CN1023379C

CN1023379C - 乳化方法

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Publication number: CN1023379C
Application number: CN88108706.8A
Authority: CN
Inventors: 雷蒙·奥利弗; 杰里米·盖伊·布雷威尔·史密夫; 福尔图纳托·维拉马尼亚
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1988-12-17
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2003-12-17
Also published as: CN1034492A

Abstract

从一种液态有机燃料介质及一种不溶混的液态氧化剂制备多相乳液炸药所用的装置，该装置包含一个混合室5；液流收缩装置8、9，它能从一种高速湍流喷射的方式把液态氧化剂导入混合室并使之在混合室内原处形成所说氧化剂的液滴；一个用来把燃料油介质导入混合室的装置10，它能使被导入的燃料油与刚好形成的氧化剂液滴相接触并能使它们稳定，因此使这些氧化剂液体保持在分散液滴的状态，这样就生产出一种适用于作爆炸体系基料的乳液。

Description

本发明涉及内相为大体积的油包水型乳液的生产。更确切地说，是涉及用作炸药体系基料的乳液的连续生产的装置和方法。

乳液是两种或多种不溶混液体的混合物，即一种液体以液滴的形式存在于另一种液体中。在工业应用中，乳液通常包含油，这油分散在水基的外相中，或者水相分散在油基的外相中。这两类乳液通常被称为水包油乳液和油包水乳液。这些乳液，在下文将以油/水乳液来表示。

乳液在广泛的工业领域里获得应用，例如食品、化妆品、涂料与制药、农药、清洗剂组合物、纺织与皮革、金属处理、工业炸药以及油类的精炼等。可以把乳液制成各种不同的类型和使其具有不同的稠度。这些类型的变化，可以从乳液中两相比例大致相等变到乳液中的一相含量可达总量的90%或更多。同样地，根据预定的用途，乳液中分散相的液滴大小可以在很广的范围内变化。在诸多因素中，乳液的液滴大小尤其与它的制备方法、两相的粘度以及所使用的乳化剂类型和用量有关。结果，乳液可以是稀得像流体一样，或者是稠得像浆糊一样。当内相和外相的比例变更时，乳液的粘度通常随之变化。当内相的比例增加到总量的50%以上时，乳液的粘度就增加，以致于乳液不再呈流体状。因此，借助改变内相和外相比例的方法就可制出稠度各异的用于各种专门目的的乳液。

用于生产油/水乳液的装置包括任何一类这样的部件，这类部件能把内相破碎，并把破碎所获的液滴分散到整个外相中。通常用于生产乳液的装置可以产生一种强烈搅拌作用、一种鼓气作用以及螺旋桨及叶轮的搅动作用。胶体磨、均化器和超声波发生器等也被广泛采用。也可以结合使用两种或两种以上的上述方法。合适的乳化设备的选择将取决于该生产阶段中的混合物的表观粘度，所需的机械能量，对热转换的要求，以及，特别是取决于生产内相为大体积的油包水乳液的设备能力。设备的选择也将取决于经济的和安全的因素。

对于许多工业应用，希望以连续的方式来生产乳液。在连续生产中，按成品乳液中分散相和连续相的比例首先将它们合并或相互混合，再将其连续搅动或剪切。然后按照制备乳液的进料速率来排出成品乳液。对于相对地较粗的、其分散液滴的平均粒径大于10微米（10μm）的乳液，使用中等剪切作用的混合装置就足够了。对于平均粒径为2μm或更小的精细乳液则需要高剪切作用的混合装置。可用于连续生产粗的和细的两种易爆炸的乳液的典型装置是在线或静力混合器，例如SULZER混合器。在在线混合器中，两相发生共混并在高压下被输送通过一系列的通道和小孔，在那里液流被分开又重新合并因而形成乳液。这种混合器例如在Power的美国专利4，441，823号中公开。为了使在线乳化混合器能有效地工作，需要相当大的能量。Ellis等人在美国专利4，491，489号中公开了一种两段连续乳化机的应用，在这种乳化机中，两个或更多的静态混合器用一个喷射室连结起来。Gallagher在美国专利4，416，610号中叙述了一种应用文丘里管的油/水乳化机。Binet等人的美国专利4，472，215号是把一个再循环系统与在线混合器结合起来使用。

虽然所有上述的连续乳化方法和装置有它们的优点，但它们之中没有一种能满意地达到简单、安全、容易维修而又能以最小的能耗来进行作业。况且，当使用多部件的乳化混合器，特别是使用那些应用高剪切作用的混合器来生产敏感的或易爆炸的物料时，总是经常地存在发生事故的危险。另外，由高剪切混合装置所产生的热量对乳液是有害的。况且，高剪切混合器的生产率一般是很有限的，并且投资也常常是高的。

为此，本发明的一个目的是提供一种可以安全地生产用作炸药体系基料的油/水乳液的方法及所用装置，并且这种方法及装置可以克服或改善现有技术的方法和装置的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种能安全地和低能耗地连续生产油/水乳液的方法和装置。

