NO171449B - Fremgangsmaate for kontinuerlig fremstilling av olje-i-vann-emulsjonssprengstoff - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder fremstillingen av en olje-i-vann-emulsjonssprengstoffblanding. Mer spesielt gjelder oppfinnelsen en fremgangsmåte for kontinuerlig fremstilling av emulsjoner som er anvendbare som basis for et sprengstoffsystem.

En emulsjon er en blanding av to eller flere ublandbare væsker, idet den ene av væskene foreligger i den andre væsken i form av fine, små dråper. I industrielle anvendelser omfatter emulsjoner generelt olje som er dispergert i en vandig,

ytre fase eller en vandig fase dispergert i eh ytre oljefase. Disse emulsjoner er generelt kjent som olje-i-vann-emulsjoner

og vann-i-olje-emulsjoner. Disse emulsjonene vil heretter generelt bli referert til som olje/vann-emulsjoner.

Emulsjoner brukes i et bredt område av industrielle anvendelser, f.eks. i næringsmidler, kosmetika, malinger og farmasøytika, jordbrukskjemikalier, renseblandinger, tekstil og lær, metallbehandling, kommersielle sprengstoffer og olje-raffinering. Emulsjoner kan fremstilles i mange forskjellige former eller konsistenser. Disse former varierer fra emulsjoner der de to fasene kan være i omtrent like forhold til emulsjoner der én fase kan omfatte 90% eller mer av det tota-

le. Avhengig av den tenkte sluttanvendelsen for emulsjonen kan den dispergerte fasens partikkelstørrelse på tilsvarende måte variere meget. En flytende emulsjons partikkelstørrelse er blant annet relatert til dens fremstillingsmetode, til visko-siteten i de forskjellige fasene og til typen og mengden av emulgeringsmiddel som anvendes. Som en følge av dette kan emulsjoner være meget tynne og fluid-lignende, eller kan være meget tykke og pastalignende. Når forholdet mellom de indre og ytre fasene forandres, forandres generelt emulsjonens viskositet. Når mengden av den indre fasen økes utover 50% av total-volumet, øker emulsjonens viskositet slik at emulsjonen ikke lenger forblir fluid. Ved å modifisere forholdet mellom indre og ytre faser, kan det således fremstilles et bredt område av konsistenser for spesielle sluttanvendelser.

Det apparat som anvendes for å fremstille olje/vann-emuls joner omfatter en hvilken som helst anordning som vil bryte opp den indre fasebestanddelen og dispergere de resulterende partiklene i den ytre fasen. Blant de typer av appara-ter som normalt anvendes ved fremstilling av emulsjoner, er de som meddeler en kraftig rørevirkning, en luftevirkning og en propell- og turbinomrøring. Bruken av kolloidmøller, homogeni-seringsapparater eller ultralydapparater er også vanlig. Kombinasjoner av to eller flere av disse metodene kan også anvendes. Valget av det passende emulgeringsutstyret vil avhenge av blandingens tilsynelatende viskositet i dens frem-stillingstrinn, mengden av mekanisk energi som kreves, varme-vekslerbehovene og spesielt utstyrets evne til å produsere en vann-i-olje-emulsjon med høy indre fase. Valget av utstyr vil også avhenge av økonomiske og sikkerhetsfaktorer.

For mange industrielle anvendelser er fremstillingen av emulsjoner på kontinuerlig basis ønskelig. I kontinuerlig fremstilling kombineres eller blandes først sammen propor-sjonerte mengder av den diskontinuerlige fasen og den kontinuerlige fasen i den emulsjonen som skal oppnås, og utsettes så for kontinuerlig omrøring eller skjærkraft. Den resulterende emulsjonen fjernes så kontinuerlig med den hastighet, med hvilken den dannes. For relativt grove emulsjoner hvor den gjennomsnittlige partikkelstørrelsen til de dispergerte dråpene er større enn ca. 10 nia., er et blandeapparat med moderat skjærkraft tilstrekkelig. For meget fine emulsjoner med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 2 lira eller mindre, kreves blanding med høy skjærkraft. Typisk for det apparat som anvendes for den kontinuerlige fremstillingen av både grove og fine sprengstoffemulsjoner er in line- eller den statiske blanderen, som f.eks. SULZER-blanderen. I en in line-blander sammenblandes de to fasene og avleveres under høyt trykk gjennom en serie passasjer eller åpninger der væskestrømmene deles og rekombineres for å danne en emulsjon. En slik blander er f.eks. beskrevet i US-patent 4.441.823. Relativt store mengder energi kreves for effektiv operasjon av en emulgerende in line-blander. I US-patent 4.491.489 beskrives bruken av en to-trinns, kontinuerlig emulgeringsanordning hvor to eller flere statiske blandere er kombinert med et injeksjonskammer. I US-patent 4.416.610 beskrives en olje/vann-emulgeringsanordning som gjør bruk av en Venturi-del. I US-patent 4.472.215 anvendes et resirkulasjonssystem i kombinasjon med in line-blandere.

