УДК 541.118 Тамбиев Петр Геннадьевич к.т.н. НПП «ИНТЕРРИН»

УДК 541.118
Тамбиев Петр Геннадьевич
к.т.н.
НПП «ИНТЕРРИН»
г. Степногорск, Республика Казахстан
Голик Владимир Иванович
проф., д.т.н.
кафедра «Горное дело»
Южно-Российский государственный технический университет
г. Новочеркасск
ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
RESEARCH OF ULTRASONIC TECHNOLOGY OF PREPARATION
OF EMULSIONS FOR MANUFACTURE OF EXPLOSIVES
Усиливающаяся потребность во взрывчатых веществах (ВВ) для
удовлетворения запросов человечества в минеральном сырье формирует
новое
направление
развития
горнодобывающего
производства:
изготовление ВВ из взрывчатых компонентов и местного недорого сырья.
Использование
простейших
ВВ
существенно
повышает
экологическую
безопасность
горного
производства,
экономит
материальные и трудовые затраты на горный передел, повышает
безопасность производства и применения ВВ.
Нами исследованы и уточнены представления об ультразвуковой
технологии приготовления эмульсионных взрывчатых веществ. Главной
технологической операцией приготовления эмульсионных взрывчатых
веществ
(ЭВВ)
является
операция
эмульгирования
двух
несмешивающихся жидких физ. - водной ( вода + окислитель) и масляной
(масло + эмульгатор) для получения матричной эмульсии.
Стабильность эмульсии зависит от эффективности применяемого
эмульгатора и степени диспергированности водной фазы в масляной. К
числу эффективных эмульгаторов относятся амиачно-производные
ангидрида алкенилянторной кислоты с числом углеродных атомов более 6
[1].
Высокодисперсные, практически однородные и химически чистые
эмульсии можно
получить при ультразвуковом диспергировании
несмешивающихся жидкостей.
Для протекания ультразвукового диспергирования жидкости и
получения
качественной
монодисперсной эмульсии необходима
кавитация. Условия возникновения и протекания кавитации зависят от
77
интенсивности и частоты ультразвука, температуры, давления. Наличия
растворенных газов и т.п. Квитанция сопровождается образованием в
жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных парогазовой смесью.
Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление Ро в
эмульгируемой жидкости становится ниже некоторого критического
значения Ркр, соответствующего порогу кавитации.
В кавитационной области возникает мощные гидродинамические
возмущения в виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и
микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками. Кроме того.
Захлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом
вещества, а так же выделением газа содержащего атомарную и
ионизированную компоненты. В результате этого вещество
в
квитационной области подвергается интенсивным воздействиям,
несмешивающиеся
эмульсии
эмульгируются
с
образованием
мелкодисперсной эмульсии.
Детальный механизм образования капель эмульсии под действием
кавитации не выяснен из-за сложности как теоретической, так и
практической оценки.
Существует две гипотезы. В соответствии с одной
из них
кавитационная полость в одной из жидкостей вблизи раздела двух фаз в
стадии захлопывания увлекает и отрывает капельки от общей массы
другой жидкости. Другая гипотеза объясняет образование эмульсии
распадом на капельки кумулятивных струй, образующихся при
несеметрическом захлопывании кавитационных полостей.
Эмульгирование начинается, когда интенсивность J ультразвука
превышает некоторое пороговое значение Jп, ниже которого процесс не
проходит.
Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность звука
описывается уравнением:
𝐽=
𝑃зв ∙
2
=
2
𝑃зв
2𝜌с
=
2 ∙𝜌∙𝑐
2
где Рзв амплитуда звукового давления;  амплитуда колебаний
скорости частиц;  плотность среды.
При J> Jn скорость образования эмульсии растет с увеличением
интенсивности ультразвука минимальный размер капель может достигать
0.1 мкм.
