УСТАНОВКА ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ ДЛЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Полезная модель относится к области получения эмульсионных взрывчатых веществ, в частности к установкам для получения эмульсий, и может быть использована в промышленном производстве водоустойчивых эмульсионных взрывчатых веществ.
Эмульсионные взрывчатые вещества (ЭВВ) образуются непосредственно в скважине при смешении невзрывчатых компонентов: обратной эмульсии типа «вода в масле» и газогенерирующей добавки в качестве сенсибилизатора. При этом эмульсии содержат в качестве дисперсной фазы преимущественно водные растворы окислителя (аммиачной селитры или ее смеси с селитрами щелочных и щелочноземельных металлов), а дисперсионную среду образуют преимущественно продукты переработки нефти, минеральные масла. ЭВВ получили широкое применение в горнодобывающей промышленности благодаря более высокой безопасности при изготовлении и применении по сравнению со штатными тротилосодержащими материалами.
Известна установка получения эмульсий типа «вода в масле» для ЭВВ [авт. свид. СССР №1790152 А1, МПК С06В 21/00, опубл. 15.10.1994], которая содержит узлы приготовления дисперсной фазы и дисперсионной среды с дозирующими устройствами и обогреваемыми аппаратами с мешалками, и узел эмульгирования с устройством эмульгирования.
В известной установке узел эмульгирования выполнен в виде предварительного смесителя и устройство эмульгирования выполнено в виде емкости, образованной верхним и нижним цилиндрами, размещенного между ними ограничительного кольца, причем в емкости установлена камера с загрузочным патрубком, а под камерой размещено перемешивающее устройство, содержащее лопасти и закрепленное на них кольцо с пальцами.
Недостатками известной установки являются:
- слабый гидродинамический режим перемешивания в полости предварительного смесителя из-за чего образуется эмульсия низкого качества, которая далее перетекает в устройство эмульгирования;
- необходимость уменьшения производительности установки путем увеличения времени пребывания эмульсии в полости смесителя и устройства эмульгирования для получения эмульсии хорошего качества.
Приведенные недостатки были устранены в установке получения эмульсий для ЭВВ типа «вода в масле» [патент РФ №116493 U1, МПК С06В 21/00, опубл. 27.05.2012), согласно которой в узле эмульгирования предварительный смеситель дополнительно снабжен перемешивающим устройством в виде колеса осевого насоса, размещенного в полости диффузора, на поверхности которого выполнены отверстия в виде вертикальных пазов, равномерно расположенных по периметру диффузора, причем диаметр колеса осевого насоса составит 0,8-0,9 внутреннего диаметра диффузора.
Однако, несмотря на внесенные конструктивные изменения в узел эмульгирования, получение качественной эмульсии возможно лишь при многократном пропускании смеси через перемешивающие устройства предварительного смесителя и устройства эмульгирования.
Кроме того, в узле эмульгирования используются аппараты эмульгирования динамического типа, которые представляют повышенную опасность при получении эмульсии из несмешивающихся жидкостей, где требуется приложение интенсивных сдвиговых и срезающих усилий с необходимостью использования повышенных мощностей в электродвигателях динамических аппаратов эмульгирования для получения высокодисперсных, а, следовательно, высоковязких эмульсий.
Задача, на выполнение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в интенсификации процесса эмульгирования и повышении производительности при одновременно повышении качества эмульсии и уменьшении времени выхода на режим.
Поставленная задача решается тем, что в установке получения эмульсии для эмульсионного взрывчатого вещества, содержащей узлы приготовления дисперсной фазы и дисперсионной среды с дозирующими устройствами и обогреваемыми аппаратами с мешалками, и узел эмульгирования с устройством эмульгирования, согласно полезной модели, узел эмульгирования снабжен блоком автоматического управления подачей дисперсной фазы и дисперсионной среды, в качестве устройства эмульгирования используют статический многосекционный трубчатый аппарат, включающий, по крайней мере, две секции эмульгирования и клапанный механизм с выходным патрубком эмульсии, при этом во входной части первой секции размещена форсунка для ввода дисперсной фазы, в зоне действия которой в цилиндрический корпус аппарата вмонтирована кольцевая камера с входным патрубком для дисперсионной среды и на расстоянии от 2-х до 5-и внутренних диаметров аппарата от кольцевой камеры расположена перфорированная пластина с отверстиями диаметром 3÷10 мм, а за перфорированной пластиной во второй секции эмульгирования на расстоянии от 3-х до 4-х внутренних диаметров аппарата расположена форсунка, выходное отверстие которой выполнено в виде перфорированной пластины с отверстиями диаметром 3÷10 мм. При этом секции эмульгирования и клапанный механизм соединены между собой с помощью фланцев.