因此，根据本发明提供一种连续生产油/水乳液炸药组合物的方法，该方法是同时地和连续地把连续相组分和不溶混的分散相组分的液流分别导入混合室中，所说的不溶混的分散相组分通过一种湍流发生装置被引入到所说的连续相中，这种湍流发生装置可把所说的不溶混的分散相收缩为很细的液流，以致于当这股液流射入混合室时就可使它本身被打碎而形成所需大小的液滴，所说的湍流发生装置还可使不溶混的分散相以一种流型（flow Pattern）和流速射出，这种流型和流速足以使如此形成的液滴夹带足够量的连续相组分，以使得当这些连续相与所说液滴混合时这些液滴就在连续相中达到稳定状态，因而能连续地制得了所说的乳液。

所说的可引起分散相破碎的装置可以是任何形式的压力雾化器，也就是这样一种装置，其中的液体在压力下被迫通过一个喷嘴，在它排出时就形成了符合于上述目的的适度大小的液滴。

可以肯定，该方法的优点是仅用一个混合步骤即可制得所需乳液，而无需依赖液一液剪切来引起液滴的形成，这样可以避免使用一般所需的昂贵而且能耗大的剪切混合设备。

最好是用这样一种湍流发生装置的喷嘴来把所说的不溶混的分散相的液流缩细，在该装置中通过所说喷嘴的途径的长度（Ln）是短的，也就是小于0.01m，而最好是小于0.005m，使得能以最小的能量损失来达到最大的压力梯度。喷嘴的直径D_O（m）应当根据预定的体积流率Q（m³·S^-1）和所需的液滴大小来选择。可能达到的液滴大小的上限可表示为：

（假设不存在聚结的机制）因此为了使液滴大小不变，如果流速增加，例如增加到7倍，则喷嘴直径应该大约增加到2倍。这里适合于此目的的喷嘴尺寸范围约为0.001m至0.02m，最好是从0.005m至0.015m。

用来使分散相破碎的装置最好是排入混合室的喷嘴，该喷嘴最好是易于替换的，以便对其更换或清洗，该喷嘴应能把液流缩到足够细，以使分散相液流形成湍流，这样可以排出单相分散的液滴，其液滴的大小与喷嘴内所形成的旋涡大小相仿。该装置的优点在于，它可以使一个相在原地破碎并直接地将其送入另一个待混合的相中，这样就可集中能量消耗并可达到十分有效的能量转换。这样，较佳的结构布置保证了局部能耗率（∈）在10⁴至10⁸W/Kg的范围内，而最佳的能耗率为10⁶W/Kg以上。能耗率可以由通过喷嘴小孔的途径长度Ln（m）、液滴通过喷嘴前后的压降VPn（N.m^-2）、连续相的密度ρ_F（kg.m^-3）以及流体的平均速度 U（m.s^-1）来粗略地计算（假定液体的行为属牛顿型），所有这些因素都是能够很容易地测得的。对于锐角边缘的小孔，液滴通过喷嘴的压降可用下面的方程式表示：

P_n＝1/2ρ_F U²（1）

由于 (d)/(dt) （E）＝P＝ (所做的功)/(单位时间) ＝F U和∈＝ (p)/(m)

也就是（W/Kg），因而比能耗率∈可以写成

其中

并由（1）

可得∈＝1/2 U³/L_n

根据本发明，液滴大小的选择应使其平均粒径处于一个窄小的范围，因此绝大多数的液滴的粒径小于8μm，最好约4μm或更小，最小时可达约0.5μm可以始终如一地实现。通常发现，对于所给定的工艺条件，液滴的大小将处于比较窄小的范围内（除了所形成的液滴聚结为占很小比例的液滴外）。例如，为了使分散相的液流能以大约20l/m的流率通过直径4.6mm的小孔，则有

D_max＝13μm这里

而 D平均＝3μm，这里

D_平均≈（U³/∈）^1/4

这里γ＝界面张力（N.m^-1）

C_D＝液滴的阻力系数

ρ_C＝连续相的密度（kg·m^-3）

∈＝比能耗率（W.kg^-1）

U＝连续相的动力学速度（m².S^-1）

这样，可使液滴的大小，也就是所获的乳液产品的细度，由液流的速率和喷嘴小孔的尺寸来控制。分散相的液流基本上是湍流，并且希望它是无向性的湍流。由于液流的这种速度，因而与这些条件有关的主体（bulk）雷诺数（Re）是在从30，000至500，000的范围内，最好是在超过50，000的范围内。每一种液流的流率最好是控制在使连续相对分散相的比例为从3∶97至8∶92的范围内，最好约为6∶94。

更为可取的是，喷嘴能够以一种瞬间的渐扩的薄层形式喷出一股湍流，这样就产生了一个由液滴组成的渐扩部分（“实心圆锥”），并且喷嘴最好能使所说液滴产生或者不产生一种旋转运动。这样的流型可以用喷雾干燥工艺所使用已知的喷嘴来获得。

喷嘴最好装有内部隔板或其他装置，由它们形成一个或多个切线形或螺线形的通道，这样就可使一股径向的（螺旋状的）喷射流与一股直线形渐扩的喷射流重叠，产生一股合成的螺旋状喷射流，这样就可以提高在喷出时迅速形成的液滴的分散度。这种装置的优点在于，这种螺旋状的喷射流在沿着想象的喷射边界上产生一种压力梯度，它促进了连续相的夹带并促进液滴和连续地形成的乳液的混合。