Для оценки эффективности акустической энергии образования
эмульсии можно воспользоваться эмульсионно- акустическим КПД:
эн =  ∙ 𝜀эм =
Ек Еэм Еэм
−
=
;
Е
Ек
Е
78
где   степень кавитации; эм  коэффициент активности кавитации
в процессе эмульгирования; Е  акустическая энергия;Ек  энергия
кавитации; Еэм энергия, затрачиваемая на образование эмульсии.
Скорость эмульгирования определяется зависимостью [2]:
𝜕 2 ∙ ∆𝜎эм
𝑊эм =
𝜕 ∙ 𝑉 ∙ 𝜕𝑡
где∙ ∆𝜎эм  общая масса частиц эмульсии определенного типа;
энергия, затрачиваемая на образование эмульсии:
Еэм=∬(1 − 2 )𝑑𝑆
где S  поверхность раздела двух несмешивающихся жидкостей;
1 − 2  поверхностные натяжения этих жидкостей на границе их с
воздухом.
Согласно правилу Антонова [2] поверхностное натяжение на границе
раздела жидкость-жидкость равно(1 − 2 ). Низкое поверхностное
натяжение – очень важный фактор, обеспечивающий эмульгирование и
устойчивость эмульсии.
Рассчитать Еэм можно, определив ( микроскопически) распределение
капель в эмульсии по размерам:
𝑛ж
Еэм = ∑𝑖=1
4𝜋 ∙ 𝑟𝑖2 (𝜎1 − 𝜎2 ) = 4𝜋𝑟̅̅̅2 𝑛ж (𝜎1 − 𝜎2 )
где nж  число капель в эмульсии; эм  коэффициент активности
кавитации в процессе эмульгирования; r – средний радиус капли.
Так как ∙ ∆𝜎эм = 𝜌ж ∙ 𝑛ж ∙ 3/4 ∙ 𝜋 ∙ ̅̅̅
𝑟 3 и s>>So, А
∆𝜎эм
S = 4nжr2 = 3(𝜌
ж ∙𝑟̅ )
Тогда для неоднородной кавитационной области получим:
 ∙ 𝜀эм =
3(𝜎1 −𝜎2 ) 𝜕2 ∆𝜎эм
∙
̅
𝜌ж ∙𝑟
𝜕𝑉𝜕𝑡
𝜕2 ∙𝐸
𝜕𝑉𝜕𝑡
Соответственно для скорости эмульгирования получим:
𝑤=
𝜌ж 𝑟̅
3(𝜎1 −𝜎2
𝜕2 Е
 ∙ 𝜀эм 𝜕𝑉𝜕𝑡
)
79
Скорость образования эмульсии растет с увеличением интенсивности
ультразвука и времени его наложения на процесс эмульгирования, поэтому
концентрация эмульсии возрастает, достигая некоторого предельного
значения. Существование предельной концентрации обусловлено
одновременным протеканием процесса акустической коагуляции и
изменением условий для возникновения кавитации. Выражение,
описывающее кинетику ультразвукового эмульгирования с учетом
протекания коагуляции, имеет вид:
𝜕(𝑉∙𝑐)
𝜕𝑡
= 𝑆£ − 𝛽 ∙ 𝑉 ∙ 𝑐 𝑛
где v – объем рассматриваемой эмульсии; с – концентрация; s –
площадь границы раздела двух жидких фаз; α и β – параметры, зависящие
от акустического поля, свойств границы раздела; sα – скорость образования
дисперсной фазы; β∙V∙cn – скорость коагуляции; n – показатель коагуляции
равный числу взаимодействующих частиц.
Ультразвуковое эмульгирование может осуществляться двумя
способами – магнито-стрикционных преобразователей и гидродинамических
излучателей.Действие
магнито-стрикционных
преобразователей
основано
на
эффекте
магнитострикции.