Selv om alle de foran nevnte, kontinuerlige emulgerings-metodene og -apparatene er utmerkede, tilfredsstiller ingen av dem fullstendig behovet for en enkel, sikker, lett vedlike-holdt anordning som kan opereres med et minimum av energitil-førsel. Videre medfører bruken av flerkomponent-emulgerings-blandere, spesielt de som anvender høy skjærkraft, den alltid tilstedeværende risiko for sammenbrudd med derpå følgende fare når det behandles følsomme eller eksplosive materialer. I tillegg er genereringen av varme i blandeanordninger med høy skjærkraft ofte skadelig for emulsjonen. Videre er produk-sjonshastighetene for blandere med høy skjærkraft generelt begrenset og ofte er kapitalinvesteringen høy.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for pålitelig fremstilling av olje/vann-emulsjoner som kan anvendes som en basis for sprengstoff systemer og som unngår eller minsker de kjente ulempene med tidligere kjente metoder.

Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for sikker og energieffektiv fremstilling av olje/vann-emulsjoner på en kontinuerlig basis.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes derfor en fremgangsmåte for kontinuerlig fremstilling av en olje-i-vann-emulsjonssprengstoffblanding, hvilken fremgangsmåte omfatter samtidig og kontinuerlig innføring i et blandekammer av separate, flytende strømmer av en kontinuerlig fasebestanddel inneholdende et overflateaktivt middel, og en ublandbar, diskontinuerlig fasebestanddel, hvor massestrømmen av hver av de kontinuerlige og diskontinuerlige fasestrømmer er justerbare, slik at det tilveiebringes forhold mellom kontinuerlig og diskontinuerlig fase i området på fra 3:97 - 8:92, idet den ublandbare, diskontinuerlige fasebestanddel innføres i den kontinuerlige fase ved hjelp av turbulensinduserende anordninger, som begrenser strømmen av den ublandbare, kontinuerlige fase slik at den oppbrytes for å danne fine dråper av en ønsket størrelse når den kommer ut i blandekammeret, idet den turbulensinduserende anordning videre får den ublandbare, diskontinuerlige fase til å komme ut som en isotropisk, turbulent stråle med Reynolds-tall på fra 30.000 til 500.000, slik at de dråper som dannes på denne måte medfører en tilstrekkelig stor mengde av den kontinuerlige fasebestanddel til å tilveiebringe blanding derav med dråpene, hvorved det oppnås stabilisering av disse i den kontinuerlige fase, slik at emulsjonen på denne måte dannes kontinuerlig.

Den nevnte anordning for å forårsake oppdeling av den diskontinuerlige fasen kan være en hvilken som helst form av trykkforstøver, dvs. en anordning hvor væsker presses under trykk gjennom en åpning for å avgis i form av små dråper av en størrelse som er akseptabel for det formål som er definert her.

Det vil således forstås at denne metoden har den fordel at den ønskede emulsjonen kan fremstilles i bare ett blande-trinn uten å stole på at væske-væskeskjær skal forårsake dråpedannelse og således unngås bruken av de typisk krevede, kostbare og energi-ineffektive skjærblandeanordningene.

Fortrinnsvis begrenses strømmen av den ublandbare, diskontinuerlige fasen ved hjelp av en åpning i den turbulensinduserende anordningen, der veilengden (Ln) gjennom åpningen er kort, dvs. mindre enn 0,01 m og fortrinnsvis mindre enn 0,005 m for å tilveiebringe den største trykkgradienten ved minimale tap av energi. Åpningens diameter DQ (m) skal velges overensstemmende med den ønskede volumstrømningshastigheten Q (m3.s~l) og den ønskede dråpestørrelsen. Det kan vises at den maksimalt mulige dråpestørrelsen

(under antagelse at ingen mekanisme for koalesens foreligger), slik at for konstant dråpestørrelse, dersom strømningshastig-heten økes f.eks. 7 ganger, skal dysediameteren økes omtrent 2

ganger. Egnede åpningsstørrelser for de formål som er angitt her, er i området på ca. 0,001 m til ca. 0,02 m, fortrinnsvis fra 0,005 til ca. 0,015 m.