Введение в узел эмульгирования блока автоматического управления (БАУ) подачей дисперсной фазы и дисперсионной среды обеспечивает опережающую подачу дисперсионной среды (на 1÷3 сек) в статический смеситель и поддерживает расход дисперсной фазы и дисперсионной среды в заданном массовом соотношении в непрерывном режиме, что уменьшает время выхода на рабочий режим установки.
Благодаря использованию статического многосекционного трубчатого аппарата эмульгирования, основным преимуществом которого является то, что смешение компонентов и дальнейшая обработка эмульсии производится в очень малых по объему зонах, не имеющих глухих мест, в интенсивном гидродинамическом режиме работы двух форсунок и перфорированных пластин, происходит интенсификация процесса эмульгирования и повышение производительности установки при одновременном повышении качества эмульсии.
Расстояния расположения перфорированной пластины в первой секции эмульгирования и форсунки с выходным отверстием в виде перфорированной пластины во второй секции эмульгирования определены опытным путем и позволяют эффективно использовать кинетическую энергию струи, выходящей из отверстий форсунок первой и второй секции, которая проявляется в подсасывании эмульсии из окружающей среды, что приводит к идеальному смешению фаз и интенсификации процесса эмульгирования.
Использование перфорированных пластин с n отверстиями по сравнению, например, с одним отверстием с эквивалентной суммарной площадью, позволила увеличить поверхность, на которой происходит сдвиг в  раз, и повысить качество эмульсии:
где:
0
d - диаметр отверстия в пластинах, м;
1
d - диаметр эквивалентного отверстия, м;
0
n - число отверстий диаметром d;
δ - толщина пластины, м;
1
2
S - поверхность n отверстий, м;
2
2
S - поверхность одного эквивалентного отверстия, м.
Техническая сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами: на фиг. 1 представлена схема установки получения эмульсии для эмульсионных взрывчатых веществ; на фиг. 2 - статический многосекционный трубчатый аппарат эмульгирования; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 2.
Установка получения эмульсии для эмульсионных взрывчатых веществ (фиг. 1) состоит из:
I - узла приготовления дисперсной фазы (раствора окислителя - РО);
II - узла приготовления дисперсионной среды (топливной фазы - ТФ);
III - узла эмульгирования.
Узел приготовления дисперсной фазы (I) содержит: устройство растарки и дозирования окислителя 1, 2; два обогреваемых аппарата с мешалками 3, 4 для приготовления раствора окислителя с общим объемом, обеспечивающим сменную производительность установки; дозировочное устройство воды 5; фильтр раствора окислителя 6; винтовой насос подачи раствора окислителя 7 в узел эмульгирования (III).
Узел приготовления дисперсионной среды (II) содержит: устройства предварительного разогрева компонентов топливной фазы 12, 13, в которых разогреваются бочки с компонентами ТФ 8, 9; погружные насосы 10, 11; расходомеры компонентов топливной фазы 14, 15; два аппарата с мешалками, один из которых 16 предназначен для приготовления топливной фазы, а другой 17 для накопления готовой топливной фазы; насос 18 подачи топливной фазы в емкость 17; фильтр топливной фазы 19; винтовой насос 20 подачи топливной фазы в узел эмульгирования (III).
Узел эмульгирования (III) содержит статический многосекционный трубчатый аппарат эмульгирования 25, соединенный с винтовыми насосами 7, 20 подачи соответственно дисперсной фазы и дисперсионной среды; фильтры тонкой очистки 21, 30; расходомеры Кориолиса 22, 29; трехходовые краны 23, 28. Производительность винтовых насосов и положение трехходовых вентилей управляется с помощью блока автоматического управления (БАУ) 24. Также узел содержит сборник горячей эмульсии 26; винтовой насос подачи эмульсии 27; теплообменник 31.
Статический многосекционный трубчатый аппарат эмульгирования (фиг. 2) включает в себя, по крайней мере, две секции эмульгирования 32, 33 с цилиндрическими корпусами и клапанный механизм 34 с цилиндрическим корпусом и выходным патрубком эмульсии 35.
Во входной части первой секции 32 размещена форсунка 36 для ввода РО, в зоне действия которой в цилиндрический корпус секции 32 вмонтирована кольцевая камера 37 со щелью 38 на ее внутренней стороне и с входным патрубком 39 для ТФ (фиг. 3). В секции 32 на расстоянии от 2-х до 5-и внутренних диаметров аппарата от кольцевой камеры 37 расположена перфорированная пластина 40 с отверстиями 41 (фиг. 4) диаметром 3÷10 мм. За перфорированной пластиной 40 во второй секции 33 на расстоянии от 3-х до 4-х внутренних диаметров аппарата расположена форсунка 42, выходное отверстие которой выполнено в виде перфорированной пластины 43 с отверстиями 44 (фиг. 5) диаметром 3÷10 мм.
