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淺析AE-HLC-Ⅲ型乳化器的研制

作者:劉林林 楊佳日期:2017年6月5日 14:04

(湖南金能科技股份有限公司,湖南 長沙 410012)

綜  述:本文通過對重點專用設備乳化器的應用現狀與發展方向的論述,結合專用設備AE-HLC-Ⅲ乳化器的研制過程,總結出專用設備的研制過程的一般規律。同時文章還對AE-HLC-Ⅲ乳化器設計與安全理念進行了全面闡述,為乳化炸藥生產廠家在使用該乳化器過程中提供技術指導,最后還對該乳化器的社會和經濟效益做了簡單分析。
關鍵詞:AE-HLC-Ⅲ、敞開式乳化器 、研制過程


乳化炸藥生產技術發展進程中,提高乳化剪切強度和提高乳化器的安全性已成為行業共同努力的目標,但片面提高剪切強度可能會帶來安全隱患,同時片面強調安全性也可能會降低乳化質量,乳化器的研發一直在產品質量與生產安全的博弈中尋求最佳平衡點。目前國內外采用的乳化器大致有以下幾種:
1.膠體磨  膠體磨的使用開創了我國乳化炸藥連續化生產的先河,但經長期的考察與考驗,雖膠體磨的產品質量沒問題,但因其線速度大、結構復雜、間隙小,使其存在不安全因素。
2.管線式高剪切乳化器 這類乳化器采用多組定轉子、復雜的結構、小間隙(0.2-1mm)、高線速度(15-30m/s)。正是其復雜的結構提高了剪切次數,獲得較高品質的乳化基質,也正是其復雜的結構、小間隙和高線速度帶來了設備的本質不安全性。
3.內循環式乳化器 AE-HLCII型乳化器 采用單組定轉子,結構十分簡單,大間隙(3-8mm),線速度低(<15m/s),該種乳化器是在結構上采用高速內循環方式來大幅提高剪切次數的方法來強化剪切強度,提高乳化基質的質量和提高其產能,但產能還是不能滿足現有民爆行業的需求。
4.低轉速或無機械接觸乳化器 這類乳化器往往采用多組定轉子,低轉速或根本無機械接觸的乳化器,在國外早已投入工業化使用,但這類乳化器的剪切強度有限,一般用于無雷管感度,或儲存期要求不高的露天型或混裝車使用。
基于現有的乳化炸藥生產線所使用的乳化器,由于存在各種各樣的不足,不能完全滿足當今民爆行業的發展,為滿足十二·五民爆行業的需求我公司適時提出了AE-HLC-Ⅲ型乳化器的設計與研制。
一、項目研制的一般過程
在項目立項之前,公司組織技術人員對國內現有乳化器進行了一次技術摸底,國內乳化器主要分為機械攪拌式與膠體磨形式的兩種乳化器,基于對公司AE-HLCⅡ乳化器在國內受到一致好評,同時多年來生產企業一線操作人員反饋信息,公司決定在我公司的AE-HLCⅡ乳化器的原有結構模式下進行一次技術創新與升級,將原有乳化器的結構進行優化布局設計、將成乳的定子轉子及導流柵欄進行流體動力學仿真設計,使油水相溶液在乳化器腔體內的乳化效率得到提升。同時加大乳化器的定轉子間隙,提高設備的本質安全。
