Розробка і дослідження гетерогенних систем на основі нітратів кальцію та амонію для одержання вибухових матеріалів

 

Вибір технології та визначення основних технологічних режимів одержання емульсій

Принципова схема одержання зворотних емульсій провідними виробниками світу (Dyno-Nobel, Nіtro-Nobel (Швеція), Іreco, Du Pont (США), ETІ (Канада)) включає дві основні стадії: попереднє емульгування – отримання грубої емульсії (макроемульсії) і тонке диспергування грубої емульсії з одержанням кінцевого продукту (рис. 3). У якості первинного емульгатора найчастіше використовують форсунки, де утворення емульсії відбувається за рахунок одночасного розпилення фаз, що подаються у форсунку під високим тиском (до 5 МПа).

Аналіз динаміки застосування ВР гірничодобувними підприємствами України показує, що економічно ефективним є організація періодичного процесу одержання емульсії, що обумовлено періодичністю використання готового продукту споживачами.

Дослідження показали, що процес одержання емульсії можна реалізувати в періодичному реакторі з турбінним чи пропелерним перемішуючим пристроєм, вибір яких обумовлений високою турбулентністю створюваних потоків при забезпеченні радіально-осьової циркуляції рідини в апараті. Однак розрахунок потужності, яка витрачається на емульгування, проведений для мішалок діаметром 0, 3 м (співвідношення діаметра мішалки до діаметра апарата 1/3), при максимально припустимих значеннях динамічної в'язкості та густини емульсії (6, 5 Пас і 1600 кг/м3), показав, що витрати потужності на емульгування пропелерною мішалкою нижче, ніж турбінної (див. табл. 3).

 

Таблиця 3

Розрахунок потужності, споживаної на емульгування

Тип мішалки Діаметр мішалки, м Число

обертів, сек-1 Reц Kn Споживана потужність, кВт

Турбінна відкритого типу 0, 3 12, 5 0, 277103 3, 78 28, 704

Пропелерна 0, 81 6, 150

 

Стійке одержання ультрамікрогетерогенних систем (мікроемульсій з радіусом часток 15-20 нм) в реакторі з пропелерною мішалкою дозволило виключити з технологічної схеми процес додаткового диспергування емульсії (див. рис. 4), що приводить до значного зниження капітальних і експлуатаційних витрат на виробництво (у порівнянні з відомими схемами) та істотно зменшує собівартість готового продукту.

Відомо, що зворотні емульсії характеризуються високим повним електричним опором (Z). Руйнування емульсії приводить до його різкого зменшення.

Як і передбачали, одержані зворотні емульсії мають дуже високий опір (Z= 43-45 МОм). При цьому повний опір емульсій, виготовлених при 600 – 1000 об/хв, мало відрізняється один від одного (рис. 5). Емульсії, виготовлені при інтенсивності перемішування менше 500 об/хв, характеризуються недостатньою фізичною стабільністю і більш низьким значенням повного електричного опору (36МОм).

Слід зауважити, що протягом перших двох діб повний опір зворотних емульсій зростає (рис. 5), що обумовлено просторовим орієнтуванням молекул ПАР у вуглеводневій фазі, яке приводить до зменшення ємності і підвищення електричного опору системи. При падінні опору більше, ніж на 10% від максимального, в обємі емульсії починається кристалізація.

Інтенсивність перемішування істотно впливає на водостійкість зворотних емульсій, яка є однією з найбільш важливих характеристик системи. Як і очікували, вимивання неорганічних солей з емульсії знижується зі збільшенням інтенсивності перемішування при емульгуванні (рис. 6)

Введення в дисперсійне середовище 21% індустріальної оливи И-30 при збереженні концентрації емульгатора приводить до збільшення повного електричного опору емульсії (60-64 МОм). При цьому фізична стабільність емульсійної системи і її стійкість до інтенсивних впливів ротаційного віскозиметра різко зростають. Випробування емульсії в ротаційному віскозиметрі з коаксіальними циліндрами моделюють жорсткий механічний вплив на систему при технологічному перекачуванні відцентровими насосами.

Визначені температурні режими приготування дисперсної фази, дисперсійного середовища та емульгування. Встановлено, що при температурі в реакторі емульгування більше 700С утворення емульсії не відбувається, що повязано з десорбцією ПАР в одну з фаз. Процес проводять при температурі реактора 50-600С.

Дослідження впливу домішок у складі кальцієвої й аміачної селітр на властивості емульсій показують, що присутність у селітрі карбаміду в концентраціях 1, 2 – 2% знижує стабільність системи, а наявність більше 2% – викликає розшарування зворотної емульсії вже через 10-15 годин. Встановлено, що присутність багатозарядних іонів металів, і в першу чергу Fe (ІІІ), вміст яких у селітрі може сягати 1, 5% мас., перешкоджає утворенню зворотної емульсії, зумовлюючи її руйнування.

На підставі результатів дослідження надані вихідні дані для проектування, і УкрДІАП була розроблена технологічна схема виробництва водотривкої мікроемульсії нітратів кальцію й амонію на базі ДП «Екоантилід» (м. Дніпродзержинськ). Схема передбачає готування розчину селітр на основі концентрованого (65%) водного розчину нітрату кальцію, який є проміжним продуктом технологічного циклу одержання гранульованої кальцієвої селітри.

Розроблена емульсійна композиція є невибуховою, безпечною в застосуванні однорідною мікроемульсією, фізична стабільність якої зберігається на протязі 30 діб, водостійкість – 7 діб (втрата маси під шаром води – менше 0, 1 кг/м2добу).

На основі емульсійної композиції розроблені й оптимізовані рецептури емульсійних вибухових речовин марки Україніт, які можуть бути отримані введенням в емульсію сенсибілізатора (спучений перлітний пісок), а також деяких домішок, що підвищують тепловий ефект вибуху (дрібнодисперсний кремній, феросиліцій, подрібнені волокна рослинного походження). До Українітів відносяться також емульсії, що містять у своєму складі гранульовану аміачну селітру.

Розроблені ЕВР призначені для безпосереднього заряджання в обводнені свердловини під стовп води. Випробування у промислових умовах показали, що вони характеризуються високими вибуховими показниками (QВИБ = 2810- 3927 кДж/кг), є безпечними в застосуванні і транспортуванні, виділяють внаслідок вибуху продукти, що мають найменшу токсичність. Економічний ефект застосування Українітів відносно ГЛТ-20 – близько