Fortrinnsvis er den anordning som forårsaker oppdeling av den diskontinuerlige fasen en dyse som tømmer ut i blandekammeret, fordelaktig på en lett erstattelig måte for det formål å bytte eller rense dysen, hvilken dyse er tilpasset til å begrense strømmen tilstrekkelig til å forårsake turbulens i strømmen av diskontinuerlig fase for å tilveiebringe uttømming av dispergerte enkelfasedråper av en størrelse som er sammenlignbar med strømvirvlene i den strøm som skapes inne i dysen i bruk under operasjonsbetingelsene. Fordelen med dette arrangementet er at det tilveiebringes lokalisert opp-brudd av en enkeltfase direkte i en annen blandet fase som forårsaker lokalisert energifordeling og meget effektiv energioverføring. Således tilveiebringer foretrukne arrangementer lokale energispredningshastigheter (e) i området på fra IO4 til IO8 w/kg, idet de mest foretrukne hastighetene er over IO<6> w/kg. Energispredningshastigheten beregnes rutinemessig (forutsatt newtonsk væskeopptreden) fra kjennskapet til veilengden Ln (m) gjennom åpningen i dysen, trykkfallet VPn (N.m~2) over dysen, densiteten pp (kg.m~<3>) for den kontinuerlige fasen og den midlere fluidhastigheten U (m.s-<1>) som alle lett kan måles. Trykkfallet over dysen for en skarpkantet åpning fremgår av følgende ligning: Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse kan det oppnås valgte dråpestørrelser, slik at den gjennomsnittlige dråpe-størrelsen ligger i et smalt område, slik at høye populasjoner av dråper på mindre enn 8 jLtm, fortrinnsvis på ca. 4 /zm eller mindre, ned til ca. 0,5 jum er lett oppnåelige. Vanligvis vil det for et gitt sett av prosessbetingelser foreligge dråpe-størrelser som ligger innenfor et relativt smalt område (bortsett fra en liten mengde dråper som danner seg ved koalesens av dannede dråper). For en strømningshastighet på f.eks. 20 l.m-<1> for den diskontinuerlige fasestrømmen gjennom en åpning med 4,6 mm's diameter er Dmaks = I3 A""*, hvor

hvor 7 = interfasespenning (N.m-1)

Cd = dråpens dragkoeffisient

PC = den kontinuerlige fasens densitet (kg.nr*3)

e = spesifikk energispredningshastighet (w.kg-<1>)

TJ = dynamisk, kontinuerlig fasehastighet (m<2>.s_1)

Således er dråpestørrelsen og derfor også den resulterende produktemulsjonens finhet, regulerbar ved hjelp av strømnings-hastighet og åpningsdimensjoner. Den diskontinuerlige fasens strømning er i det vesentlige turbulent og er ønskelig en isotropisk turbulent strøm. Strømningshastighetene og derfor massereynoldstallene (Re) som er forbundet med disse betingel-sene er i området på fra 30.000 til 500.000, og fortrinnsvis over 50.000. Strømningshastigheten for hver strøm reguleres fortrinnsvis slik at det tilveiebringes forhold mellom kontinuerlig og diskontinuerlig fase i området på fra 3:97 til 8:92, fortrinnsvis omkring 6:94.

Mer foretrukket er dysen én som kan avgi en turbulent strøm som et transient, divergerende ark for å gi et divergerende mønster ("fast kjegle") av dråper og eventuelt meddele et roterende bevegelseselement til dråpene. Slike strømnings-mønstre kan oppnås ved bruk av dyser som er kjent fra spray-tørkeområdet.