本項目的實施過程包括以下階段:
階段一:項目調研分析/乳化器整體方案設計
從2010年開始,項目組進行市場調研,結合《工業和信息化部關于民用爆炸物品行業技術進步的指導意見》,了解市場狀況和客戶需求;結合國內外乳化器的現狀,確定項目設計方案及設計技術參數進行整體設計。
階段二:乳化器設計制造
項目組在公司專家的指導下,著手具體參數的確定,完成乳化器機械、電器及安全設計的整套圖紙;根據設計圖制造出符合要求的乳化器樣機。
階段三:乳化器安全評價及中試試驗
對設計制造出來的乳化器樣機進行初步的安全評價,進行帶水試驗、模擬料試驗,并進行帶料中試試驗。
階段四:乳化器改造及工業實驗
針對乳化器中試后出現的問題,對乳化器進行整改,再請安評機構針對改造進一步進行安全評價后,在工業生產線進行工業實驗,獲取乳化器的運行性能和產品性能。
階段五:技術鑒定
組織邀請相關部門及專家對乳化器進行技術鑒定,出具權威的檢測報告及鑒定報告。
階段六:市場推廣
制定產品營銷計劃,組織產品市場推廣。
二、研究的主要內容
乳化器的工作原理主要為通過電機啟動,裝于電機主軸上的轉子隨著電機主軸轉動,同時輸送泵通過調頻、計量將一定溫度的油水相溶液泵送至進料管,進料通道至乳化腔的下端開孔,進入下乳化腔中,在轉子的下葉片的離心力作用下,油水相溶液穿過定子柵格,較高速沖向下乳化腔內壁,在一級定子的上蓋板的約束下,混合的溶液再次進入轉子葉片的離心區,實現再次加速、剪切,如此經過多次循環、剪切,實現油水相溶液的初級乳化。初級乳化好的物料,通過下乳化腔的上壓板的間隙進入上乳化腔中,在轉子的上葉片的離心力作用下,初乳物料穿過定子柵格,高速沖向上乳化腔內壁,在二級定子上蓋板的約束下,初乳物料再次進入轉子葉片的離心區,實現再次加速、剪切,如此進過多次循環,剪切實現精細乳化。乳化好的基質從出料腔的出料口排出。乳化器的研制主要有以下幾點:
(1)油水相進料系統
乳化器進料管進料介質為油水相混合物,且油相比例很小(比例不足10%),怎么樣以最優的混合方式均勻進入乳化器內腔是控制乳化效果一個重要的因素。項目依據管路理論計算論證采用最優化設計使油水相均勻進入乳化器內腔。
(2)密封裝置
該乳化器電機安裝在設備底部,乳化器運轉過程中,由于水相具有較強的腐蝕作用,必須使水相不滲漏,密封性好是研制成功的關鍵。由于敞開式乳化器的電機結構處于乳化腔體下端,如果密封效果不好,將會出現油水相溶液或乳化基質泄漏到電機軸承中,同時密封結構還不能增加主軸的長度,否則將影響乳化器的平穩性,從而影響電機的安全及整個乳化器的整體安全性。通過多次試驗,不斷對密封形式的分析及密封結構分析設計,最終得出一種密封形式和密封結構完全能滿足密封的要求。其密封形式詳見附圖。