Гидродинамические излучатели преобразуют часть энергии турбулентной
заполненной струи жидкости в энергию акустических волн. Работа
гидродинамического излучателя основана на генерировании возмущений в
жидко среде в виде некоторого поля скоростей и давлений при
взаимодействии вытекающей из сопла струи с препятствием определенной
формы и размеров, либо при принудительном при принудительном
периодическом прерывании струи. Эти возмущения оказывают обратное
действие на основание струи у сопла, способствуя установлению
автоколебательного режима и кавитации.
Гидродинамические излучатели акустических колебаний работают в
широком диапазоне частот: от 0,3 до 35 кГц с максимальной
интенсивностью ~1,5÷2,5 Вт/см2.
Для создания эффекта кавитационного воздействия на эмульгируемые
несмешивающиеся жидкости может быть использована трубка Вентури
(рис. 1).
80
Рис. 1. Гидродинамический преобразователь:
1 - выходной патрубок; 2 - диффузор; 3 - входой патрубок; 4 - конфузор.
Энергия кавитации в трубке Вентуре Eк функционально связана с
начальным давлением Ро, начальной скоростью потокаUo и
геометрическими параметрами трубки:
Е𝑘 = ∫(𝑃𝑜1 𝑈𝑜 𝑑𝑜1 𝑑(𝑥))
где d(x) = do+2xtg ;  – угол наклона трубки Вентури; l – длина
изменяющегося по диаметру патрубка;dк – конечный диаметр трубки
Вентури;
(𝑑 − 𝑑 )
tg = к o ;
2l
где α и β – параметры, зависящие от акустического поля, свойств
границы
𝐸𝑘 = 𝑈𝑜
𝐹𝑜 𝜕𝑉𝜇
𝐹
(𝑃𝑜 +
𝜕𝑥𝑅
𝜌𝑈𝑜2
2
) (1 −
𝐹𝑜2
𝐹
)
где Vμ - молярный объем газа, дм3/ моль ;R- универсальная газовая
постоянная ( R= 8, 31 Н/ Кмольград) При нормальных условиях ( t= 00C, Р
= 0,1 МПа) , Vμ=22,41 дм3/моль.
Оптимальный режим работы: Ро=0,25 Мпа, П=0,96 м3/час,
Еx max=86 Дж.
Схема разработанной нами экспериментальной установки для
получения водомасляной (ВМЭ) эмульсии и водомасляной суспензии
(ВМС) для приготовления эмульсионных ВВ дана на рис.2.
81
Рис. 2. Схема установки получения ВМЭ и ВМС.
Установка представляет собой систему трубопроводов с запорной
арматурой (1); шестеренчатый насос НШ – 3.2(2) с электродвигателем (3)
мощностью 2,1 кВт, N=1460 об/мин; рабочая емкость (4) на 7 литров;
пульт управления (5) и гидродинамический (6) преобразователь (ГДП) с
параметрами:
Производительность по жидкой фазе, м3/час
Давление на выходе, МПа
Диаметр на входе, мм
Масса, мм
0,96
0,35
18
540
Поток эмульгируемой жидкости под давлением подается через
входной патрубок ГДП, проходя через конфузор, приобретает за счет
сжатия высокую скорость и проходя по проточной камере набегает на
кавитатор, в результате за кавитатором в диффузоре образуется
суперкаверна. Давление в эмульгируемой жидкости становится ниже
критического давления порога кавитации. Возникшие кавитационные
пузырьки схлопываются за счет перепада давлений. При схлопывании
пузырьков степень их сжаия, характеризуемая отношением максимального
радиуса пузырька Rmax к минимальному Rmin, тем больше, чем больше
давлеие в жидкости P=Po+Pзв и меньше газосодержание в нем,
характеризуемое давлением Q:
𝑅𝑚𝑎𝑥
𝑅𝑚𝑖𝑛
=[
𝑃(𝜏−1) 1/3(𝜏−1)
𝑄
]
82
где =
𝑐р
с𝑉
– отношение теплоемкости при постоянном давлении и
объеме.
В результате адиобатического сжатия парогазовой смесь пузырька
нагревается до температуры ~104 К.