该喷嘴的出口最好是锥角为70°或更小的圆锥形。已经发现，乳液产品的粘度随喷射物流锥角的减小而增加，因此最好使喷嘴的锥角小于30°，并且该系统在操作时的角度最好为15°或更小。如果喷嘴出口的锥角为0°或很小，那么就很易于形成一股平行于轴线的具有较高速度的分散相的狭窄射流，这种射流不能满意地迅速形成乳液;然而，在射流流速受控的情况下，由于其内部固有的相互作用会使射流产生渐扩的途径，这样就有可能完全适合于乳液的生产。

操作压力（喷嘴内的背压）的适合范围为10磅/英寸²至200磅/英寸²，最好为30磅/英寸²至135磅/英寸²或更高，应予注意，所用的压力越高，则可用来产生液滴的能量就越多，所获的乳液也越细以及产品的粘度也越大，但是对于一般的用途来说，似乎没有必要把压力提高到160磅/英寸²以上。

通过喷嘴的线性流速通常为5至40ms^-1而所获液滴的平均粒径为7至10μm，最小可达1μm或更小。

上述的较佳喷嘴的特征在于它具有短的和狭小的收敛管道，这样就使得分散相的液流在一个高压力梯度的条件下迅速通过喷嘴的收敛管道。已对多种喷嘴进行过试验并且找到了适合于本发明目的的喷嘴，它们是市售的（喷射设备公司，Wheaton，Illinois，U.S.A.）并由表1所规定的那些喷嘴。

表1

喷嘴型号小孔直径锥角在75磅/英寸²压力下的

（mm）额定生产能力（升/分）

1/2 H25 4.6 61-67° 21

3/8 H27W 4.7 106-121° 22

3/4 H4 6.4 63-67° 40

3/4 H7 9.5 84-92° 70

1H15280 9.9 15° 127

1H30300 10.5 30° 132

1 1/4 H10 9.6 61-67° 100

1 1/2 H16 12.7 67-74° 153

应适当地选择混合室的尺寸，以尽量减少液滴对混合室器壁的碰撞，借此避免液滴在达到它的稳定状态以前发生聚结。换句话说，液滴的形成及其开始分散的区域应远离边界的表面。通常，混合室是一个两端带有可装卸的端挡板的圆柱形容器，其中的一端安装有用于连续地取走乳液产品的装置。虽然最好是连续地取走产品，但也可在一段选定的时间间隔内分批地取走批量的产品，时间间隔的选择要取决于混合室的容量和乳液的生产速率。后面的一种情况在下文中也被称为“连续”生产。混合室可以做成能产出散装乳液的装置的部件，但在需要一种袋装产品时也可以做成一种固定式装置的部件。假如一种易爆的乳液组合物在其使用之前需要借助以下方法敏化时，例如借助充气或加入一种密封的“中空”物料（例如玻璃微球）或加入一种诸如铝等的颗粒物质，这时乳化设备就可把出料直接排到适当的后续处理步骤。但是，在采用化学充气的情况，采用本发明的方法可使分散相（水溶液）在喷嘴处和在混合室中的乳液形成区域的停留时间变短，这就有可能在水相通过喷嘴之前将化学充气反应剂（例如亚硝酸钠）掺进去。此外，由于本发明的方法可以只用一种相当小的设备（例如，一个直径为6～10英寸的混合室）即可达到很高的生产速率。因此有可能采用一种手工操作的乳液生产装置。

最好使连续相液流（油加表面活性剂）通过一根导管直接加进混合室内液滴从喷嘴喷出的区域，该区域既要处于喷嘴的附近，又要使它与喷嘴保持必要的间隔，使能做到既可尽量减小液滴的聚结又可使连续相液流被喷出的液滴所夹带。一种适宜的方案是把喷嘴安装在被称为混合室的圆柱形容器的端壁中心处，同时使一根用来加入连续相的导管穿过圆柱形的器壁并在喷嘴的附近位置进料，这样就使得所说的连续相液流与从喷嘴出来的液滴相接触并随之进入连续地生成的乳液中。

很明显，在稳态的操作条件下所形成的液滴将与已形成的富含连续相的乳液相遇。在起动时，混合室内装的可能是连续相或是预先形成的乳液或者是二者的混合物。连续相的液流可能是纯粹的油或是一种富油的预先形成的乳液。

同样地很明显，为要产品稳定，必须存在合适的表面活性剂（“乳化剂”），可以将其以油或以连续相的溶液形式加入。适合于特定乳化体系的乳化剂在工艺上是已知的，适用于乳液炸药组合物的乳化剂有脱水山梨醇酯（单油酸酯或倍半油酸酯;分别表示为SMO和SSO）以及聚异丁烯琥珀酐（PIBSA）与一种亲水首基的反应产物，这种亲水首基的例子有乙醇胺或取代的乙醇胺，例如在EP-A-O155880中所公开的单乙醇胺和二乙醇胺。在本发明的方法中最优选的乳化剂是由一种PIBSA为基料的乳化剂（它能提供长期贮存稳定性）和一种诸如脱水山梨醇酯等的较常用的乳化剂（它能使液滴迅速达到稳定状态并能防止任何液滴的聚结倾向）的混合物。