AE-HLC-Ⅲ型乳化器密封結構圖

(3)乳化器腔體設計
公司在自主研發的二級乳化器和AE-HLCⅡ型一級乳化器的基礎上,實現大幅度降低轉速,增大乳化器定轉子間隙,項目采用更加優化的定轉子及內部設計,從而提高乳膠基質的質量穩定性。AE-HLC-Ⅲ型一級乳化在腔體設計過程中通過應用ANSYS軟件進行了有限元分析,模擬出油水相在腔體內成乳的動態分析,通過不斷對腔體的結構進行修改,使乳化效率達到最優。下圖為優化后的腔體結構圖。


AE-HLC-Ⅲ型乳化器腔體結構圖

(4)安全保護裝置
乳化器作為乳化炸藥生產中的關鍵設備,同時也是危險設備之一,選擇有效的保護裝置和措施是乳化器設計制造的基本準則。針對乳化工藝過程乳化器的安全,公司近年來在行業主管部門的正確引導和多年經驗積累下,特別是在云南包裝廠爆炸事故后,公司積極組織內部研討會議,制定了針對乳化器的安全防范措施具體有:
①乳化器腔體及轉子制造全部采用高強度不銹鋼,增強防腐和耐用性能;
②動力電機設計選用防爆型,或是防護等級在IP65以上;
③防滲透選用多級機械密封設計和壓縮空氣保護裝置,增強硝銨水溶液的防滲漏,保護電機。
④電動機和傳感器采用國際知名公司的產品,穩定可靠性高。通過精密的機械加工、安全控制及合理的工藝流程,最大限度減少,去除生產線上人為不穩定因素,提高設備及生產線本質安全性。
除上述加強乳化器本身安全因素外,我們還啟用了間接保護措施具體如下:
對乳化器的軸向和徑向震動進行實時監測,并摸索出了振動的合理區間,自控程序可自動識別產能并設置相應的報警上限,一旦超越上限值,自動控制系統立即報警,乳化器自動停機;針對乳化器機械密封的冷卻水設置了冷卻水斷流,一旦機械密封內沒有流動的冷卻水,乳化器立即報警并自動停機;對油水相輸送過程的流量進行實時監測,當油水相中任何一種介質的流量低于某臨界值時,乳化器會產生斷流報警并自動停機;對乳化器的進出口溫度進行實時監控,根據乳化產能與機械能轉換熱能的規律,探索出了相應產能下乳化器進出口溫度差,當溫度差超過相應設定值后,乳化器自動報警停機;對乳化器工作時的聲響也進行了實時監測,監控中心的工作人員可以在監控室實時監聽,當出現異常聲響時,監控人員可以進行人工干預的保護措施;同時乳化器進出口壓力進行監測,當進出口壓力值超過設定值時,乳化器自動報警并停機。這一系列的安全保護措施經在江蘇、福建、湖南、云南、遼寧、陜西、山西等廠等生產廠經過近4年的生產實踐與模擬測試,表明能有效的檢測乳化器的安全運轉,為乳化炸藥的安全生產起到保駕護航的作用。
(5)出料裝置
乳化炸藥粘度很高,設備采用敞開式設計,較以前管路出口設計而言,其順利出料將是一個難點,本項目針對多次管路優化,設計出順利出料的管路系統,實現流暢出料。根據乳化炸藥生產的發展趨勢,乳化炸藥要朝高產能、低能耗、低壓力等方向發展,AE-HLC-Ⅲ型一級乳化器設計成立敞開式的出口,真正做到了出口零壓力的目標。
三、實驗情況
一般的工控產品要投入市場,進行工業試驗是一個不可或缺的環節。民爆專用設備因其特殊性,工業試驗顯得尤為重要,且必須是在長時間的試驗下能保住安全的前提下才能投入市場。乳化器的樣機完成試制后,當月通過安全評價。樣機試制完成后,為達到《工業和信息化部關于民用爆炸物品行業技術進步的指導意見》的目標,項目組決定分兩階段進行試驗:第一階段為模擬料試驗,第二階段為工業試驗。
模擬料試驗,又分為兩個不同的階段:第一階段完全采用常溫自來水進行試驗;第二階段采用熱水作為水相材料,油相則采用現有生產線上所用的油相材料,油水相材料利用變頻器調節按生產線上的比例送料。
工業試驗,也分為兩個不同的階段進行:第一階段,將乳化器安裝于生產線上,運行較短時間,主要考察設備的運行狀態,制成乳化基質,通過后面的工序制成乳化炸藥,考察乳化炸藥的性能及儲存期;第二階段,將乳化器安裝于生產線上,進行試生產。
(1) 模擬料實驗
a.水試:
試驗結果如下:設備共運行8小時,乳化器運行平穩,電機溫升正常,無異常的聲音,密封處無泄漏,載荷為電機功率的60-75%。
b.模擬料試驗
試驗結果:設備運行平穩,電機溫升正常,設備無異常的聲音,密封無泄漏,乳化器對產能適應性強,產能試驗了7.2噸/小時,不同產能所制成的乳化基質粘稠、細膩、有彈性,乳化質量較好。試驗制成的乳化基質經過三個月無破乳現象。
(2)工業實驗
第一階段試驗結果 設備運行平穩,震動小,電機溫升正常,設備無異常聲音,乳化器對產能適應性強,產能試驗了7.2噸/小時,不同產能所制成的乳化基質粘稠、細膩、有彈性,乳化質量較好。同時也發現存在如下問題:所用密封有泄漏現象,實際功率超過電機的額定功率。
該階段制成的乳化炸藥的性能和儲存性能如下表:

日期

爆速(m/s)

殉爆(cm)

