石怡帆，查正清，龔 兵，段 云

(礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

乳化炸藥是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的新型抗水工業(yè)炸藥，因其具有優(yōu)良的爆炸性能和抗水性能、生產(chǎn)和使用安全性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外工程爆破領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。全靜態(tài)乳化器是制備乳化炸藥生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，也是決定乳膠基質(zhì)性能的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的乳化工藝是采用攪拌法，通過不斷對液體做功，使油相與水相進(jìn)行高速剪切、混合，從而形成油包水型的乳膠基質(zhì)。新型的全靜態(tài)乳化器沒有機(jī)械運(yùn)動和機(jī)械密封元件，借助于流體通路的不同結(jié)構(gòu)使油相與水相達(dá)到混合的目的[2]，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比，全靜態(tài)乳化器生產(chǎn)更加安全高效，具有廣闊的發(fā)展空間。

制備乳化炸藥的全靜態(tài)乳化器是一種采用噴射結(jié)構(gòu)和混合單元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)油相與水相在多管路中逐級乳化，最終形成油包水型乳膠基質(zhì)的設(shè)備(見圖1)[3]。其過程是，油相水平進(jìn)入乳化器，水相通過管壁的噴射孔射流進(jìn)入，通過內(nèi)部混合結(jié)構(gòu)達(dá)到乳化的目的。不同構(gòu)造的全靜態(tài)混合器，其性能方面也有一定的差異。由于靜態(tài)混合單元是影響乳化器性能的重要因素之一，因此筆者擬采用流體模擬仿真技術(shù)的群體平衡模型，對常用的SV型和SX型混合單元在全靜態(tài)乳化器內(nèi)的混合機(jī)理進(jìn)行研究分析，并且根據(jù)分散相的索特平均直徑對SV型和SX型混合單元的乳化能力進(jìn)行比較。

圖1 全靜態(tài)乳化器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the full static emulsifier

1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

考慮到全靜態(tài)乳化器模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和網(wǎng)格質(zhì)量的要求，幾何模型取乳化器的部分作為分析對象，包括單個SV型和SX型混合單元的一小節(jié)(見圖2)。模型總長200 mm，管徑50 mm，油相入口直徑16 mm，水相與水平軸線呈45°夾角，入口直徑3 mm。其中SV型混合單元由交替重疊的斜波紋板組成，波紋傾角45°，三角形頂角60°，波紋深度取6.25 mm[4]；SX型混合單元由互相交叉的橫條組成，橫條與管殼的軸線成45°。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

使用Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對混合單元區(qū)域使用加密的四面體網(wǎng)格，非混合單元區(qū)域使用六面體網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)系驗(yàn)證，最終網(wǎng)格最小尺寸取1.5 mm，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)175萬。

2 數(shù)值模型

2.1 群體平衡模型

群體平衡模型(PBM模型)是描述多相流體系中分散相的尺寸大小及分布程度隨時間和空間變化的通用方程模型,考慮到顆粒的聚并與破碎等對顆粒大小、分布等影響，可以用該模型較準(zhǔn)確地預(yù)測液液乳化的流場和分散相液滴的大小和分布[5-6]。PBM模型中分散相液滴尺寸的大小分布一般通過索特平均直徑d32進(jìn)行預(yù)測：

(1)

式中：ni為第i組液滴直徑為di的數(shù)量。

選用PBM模型的Discrete方法[7-8]，將分散相液滴直徑分為9個尺寸區(qū)間，通過模擬仿真計算可以得出流體經(jīng)過SV型和SX型混合單元后液滴直徑在9個區(qū)間的分布情況?？紤]到乳化器內(nèi)液滴的破碎與聚合，選取PBM模型中的Lehr破碎模型與Turbulent聚合模型[9-10]。

2.2 兩相流模型和邊界設(shè)置

兩相流模型選取Mixture多相流混合模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬計算。在工作壓力和制備溫度下，油相和水相材料物性參數(shù)如表1所示。

表1 油相與水相物性參數(shù)

邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口。設(shè)置乳化器產(chǎn)能6 t/h，計算得到油相入口速度0.6 m/s，水相入口速度20 m/s。

2.3 模型分析

在制備乳膠基質(zhì)時，流體的溫度、粒子大小及分布和黏度是衡量乳化效果最重要的性能參數(shù)。由于制備過程中乳化器內(nèi)溫度變化小，此處忽略溫度的影響。同時，乳膠基質(zhì)的粒徑大小和黏度遵循以下的關(guān)系：

(2)