通入混合室的连续相的一个或多个进料点皆是可以调节的，它既可以调成横向进料（即与混合室的长度方向成直角），又可调成纵向进料（即沿着混合室的长度方向），然而最好不采用纵向进料，因为这样可能在某些部位不能使连续相被充分地夹带（返混），因而也就不能生成乳液。考虑到使用一个喷嘴即能达到满意的乳液生产速率，故似乎没有必要使用多个分散相的喷嘴，但在实际的装置中仍可以考虑使用多个喷嘴。

本发明的一个较佳方面是提供了一种可生产多相乳液炸药的方法，该方法包括形成一种含氧化剂组分的分散相的湍流喷射，该射流的雷诺数约大于50，000，这时产生的液滴直径可在1至10μm的范围内，然后在乳化剂存在的条件下使该射流在液滴形成区域连续地与有机燃料油的连续相接触，所说乳化剂的用量应足以使液滴达到稳定状态并能维持乳液的连续形成。

最好是使绝大多数的液滴大小对于袋装产品来说为1～2μm，而对散装的产品则为3～5μm。“大小”一词表示液滴的平均直径。

我们已经发现，当在约为10～50公斤/分或更低的低流率条件下操作时，为了生产一种和高流率条件下所获乳液特征相同的低燃料（油）含量的乳液，最好是在混合室内形成乳液的途径中设置一个收缩部分，该收缩部分处于乳液从混合室取出的位置之前，这样可限制乳液从混合室流出的流率。方便的方法是将所说的收缩部分设置在混合室端壁的一个出口处，让形成的乳液通过该收缩部分排出。观察结果表明，对于低油含量的乳液来说该收缩部分可在低流率的条件下改善乳液的形成。例如，使用一个2英寸（50mm）直径的混合室，它的出口直径为 1/2 英寸（13mm），用该设备可以制得一种含油量低于7%（重量）的乳液，这种乳液不会出现渗水现象，也不发现有未被包裹的溶液。然而，当在低流率的条件下制造一种含油大于7%（重量）的乳液时，所说的收缩部分就可用或不用，因为在此情况下应用这一收缩部分并未使这种乳液得到明显的改善。

虽然此处并不希望作任何理论上的解释，但是可以认为，该收缩部分可以在混合室内引起很大程度的返混或产生一种湍流，这种作用足以使任何尚未被乳化的溶液被包裹进去。

本发明还提供一种这样的装置，它可用含有乳化剂的液体有机燃料及不相溶混的液体氧化剂来生产一种多相乳液炸药，该装置包含一个混合室;一个流体收缩装置，它用来把液体氧化剂作为一股湍流喷射入所说混合室中，并因此在混合室中原地形成所说氧化剂的液滴;还包含一个把燃料介质引入所说混合室的装置，以此方式使得在氧化剂溶液的液滴一旦形成就与引入的燃料油介质接触并使这些液滴稳定，因而把这些氧化剂的液滴保持在分散状态，这样就能得到一种可用作爆炸体系基料的合适乳液。

在现有技术中，利用把一个相喷射入另一个相的方法的乳化装置（例如，美国专利4，491，489号）的作用是在两相之间形成一个速度梯度，这种作用产生一种剪切力，因而可以形成很多的细液滴。除非使用很特殊的条件，否则通常这种剪切力不能产生十分细的液滴。为了得到细小而稳定的乳液，通常在经过液/液剪切处理之后还必须加一个细分的步骤（例如一种在线混合器）。而在本发明的方法中，不需依赖于两相间的速度梯度的作用以及后续的液/液剪切步骤。替代的方法是单由分散相物料来形成细液滴，而这些液滴在形成后即能分散到整个连续相的物料中。雾化的程度，亦即是分散相液滴的大小可以用选择适当的雾化喷嘴来调节。所获分散相颗粒或液滴的粒径分布范围是很窄的。

现在借助下面实施例并参考附图来进一步描述本发明，其中：

图1是本发明的乳化装置的一个具体实例的剖面图;

图2是使用本发明的装置和方法连续生产常规乳液的工艺流程简图;

图3是适用于本发明目的的一个喷嘴的剖面图;

图4是一个曲线图，它描述在一个2英寸直径的混合室内，在较低的流率下使用一种模拟（未装炸药）配方时对两个具有窄锥角的喷嘴 3/4 H4 63-70°和 1/2 H25 61-67°的试验结果-在 3/4 H₄喷嘴观察到较高的最小含油量，这可归功于圆柱直径的作用;

图5是一个曲线图，它描述使用有效（live）（装有炸药）配方的对 1/2 H25喷嘴的试验结果;

图6是表示连续相（油/富含油）进料位置改变时所获效果的曲线图。喷射进料器的各个出口位置彼此相隔距离为1英寸（25.4mm），第一个出口尽可能靠近混合室的底部，混合室的直径为6英寸（152.4mm）;