取樣數量

備注

2012.2.25

4489

≥5

2/2

5cm以上未測

2012.3.26

4525

≥5

2/2

5cm以上未測

2012.4.25

4587

≥5

2/2

5cm以上未測

2012.5.25

4387

≥5

2/2

5cm以上未測

2012.6.15

4312

≥3

2/2

4cm未測

2012.7.26

4257

≥3

2/2

4cm未測

2012.8.24

4274

≥3

2/2

4cm未測

第二階段試驗結果 針對第一階段的試驗結果,對乳化器存在的問題進行改進后,重新將乳化器安裝在生產線上進行工業試驗。通過試驗可得出如下結論:設備運行平穩,震動小,電機溫升正常,設備無異常聲音,密封無泄漏,實際功率小于電機的額定功率,乳化器對產能適應性強,產能試驗了7.2噸/小時,不同產能所制成的乳化基質粘稠、細膩、有彈性,乳化質量較好。
該階段制成的乳化炸藥的初始性能如下表:

日期

爆速(m/s)

殉爆(cm)

取樣數量

備注

2012.8.22

4720

≥5

2/2

5cm以上未測

2012.8.24

4653

≥5

2/2

5cm以上未測

四、取得的效果及主要技術特征
   經過項目組的共同努力,在多次的試驗基礎上,最終將乳化器的結構定型,并在工業生產線上試產,且生產出產品,產品各項性能達到或超過國家或行業規定的指標。
   敞開式乳化器主要特征有:
  (1)物料出口大、乳化腔的壓力低;
  (2)轉子和定子間隙大;
  (3)電機為倒置式,電機伸出軸短,乳化器重心低、運行平穩;
  (4)采用一套兩個機械密封及輔助裝置確保密封的可靠性;
  (5)轉速低但剪切面積及剪切效果更佳;
  (6)結構簡單、維護方便;
  (7)產能大。
   敞開式乳化器的主要技術參數如下:
  (1)產能:6-10噸/小時(商品乳化炸藥)
             6-15噸/小時(露天乳化炸藥)
  (2)轉定子間隙:徑向單邊間隙4.5mm,軸向單邊間隙8mm.
   (3) 轉速:960-980rmp
  (4)能耗率:272-454KG/KW(按產能6-10噸/小時)
   (5) 重量:約600KG
  (6)動率電源:AC 380V 3相 50Hz 22KW 44A
  (7)測控電源:DC24V
  (8)適用品種:乳化炸藥等
五、社會及經濟效益分析
本項目裝備和技術具有明顯的特色和優勢,突破了乳化炸藥乳化工序設備產能不大的瓶頸,技術水平處于國內領先地位,填補了國內空白。AE-HLC-III型一級敞開式乳化器不但具有先進性,也具有很強的適應性,符合我國民爆行業政策,引導著我國工業炸藥生產技術發展方向。
1.提高生產效率,增強市場競爭力
本項目產品取得了工業炸藥生產中乳化工序的生產能力的突破,大大提高了乳化能力,產能達到6-10T/H,為生產企業大大節省了生產時間,生產企業采用本項目的AE-HLC-III型一級敞開式乳化器,結合科學的管理方法,可極大的提高生產效率,降低成本,增強企業的市場競爭力。
2.減少安全隱患,促進行業安全生產
該設備的安全保護措施齊全,有冷卻水斷流、電流過載、油水相斷料、振動檢測等安全措施,并對其實現了安全聯鎖保護。大大減少炸藥生產中的重大安全事故的發生。本項目的實施對推進民爆行業的乳化設備改造,促進行業安全生產,減少國家重大安全事故具有十分重要的意義。
3.落實產業振興規劃,提升自主創新能力
裝備制造業是為國民經濟各行業提供技術裝備的戰略性產業,關聯度高、吸納就業能力強、技術資金密集,是產業升級、技術進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現。要加快振興裝備制造業,必須大規模的開展技術裝備自主化工作。通過加大技術改造投入,增強企業自主創新能力,促進產業結構優化升級,全面提升產業競爭力。本項目完全符合國家通過的裝備制造業調整振興規劃要求。項目通過自主開發形式,研發工業炸藥乳化設備關鍵技術,增強行業的自主創新能力。項目的實施,將促進工業炸藥生產,淘汰落后產品,促進工業炸藥產業結構升級,全面提升行業競爭能力。
綜上所述,該項目的各項基礎條件已具備、時機成熟。項目實施符合國家的產業政策,提高我國民爆行業的的生產水平,大大減低重大安全事故隱患,提高安全管理水平,將產生顯著的社會效益和經濟效益。

所屬類別: 技術論文

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