式中：η為流體黏度；dm為平均液滴直徑；x和c為常數(shù)。

這是因?yàn)楫?dāng)水相粒徑減小時，液滴的界面面積和液滴間的相互作用隨之增加，流體的黏度就越大。因此通過PBM模型將水相的索特平均直徑d32作為衡量SV型和SX型混合單元乳化效果的參數(shù)，結(jié)合流體在SV型和SX型混合單元內(nèi)的速度場和壓力場對混合單元的混合機(jī)理進(jìn)行研究，并對流體經(jīng)過SV型和SX型混合單元后的水相粒徑分布對混合單元的乳化效果進(jìn)行比較分析。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 SV型和SX型混合單元混合機(jī)理

1)SV型混合單元混合機(jī)理。流體在波紋板折角處的流速最大，從管中心至管壁速度逐漸減小，并且流體流速分布隨著截面形狀的變化而變化(見圖3)。

圖3 流體在SV型混合單元不同截面的速度云圖和速度矢量Fig.3 Velocity cloud and velocity vector of fluid in different sections of SV mixing unit

結(jié)合速度云圖與矢量，上下相鄰兩塊波紋板之間形成了許多相對錯開的小三角單元，在每個小三角單元內(nèi)流體沿波紋板方向流動，當(dāng)波紋板沿軸線向左偏移45°時，流體在單元內(nèi)逆時針流動，波紋板向右偏移時順時針方向流動，形成了如箭頭所示的渦流，并且渦流隨著波紋板截面的變化而不斷變化，最終達(dá)到油水相混合的目的。

2)SX型混合單元混合機(jī)理。由于不同截面的橫條位置不同，流體在流動過程中被不斷的分割，隨著速度的重新分布，流體位置發(fā)生移動。并且流體在橫條附近的速度最大(見圖4)。

圖4 流體在SX型混合單元不同截面的速度云圖和速度矢量Fig.4 Velocity cloud and velocity vector of fluid in different sections of SX mixing unit

在速度矢量圖中，流體在上、下相鄰2排橫條間的流動方向由橫條與軸線偏移的方向決定，當(dāng)橫條在軸線左45°時流體向左流動，反之向右流動。由于流體的反向分層流動，使得流體在橫條交錯的地方產(chǎn)生渦流，在剪切的作用下油水相間互相混合。

根據(jù)以上分析可以得出，SV型和SX型混合單元的混合機(jī)理是由于波紋板和橫條的存在，使流體的流動方向改變并產(chǎn)生渦流，同時渦流也會隨著混合單位截面的變化產(chǎn)生位置的移動，從而實(shí)現(xiàn)油水相的混合。由此可以得出，適當(dāng)增加SV型混合單元的波紋板數(shù)量和SX型混合單元橫條的數(shù)量，可以提高油水相的混合程度。

3.2 水相索特平均直徑d32分布的比較

根據(jù)模擬計算結(jié)果，流體經(jīng)過單個SX和SV型混合單元后水相索特平均直徑d32的分布如表2所示，在混合單元內(nèi)粒徑較大的液滴會被分割成小液滴，同時小液滴也會相互碰撞聚合成較大液滴，流體經(jīng)過單個SX型和SV型混合單元后水相液滴尺寸主要分布在0.1～0.5 mm。其中小于0.5 mm粒徑的液滴SV型的占92%，而SX型占83.5%，說明相較于SX型混合單元，流體經(jīng)過SV型混合單元后水相的粒徑更小，流體黏度更大，乳化能力也更強(qiáng)。流體在多個SV型混合單位的乳化作用下，油水相逐漸形成穩(wěn)定的乳膠基質(zhì)。

表2 流體經(jīng)過SX型和SV型混合單元后水相的d32分布

3.3 壓降的比較

流體沿SX型和SV型混合單元流動的壓力如圖5所示，流體經(jīng)過混合單元時壓力基本呈線性分布，計算得SX型混合單元軸向單位長度的壓降為152 Pa/mm，SV型軸向單位長度壓降為260 Pa/mm，這是因?yàn)榱黧w與SV型混合單元的接觸面積比SX型大，在流動過程中由于摩擦作用消耗的能量更多。

圖5 流體沿SX型和SV型混合單元流動的壓力曲線Fig.5 Pressure curve of fluid along SX type and SV type mixing unit

4 結(jié)論

1)混合機(jī)理是流體通過SV型與SX型混合單元時流動方向改變，并在流場內(nèi)形成大量的漩渦，從而實(shí)現(xiàn)流體的混合，同時渦流也會隨著混合單元截面的變化產(chǎn)生位置的移動。

2)流體經(jīng)過SV型混合單元后水相的索特平均直徑d32比SX型混合單元小，對應(yīng)流體黏度更大，得出SV型混合單元的乳化效果更強(qiáng)。

3)流體在流經(jīng)SV型混合單元時軸向單位長度的壓降比SX型混合單元大，消耗的能量更多。