Максимальное давление Pmax в пузырьке, соответствующее его
минимальному размеру, можно выразить формулой:
𝜏
𝑃𝑚𝑎𝑥 =
𝑃(𝜏−1) 𝜏−1
𝑄[
]
𝑄
Максимальная скорость захлопывания кавитационных пузырьков
возникает в окрестности минимального радиуса пузырька и может
достигать весьма больших значений.
Несиметричное захлопывание пузырьков приводит к образованию
кумулятивных струй распадающихся на капельки эмульсии. Осевое
перемещение кавитатора ГДП вдоль проточной камеры позволяет
регулировать скорость набегания эмульгируемой жидкости на каветатор,
изменять длину каверны и, соответственно, размеры кавитационых
пузырьков, их количество, а так же интенсивность ударных волн, в
результате чего появляется возможность выбора оптимального режима
приготовления ВМЭ и ВМС.
На разработанной установке нами осуществлена серия экспериментов
по приготовлению водомасляной эмульсии. ВМЭ приготавливалась при
температуре 200 С и среднем времени приготовления 5 минут.
Рабочая емкость заполнялась дизельным топливом, затем в режиме
циркуляции дизельного топлива подавался эмульгатор, растворимый в
воде и, в последнюю очередь, раствор аммиачной селитры.
Процесс получения эмульсии заключался в подаче механической
смеси перечисленных компонентов в трубку Вентури гидродинамического
преобразователя и кавитационное её эмульгирование.
В результате экспериментов была получена эмульсия для
приготовления ЭВВ с параметрами:
Водоустойчивость 24 час, кг/м2
Время обращения, мин
Вязкость , МПа∙с
Дисперсность, мкм
Электрическая емкость, пФ
Плотность, г/см3
Разработанная установка принята к
применению на предприятиях Казахстана.
0,15
5,0
Не более 105
В среднем 4
60-70
1,4
опытно-
промышленному
83
Полученные сведения об ультразвуковой технологии приготовления
эмульсионных взрывчатых веществ открывают новые возможности для
решения проблемы удовлетворения потребности горных предприятий во
взрывчатых веществах, повышает экологическую безопасность горного
производства, снижает стоимость товарного продукта, повышает
комфортность и безопасность производства минерального сырья
различного назначения [3].
Литература
1. Колганов Е.В., Соснин В.Л. Эмульсионные промышленные
взрывчатые вещества – 1-я книга (составы и свойства). – М., 2007.
2. Моргулис М.А. Основы звукохимии. – М: Высшая школа, 1984.
3. Голик В.И., Тамбиев П.Г. Использование промышленных
взрывчатых веществ местного приготовления при добыче руд. // Цветная
металлургия. – М, 2011. – №3.
Аннотация
Исследованы и уточнены представления об ультразвуковой
технологии
приготовления
эмульсионных
взрывчатых
веществ.
Установлен феномен увеличения скорость образования эмульсии с
увеличением интенсивности ультразвука и времени его наложения на
процесс эмульгирования. Разработана схема экспериментальной установки
для получения водомасляной эмульсии и водомасляной суспензии.
Осуществлена серия экспериментов по приготовлению водомасляной
эмульсии. Предложена конструкция опытно-промышленного установки.
Representations about ultrasonic technology of preparation emulsion
explosives are investigated and specified. The phenomenon of increase speed of
formation of an emulsion with increase in intensity of ultrasound and time of its
imposing for process emulgasion is established. The scheme of experimental
installation is developed for reception of a water oil emulsion and water oil
suspension. A series of experiments on preparation of a water oil emulsion is
carried out. The design is offered is skilled - industrial installations.
Ключевые слова
ультразвуковая технология, эмульсия, взрывчатые вещества,
ультразвук, время наложения, эмульгирование, эксперимент, водомасляная
эмульсия, водомасляная суспензия
ultrasonic technology, emulsion, explosives, ultrasound, imposing time,
emulgasion, experiment, a water oil emulsion, water oil suspension
84