图7是一个曲线图，它表示对有效配方在不同的流率下和用不同的喷嘴（ 3/4 H7和1 1/2 H16）时所观察到的最小含油量;

图8是一个曲线图，它也表示对一种有效配方在不同的流率和用不同的喷嘴（ 3/4 HH25， 3/4 HH4和1 1/2 HH16）时所观察到的最小含油量;

图9示出当用不同的表面活性剂加入被试验的油相（燃料油为基料）时，油相的性质对流程生产能力的影响，以产品的最小含油量对溶液流率作图来表示;

图10与图9相似，只是油相以石蜡为基料;

图11表示使用10英寸直径的混合室与6英寸直径的混合室相比较所获的结果，它表明前者的性能优于后者;

图12和图13表示对各种油相使用硝酸铵-硝酸钙或只用硝酸铵时所能达到的最小含油量。

图14是描述在50℃和75磅/英寸²压力下喷嘴锥角对产品粘度影响的曲线图，即锥角的减小导致产品粘度的增加;

图15是一个曲线图，它描述在相的体积比不变（和射出喷嘴的压力固定为75磅/英寸²）的条件下温度对用70°和30°锥角的喷嘴制得的同一种产品所产生的影响;

图16和图17表示使用具有不同锥角的各种喷嘴时液滴的累积量对液滴直径的关系，条件均为使用有效配方，温度为65℃，通过喷嘴的压力为75磅/英寸²;

图18至21表示使用不同喷嘴（如各图所示）制造产品时SMO（脱水山梨醇单油酸酯）和E₁（单乙醇胺与聚异丁烯琥珀酐的反应产物）二者之间的粘度分布的差异;

图22至26是表明油的进料管从图1所示的中心位置移动时对产品粘度影响的曲线图;

图27至28是表示当使用燃料油为连续相的基料时增加乳化剂（E1或SMO）用量对产品粘度影响的曲线图;以及

图29表示根据本发明改进了的乳化装置的剖面图。

在本发明的装置中可以观察到，分散相的射流在喷嘴出口的大约 0.5mm，通常是在0.2mm的距离内被分裂成液滴的。正如图6所示，如果要使聚结的危险降到最低的限度，则应避免液滴在界面上发生碰撞。因此可以看出，用 3/4 H4喷嘴达到的最低含油量随喷射器位置的改变没有太大的变化，而其所获的结果皆优于用2英寸直径的混合室所取得的结果（见图4）。 3/8 H27W喷嘴的性能明显地劣于 3/4 H4，这是由于液滴碰撞到混合室壁时它们所发生的聚结所引起的。如果使用较大锥角的喷嘴则可以预料，在很短时间内就要发生对侧壁的碰撞。因此，假如液滴在碰撞到侧壁之前尚未能达到稳定状态，则用 3/8 H27W喷嘴（锥角120°）所获结果必将劣于用 3/4 H4喷嘴（锥角65°）所获的结果。

图7所示的结果表明，性能随流率的增加而得到改善。可以推断，对于这种特定的喷嘴（ 3/4 H7-锥角85-90°）在6英寸直径的圆柱形混合室内，在较低的流率（能量密度）下，聚结是主要的影响。当能量密度增加时，它的影响就可克服聚结作用的影响。

油相的性质对工艺生产能力的影响示于图9和图10。通常，以燃料油为基料的产品的最低含油量低于以石蜡油为基料的产品。所有类型的产品都能制成≤5%（重量）的油相含量。

从图27和图28可以看出，E₁（乳化剂）浓度的增加对产品粘度的影响是明显的，可用这些结果与SMO作一对比。根据对每个分子表面积测定来估算，把E1对燃料油之比改变到1.3∶5。这时粘度的增加是极明显的，其粘度值还略高于用SMO所获得的粘度值。用1∶5的SMO∶燃料油和1.3∶5的E1∶燃料油制备的乳液的液滴大小是大致相等的。

实施例1

把一种由73%AN、1.46%SN和12.5%H₂O组成的氧化剂组合物在90℃下搅拌制得一种预混合液。把一种由16.7%脱水山梨醇单油酸酯、33.3%微晶蜡、33.3%石蜡和16.7%石蜡油组成的混合物在85℃下搅拌制得油相预混合液。把油相预混合液以每分钟2.3升的流率连续泵入一个4英寸（100mm）直径的圆柱形混合室（例如图1所示）。15秒后把氧化剂溶液以每分钟20升的流率连续通过一个 1/2 英寸（13mm）的H25喷嘴（喷射系统公司有售）在75磅/英寸²（5.17×10⁵Pa）压力下泵入混合室。溶液的线性速度为20mS^-1，氧化剂溶液对油相之重量比为94∶6。立即发生乳化，所获的乳液的平均液滴大小为3μm，而最大的液滴大小为12μm。

实施例2-7

把一种由67%AN、17%SN和16%H₂O组成的氧化剂组合物在80℃下搅拌，制得一种预混合液。把一种由16.7%脱水山梨醇单油酸酯和83.3%石蜡油组成的组合物在30℃下搅拌，制得油相预混合液。按实施例1的方法，用6英寸（153mm）直径的圆柱形混合室以表Ⅱ所列条件进行操作，获得满意的乳化效果。

