающего температуру кристаллизации, 38 до того момента, когда эмульсия достаточно охладится, с целью предотвращения разложения вещества, понижающего температуру кристаллизации. Как проиллюстрировано в необязательной конфигурации Фиг. 3, некоторое количество или все вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 можно вводить в эмульсию на последней ступени реактора, как, например, при введении во вспомогательный смеситель 90, который располагается после теплообменника 88 или другого аппарата, предназначенного для понижения температуры эмульсии. Дополнительный вспомогательный смеситель 90 может представлять собой смеситель любой подходящей конфигурации, такой как лопастной смеситель или другой пригодный смеситель.
При рассмотрении данной примерной необязательной конфигурации некоторое количество или все вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 может быть направлено по обводному потоку 92, для того чтобы миновать сырьевой поток вещества, понижающего температуру кристаллизации, 40 и необязательный сырьевой поток 90, и для того чтобы подавать в реактор технологические потоки после теплообменника 88, как, например, те, которые вводят в дополнительный вспомогательный смеситель 90, как проиллюстрировано на Фиг. 3. Технологические потоки реактора, поступающие в дополнительный вспомогательный смеситель 90, могут включать поток теплообменника 94, выходящий из данного теплообменника, как показано на Фиг. 3, или могут идти непосредственно из вспомогательного смесителя 78, как, например, в случае, если вспомогательный смеситель 78 выполняет охлаждающую функцию.
Различные необязательные конфигурации непрерывного процесса 70, показанного на Фиг. 3, иллюстрируют то, что реактор 18 настоящего изобретения может быть организован любым подходящим образом для получения композиции взрывчатой эмульсии, при этом вещество, понижающее температуру кристаллизации, 38 подвергают повышенной температуре в течение минимального периода времени. Как описано выше, в способах настоящего изобретения температуру реактора 18 или некоторого его модуля можно поддерживать предпочтительно на уровне выше приблизительно 90°C в течение менее чем приблизительно 24 часов, менее чем приблизительно 12 часов, менее чем приблизительно 4 часов и более предпочтительно менее чем приблизительно 1 часа. Применяемые в контексте данного документа ссылки на температуру реактора 18 относятся к температуре реактора в целом, средней температуре реактора и/или температуре одного или несколько модулей реактора. Конкретнее подобные ссылки относятся к температуре композиций внутри или проходящих через реактор и особенно к композициям, которые включают вещество, понижающее температуру кристаллизации.
Считается, что изобретение, изложенное выше, охватывает множество различных способов и/или приборов с независимым применением. Несмотря на то что каждый из данных способов и приборов были раскрыты в своей предпочтительной форме, их конкретные варианты осуществления, которые раскрыты и проиллюстрированы в контексте данного документа, не следует понимать в смысле ограничения, так как возможны многочисленные модификации. Предмет данного изобретения включает все новые и нетривиальные комбинации и субкомбинации различных элементов, характеристик, функций и/или свойств, раскрытых в контексте данного документа. Принципы настоящего изобретения можно осуществлять и в других конкретных вариантах, не отклоняясь от его структур, способов или других существенных характеристик, которые широко описаны в контексте данного документа. Описанные варианты осуществления следует рассматривать во всех отношениях только как примерные, но не ограничивающие. Следовательно, объем данного изобретения не ограничивается предшествующим описанием или приведенной ниже формулой изобретения, и все изменения, которые подходят по определению и находятся в пределах диапазона эквивалентности предшествующего описания и/или приведенной ниже формулы изобретения, должны заключаться в рамках его объема. Аналогично, там, где в данном описании и/или формуле изобретения употребляется артикль "a", или выражение "a first", или их эквиваленты, следует понимать, что данное описание включает применение одного или несколько таких элементов, не требуя, но и не исключая два или несколько подобных элементов.
Считается, что приведенная ниже формула изобретения направлена на некоторые комбинации и субкомбинации, которые соответствуют раскрытым примерам и которые считаются новыми и нетривиальными. Другие комбинации и субкомбинации характеристик, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены в исправлении настоящей формулы изобретения или представлении новой формулы изобретения, в данной или родственной заявке. Подобная исправленная или новая формула изобретения, направлена ли она на другую комбинацию или на ту же самую комбинацию, будь она другая, больше, меньше или равная по объему исходной формуле изобретения, также считается включенной в рамки объекта настоящего изобретения.