Клапанный механизм 34 с цилиндрическим корпусом и выходным патрубком эмульсии 35 также содержит клапан 45, седло 46 клапана 45 с отверстием 47 для прохода эмульсии, возвратную пружину 48, которая прижимает клапан 45 к седлу 46 и расположена в направляющей втулке 49 с регулирующим винтом 50.
При этом секции эмульгирования 32, 33 и клапанный механизм 34 соединены между собой с помощью фланцев 51.
Заявляемая установка получения эмульсии для эмульсионного взрывчатого вещества работает следующим образом.
В узле (I) приготовления дисперсной фазы в аппаратах 3, 4 при постоянно работающей мешалке готовят водный раствор кальциевой и аммиачной селитр (раствор окислителя). Для приготовления раствора окислителя в аппараты 3, 4 с помощью дозировочного устройства воды 5 заливают нужное количество воды и в течение определенного промежутка времени с помощью устройства растарки и дозирования окислителя 1, 2 засыпают кальциевую и аммиачную селитры. Растворение окислителя ведут при температуре 90÷110°С. Температура раствора окислителя, вследствие поступления селитр и эндотермического эффекта растворения аммиачной селитры понижается. Для поддержания необходимой температуры в рубашки аппаратов (или змеевики) подается пар.
Приготовленный раствор окислителя через фильтр 6 винтовым насосом 7 подают в узел эмульгирования (III).
Одновременно, в узле (II) готовится дисперсионная среда (ТФ). Приготовление ТФ осуществляется в обогреваемой емкости 16 при постоянно работающей мешалке. Для приготовления ТФ в емкость 16 насосами 10, 11 через расходомеры 14, 15 дозируются компоненты ТФ, предварительно разогретые до температуры 40-50°С. Время смешения компонентов после окончания дозировки 10-15 мин. Затем готовую ТФ насосом 18 через фильтр 19 направляют в расходную емкость ТФ 17.
Далее при помощи винтовых насосов 7 и 20, расходомеров Кориолиса 22 и 29, трехходовых кранов 23 и 28, устанавливают циркуляционные потоки РО и ТФ в необходимом массовом соотношении и включают автоматический режим работы БАУ 24. В автоматическом режиме БАУ 24 обеспечивает автоматическое регулирования производительности насосов 7, 20 по заданным расходам путем изменения скорости вращения винтовых насосов 7 и 20. Когда установлено требуемое массовое соотношение РО и ТФ оператор установки нажимает кнопку «Пуск», после чего БАУ 24 последовательно переключает трехходовой кран 28 линии подачи ТФ в статический аппарат эмульгирования 25, а затем, через 1÷3 сек трехходовой кран 23 линии подачи РО в статический аппарат эмульгирования 25, обеспечивая опережающую подачу ТФ. Далее эмульгирование осуществляется в статическом аппарате эмульгирования 25 в непрерывном режиме, соотношение потоков автоматически поддерживает БАУ 24.
Процесс эмульгирования с помощью статического многосекционного трубчатого аппарата осуществляют следующим образом.
Через регулируемую щель 38 кольцевой камеры 37 подают ТФ со скоростью 6÷20 м/с.Затем через форсунку 36 со скоростью 9÷30 м/с, которая регулируется диаметром сопла форсунки 36, вводят РО, который в виде мельчайших частичек взаимодействует с направленным под углом 90° к оси аппарата кольцевым потоком ТФ. Это взаимодействие обеспечивает максимальное напряжение сдвига и максимально равномерное распределение компонентов в эмульсии.
Мгновенно образуется обратная эмульсия (Э), которая, пройдя через n отверстий 41 перфорированной пластины 40 (фиг. 4) получает дополнительное напряжение сдвига, вследствие чего увеличивается ее вязкость и улучшается качество.
Полученная обратная эмульсия поступает в форсунку 42, где под действием центробежной силы происходит дальнейшее равномерное распределение ее компонентов, а вследствие взаимодействия с перфорированной платиной 43 с отверстиями 44, выполняющей роль сопла форсунки (фиг. 5), достигают максимального напряжения сдвига, вследствие чего получают вязкую, качественную эмульсию.
При необходимости увеличить вязкость эмульсии задействуют клапанный механизм 34: эмульсия давит на клапан 45, отжимая его от седла 46, и пройдя через отверстие 47 седла 46 клапана 45 и образовавшуюся щель между клапаном и седлом получает дополнительное напряжение сдвига, поступает в клапанный механизм 34, а затем выгружается через выходной патрубок 35.
Горячая эмульсия поступает в сборник 26, откуда винтовым насосом 27 подается в теплообменник 31 для охлаждения или минуя теплообменник направляется на отгрузку (в зависимости от конкретного случая применения готового продукта).