表Ⅱ

实施例编号 2 3 4 5 6 7

溶液的流率 20 38 110 127 134 153

l.min^-1

喷嘴类型 H25 H4 H16 H16 H16 H16

（入口直径） 0.5 0.75 1.5 1.5 1.5 1.5

英寸^＊

（mm）（13）（19）（38）（38）（38）（38）

（出口直径）

英寸^＊0.2 0.3 0.5 0.5 0.5 0.5

（mm）（4.6）（6.4）（12.7）（12.7）（12.7）（12.7）

锥角 61-67° 63-70° 67-74° 67-74° 67-74° 67-74°

溶液线

性速度 20 20 14.4 16.5 17.5 20

m·S^-1

喷嘴压力

磅/英寸²75 75 30 50 65 75

（×10⁵Pa）（5.2）（5.2）（2.1）（3.4）（4.5）（5.2）

最小含油量 2.9 3.4 4.7 4.7 4.7 4.7

%（重量）

在6%油相

时的平均

液滴大小 3 3 12 9 7 5

μm

^＊大致尺寸

最小含油量是指含油量低于此值时不能产生乳化作用的乳液含油量。

实施例8至10

使用如实施例2至6中所用相同的氧化剂预混合液和油相预混合液，仿照实施例1的方法，在2英寸直径的混合室中进行乳化，使用入口直径为0.5英寸（13mm），出口直径为0.2英寸（4.6mm）的喷嘴（H25型），所用条件列于下面的表Ⅲ。

表Ⅲ

实施例编号 8 9 10

溶液的流率 7 15 20

l·min^-1

溶液的线性 7 15 20

流速

m·S^-1

喷嘴压力 35 45 75

磅/英寸²（2.4）（3.1）（5.2）

（×10⁵Pa）

最小含油量 4.8 4.8 4.8

%（重量）

在4.8%油相

时的平均液滴 12 6 4

大小

μm

下面的表Ⅳ另外提供使用两种不同配方的实施例，这些实施例是在较高的喷嘴背压（高达100磅/英寸²）下，用高达248kg·min^-1的总流率和较高的线性流速（高达30m.s^-1）来进行的，该表中还给出了在各种条件下制得的产品的典型粘度。所有的粘度正如所指明的那样是使用Brookfield粘度计来测定的。

7%燃料油相比为93溶液∶7油相（重量比）

组合物A：AN/H₂O 62°f（AN∶H₂O，81∶19）

柴油/E2（50%活性剂）/Arlacel C

（3.3∶1.4∶0.7）

E2（二乙醇胺/PIBSA）作为50%的活性剂在柴油中

Arlacel C＝脱水山梨醇油酸酯

组合物B：AN/H₂O 62°f（AN∶H₂O，81∶19）

ISOPar/E2（50%活性剂）/Arlacel C

（3.3∶1.4∶0.7）

ISOPar是一种轻石蜡油

表Ⅳ

组合物 A A A A B B B

喷嘴类型 HH16 H10 H10 H10 HH16 HH16 HH16

速度m·S^-122 30 27.6 25 20 17.5 25

Q溶液

l.min^-1169 130 120 110 152 134 108

Q油

l.min^-120.4 15.9 14.8 13.5 19.13 16.5 14.0

P溶液

磅/英寸²85 100 95 95 70 50 30

%油 6.7 6.8 6.9 6.8 7.1 6.9 7.2

总排出量

kg.min^-1248 191 176 162 222 195 158

Brookfield

粘度80℃

6 10rpm 18500 26200 25400 22000 18300 11600 9000

7

50rpm 6400 9360 8800 7600 6000 4800 3040

60℃

6

10rm 23500 32000 30500 27500 18500 14200 9500

7

50rm 8000 12400 11400 11300 7600 9200 4000

在图1示出一个乳化装置，通常以1表示，它是由一个圆柱形管2，上端挡板3和下端挡板4所组成。当按图装配好后，管2和挡板3及挡板4就构成了混合室5。这套装置可以这样装配起来，例如通过几根螺杆6并用螺母7固定之。在下端挡板4的中央是一个雾化喷嘴8，喷嘴8内有一个窄通道9。有一个入口管10安装在混合室5的侧壁并通过管2。这入口管既可调为横向（即与管2的纵轴成直角方向）也可调为纵向（即沿管2长度的方向）。位于上端挡板3内有一个出口或排出口 11。

乳化装置1能以足够的速度把分散相组分的湍流或液滴流喷入连续相内部，以产生乳化作用。连续相组分通过入口管10连续地通入混合室5中，在入口管10处，连续相组分被分散相组分的高速雾化液流或喷射流所夹带，分散相组分是通过喷嘴8内的窄通道9连续地通入混合室5中的。这两相的互相混合就形成了乳液，这乳液所含的液滴可以小到2微米或更小。

为使组成乳液的两相组分达到最佳的乳化，可用试凑法来对几种可变因素进行调节，以获得所要的最终产品。混合室5的直径，通过喷嘴窄通道9射入混合室5的雾化液流的速度，由喷嘴8所提供的射流类型或角度以及入口管10的位置等，都可以调节使之能获得一种平均液滴大小约为2μm的所需要的最终产品。

通常，这些因素可用实验的方法来测定，而这些因素与每一相中所使用的物料类型直接有关。例如，使用粘性较小的连续相时所确定的参数将不同于那些使用较稠或较粘的连续相时所确定的参数。

装置的结构材料，虽然可以使用硬塑料材料，例如PVC，但最好是使用耐腐蚀的金属，例如不锈钢。而端挡板3和4可以永久地固定到圆柱形管2上，但为了清洗和检查混合室5的内部最好把挡板3和4做成可装卸的。喷嘴8做成易于更换的，例如将它的一端车上螺纹，以便旋入端挡板4上的螺孔，而将它的另一端做成能适应装卸工具的形状，例如做成六角形，以便用扳手或套筒来装卸。

在本技术领域众所周知，乳化试剂或“乳化剂”被加入这一相或那一相中，以便促进液滴的分散和维持乳液的物理稳定性。乳化剂的选择，将由其最终的用途或应用来决定，并且许多选择方法都为本专业的技术人员所熟悉。

在使用本发明的装置生产燃料油包水的乳液炸药中，燃料油的组分，例如，84%（重量）的燃料油和16%（重量）的诸如脱水山梨醇单油酸酯等表面活性剂的热混合料，通过入口管10被作为已测量容积的液流通入混合室5。当达到稳流时，把一种热的、饱和的或低于饱和的盐类氧化剂（诸如硝酸铵）的水溶液，通过喷嘴8以高速度的雾化喷射流通入混合室5中，分别调节油/表面活性剂相和盐的水溶液相的流率，以使油/表面活性剂相对盐溶液相的重量比是从3∶97到8∶92，这是在燃料油包水的乳液炸药中燃料油对氧化剂的典型比例或范围。当乳化混合物在混合室5内生产时，它的容积不断增加直到有一股液流从出口11处流出时为止。

除非在非常密封和明显增压的条件下，否则从混合室5通过出口11排出的油包水乳液炸药对于起爆是不敏感的，因而，通常不是一种商业上有用的产品。为了把产品转变为或者是非雷管敏感型起爆剂，或者是小直径的雷管敏感型起爆剂，从混合室5输送出的乳液必须进一步处理以向其中加进一种敏化剂，例如，特别是含孔隙的物质，诸如玻璃或树脂的微球，或者是借助把空气或其它气体的分离气泡分散到整个炸药体系中去。

现在参考图2来叙述利用本发明的新颖的乳化方法和装置来生产易爆的乳液炸药组合物的方法。组合物的油相或燃料油相可以包括各种饱和烃或不饱和烃，例如石油、植物油、矿物油、二硝基甲苯或它们的混合物。也可以把适量的石蜡加入燃料油相中。这样的燃料油相贮存于存贮槽40中，存贮槽经常加热以维持燃料油相的流动性。借助泵42把燃料油通过导管41打入乳化装置1中。把一种乳化剂，例如，脱水山梨醇单油酸酯、脱水山梨醇倍半油酸酯或AlkatergeT（Reg TM）按比例地加入到存贮槽40内的燃料油相中。通常加入的乳化剂的量大约为组合物总重量的0.4～4%。借助泵44把含氧化剂盐70%（重量）或更多的水溶液从加热槽或存贮槽43通过导管45打入乳化装置1，所说的氧化剂盐类选自硝酸铵、碱和碱土金属硝酸盐和高氯酸盐、硝酸胺或它们的混合物。把水相维持在过饱和状态。燃料油相和水相的流率通常可借助观察流量指示器46和47来调节，以使所获的混合物具有所希望的高比例的相比，例如92-97%（重量）的水相对3～8%（重量）的燃料油相。把在乳化装置1中连续混合并乳化好了的燃料油组分和盐溶液组分通过导管48压送至存贮槽49。用泵51把乳化混合物通过导管50从存贮槽49取出，然后送进搅拌机52。在搅拌机中，借助加入来自料槽53的微球或含孔隙的物料把最终产品的密度加以调节。添加的物料，诸如细铝粉，也可从料槽54和55加入到搅拌机52中。最终产品是一种敏感的乳液炸药，可以把它从搅拌机52输送入炮眼中作为散装炸药，或者送去包装作业。

在本发明的另一个实施例的装置中，如图29中所示，改进型的乳化装置包含有10英寸（254mm）直径的圆柱形容器12，其上有可装卸的端挡板13和14，由它们构成了一个封闭的混合室15，它用于接收不溶混的氧化剂液体，这些液体以约10公斤/分的流率通过雾化喷嘴18的一个短的窄通道19排进所说的混合室中，一种有机燃料油介质经由一个位于侧壁21的进口管20进入，以使得它们被氧化剂的雾状喷射流所夹带，以形成稳定的乳液，该乳液在限定的流量条件下经由一个2英寸（50mm）直径的出口31从混合室中排出。

除了在10英寸直径的混合室中使用2英寸的排出口获得好结果外，在2英寸的直径的混合室中使用 1/2 英寸的排出口也获得了良好的结果。使用 3/8 英寸（9.5mm）或 1/4 英寸（6.4mm）的排出口配合2英寸直径的混合室进行试验，也分别获得了满意的结果。

在该改进型装置中试验的配方与上文所叙述的相类似，它们通常包含有一种含水的氧化剂分散相，诸如AN/SN，并带有一种乳化剂诸如脱水山梨醇单油酸酯，以及一种有机燃料油的连续相，诸如石蜡/石蜡油。

本发明的一个极大的优点是打碎和分散所需的时间非常短，这意味着液滴的产生不取决于外相的条件。

Claims

1、一种连续生产油/水乳液炸药组合物的方法，该方法的特征在于，同时地和连续地把一种连续相组分和一种不溶混的分散相组分的液流分别地通入一个混合室中，不溶混的分散相组分通过一个湍流发生装置被导入连续相中，湍流发生装置把不溶混的分散相收缩为很细的液流，以致于当它在刚射入混合室时就使它本身被打碎而形成所希望大小的细液滴，另外此湍流发生装置还可以使不溶混的分散相以一种流型和流速射出，这种流型和流速足以使如此形成的液滴夹带足够量的连续相组分，以使得当这些连续相与液滴混合后就能使液滴在连续相中达到稳定状态，因而能连续地制成乳液。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，引起分散相被打碎的装置包含有一个小孔，分散相在压力下通过该小孔，这种压力足以使分散相在通过小孔后大约0.5mm的范围内形成液滴。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，液滴的形成发生在通过所说的小孔后大约0.2mm的范围之内。

4、根据权利要求1至3的任一项所述的方法，其特征在于，引起分散相被打碎的装置包含有一个用于往混合室中进料的喷嘴，喷嘴的采用是为了收缩液流使在分散相液流中足以引起湍流，以保证排出的是分散了的单相液滴，单相液滴的大小近似于在操作条件下使用时喷嘴内产生的液流旋涡。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，喷嘴有一个渐扩的小孔。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，喷嘴有一个最大为70°的锥角。

7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，喷嘴有一个最大为30°的锥角。

8、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，喷嘴有一个最大为15°的锥角。

9、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，引起所说的不溶混的分散相液流被打碎成为液滴的装置，还能使液滴的流型产生一种旋转运动的功能，这样就促进了连续相与液滴的混合并形成乳液。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，此旋转运动的功能是借助于使分散相液流通过隔板、螺线形通道或正切于小孔的通道排出液滴的方式，来加给这些从进入混合室的液流所形成的液滴。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分散相液流被打碎的装置保证局部单位能耗率（ε）在10至10W/kg的范围内。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，分散相液流被打碎的装置保证局部单位能耗率（ε）在10至10W/kg的范围内。

13、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，连续相和分散相液流的质量流率皆是可调节的，以保证连续相对分散相之重量比在3∶97至8∶92的范围内。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，连续相对分散相之重量比为6∶94左右。

15、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，不溶混的分散相液流通过能使它被打碎成液滴的装置的线性流速为5-40ms。

16、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分散相的组分是以雷诺数为30，000至500，000的无向性湍流射入的。

17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，分散相组分是以雷诺数大于50，000的无向性湍流射入的。

18、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在喷嘴中的操作压力是在10磅/英寸²至200磅/英寸²（0.7×10⁵Pa至13.8×10⁵Pa）的范围内。

19、根据权利要求18所述的方法，其特征在于，喷嘴中的操作压力是在从30磅/英寸²至135磅/英寸²（2.1×10⁵至9.3×10⁵Pa）的范围内。

20、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，连续相是经由一根插入混合室一段合适距离的管被导入的，所说的这段距离足以保证连续相与分散相在液滴形成区域相接触，但是它本身不进入所说的区域，这样就避免了由于液滴与管端相接触或被管端阻挡而发生液滴聚结。

21、根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所说的管插入混合室的程度是可以调节的。

22、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在混合室中形成的乳液经由一个带有收缩部分的装置从混合室排出，该装置限制着从混合室中流出的乳液流量。

23、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还有一个把敏化剂或添加的燃料油组分与乳液混合的后续步骤。

24、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其连续相包括一种富油相，该富油相中含有作为表面活性剂的脱水山梨醇酯和/或乙醇胺与聚异丁烯琥珀酐（PIBSA）的反应产物。

25、根据权利要求24所述的方法，其特征在于，至少一表面活性剂是一种乙醇胺与聚异丁烯琥珀酐的反应产物。

26、一种油/水乳液炸药组合物的连续生产方法，其特征在于包括一个非剪切型湍流的混合步骤，以使打碎的分散相形成细液滴。

27、一种生产多相乳液炸药的方法，其特征在于，产生一种分散相氧化剂组分的湍流喷射;使该射流的雷诺数大于50，000，以产生平均大小为1-10μm直径的液滴，并且所说的射流在液滴形成区域连续地与一种有机燃料油连续相介质接触，燃料油的量应足以使液滴稳定以及保持连续地形成所获乳液。