Dysen omfatter fortrinnsvis indre ledeplater eller andre midler som avgrenser én eller flere tangentielle eller spiralformede passasjer for å tilveiebringe en radial (spiralformet) utgående strøm lagt oppå en lineær, divergerende strøm for å produsere en resulterende spiralformig strøm som tjener til å øke dispersjonen av dråpene som dannes raskt ved uttømming. Fordelen med dette arrangementet er at den spiralformige strømmen skaper en trykkgradient langs den tenkte jetgrense som letter nedføring av kontinuerlig fase og blanding av dråper med den kontinuerlig dannede emulsjonen.

Dysen har fortrinnsvis en utløpskjeglevinkel på 70° eller mindre. Emulsjonsproduktets viskositet er funnet å stige med minskning av kjeglevinkelen for utgående strøm, slik at dysens kjeglevinkel fortrinnsvis er mindre enn 30° og systemet opererer fordelaktig ved 15° eller mindre. Ved 0° eller meget lave kjeglevinkler for utløpsdysen er det en uttalt tendens til å produsere en kollimert, smal strøm av diskontinuerlig fase ved høyere strømhastigheter, hvilket er utilfredsstillen-de for rask emulsjonsdannelse. Ved regulerte strømhastigheter kan ikke desto mindre de samreaksjoner som innebygget forårsaker divergens av den utgående strømmen, være helt adekvat for emulsj onsdannelse.

Arbeidstrykk (mottrykk i dysen) er passende i området på fra 0,7 til 14 kg/cm<2>, fortrinnsvis 2,1 til 9,5 kg/cm<2>, og mer, i det det må huskes at jo høyere trykk som brukes, jo større energi er tilgjengelig for dråpedannelse, og jo finere blir den resulterende emulsjonen og jo større blir viskosite-ten til produktet, men det er sannsynlig at trykk over 11,2 kg/cm2 vil være unødvendig for normale forhold.

Den lineære fluidhastigheten gjennom dysen er typisk fra 5 til 40 ms-<1> og gjennomsnittlige dråpestørrelser på fra 7 til

10 ned til 1 eller mindre /zm oppnås.

Som nevnt ovenfor er foretrukne dyser karakterisert ved korte og trange innsnevringer, slik at strømmen av diskontinuerlig fase går raskt gjennom dyseinnsnevringen under en høy trykkgradient. Dyser som er testet og funnet egnet for formå-let ifølge foreliggende oppfinnelse er kommersielt tilgjenge-lige (Spraying Systems Co., Wheaton, Illinois, U.S.A, og er identifisert i tabell I.

Fortrinnsvis er blandekammerets dimensjoner slik at

kollisjon av dråper mot veggen i kammeret minskes, for å unngå problemet med koalesens av dråpene før dråpestabilisering. Med andre ord skal sonen for dråpedannelse og begynnende disperge-ring være fjernt fra grenseoverflater. Hensiktsmessig er

blandekammeret er sylindrisk kar med fjernbare endelukkinger, av hvilke den ene har midler for å fjerne kontinuerlig dannet emulsjonsprodukt. Fjerningen av produkt er ønskelig kontinuerlig, men det er mulig å anordne kontinuerlig fjerning av satser av produkt ved valgte intervaller avhengig av blandekammerets kapasitet og produksjonshastighet for emulsjonen. Den sistnevnte muligheten vil omfattes av uttrykket "kontinuerlig" produksjon nedenfor. Blandekammeret kan danne en del av hele emulsjonsproduksjonsutstyret, eller være del av en fast installasjon som når det er ønskelig med et pakket produkt. Dersom det kreves at en sprengstoffemulsjonsblanding skal sensibiliseres ved gassinnføring eller innføring av "hulrom-

holdig" materiale med lukkede celler (f.eks. glassmikro-ballonger) eller skal ha partikkelformig materiale som f.eks. aluminium innblandet før bruk, kan emulgeringsutstyret tømme direkte ut til passende nedstrømsbehandlingstrinn. I tilfelle av kjemisk gasstilførsel, tillater imidlertid den korte opp-holdstiden for den diskontinuerlige fasen (vandig) i dysen og i blandekammeret i området for emulsjonsdannelse, som kan oppnås ved hjelp av foreliggende oppfinnelse, muligheten av å innblande den kjemiske gassdannende reaktanten (f.eks. natriumnitritt) i den vandige fasen før den føres gjennom dysen. I betraktning av den høye produksjonshastigheten som kan oppnås ved hjelp av foreliggende oppfinnelse ved bruk av relativt lite utstyr (f.eks. et kammer med diameter 15-25 cm), kan en manuelt manipulerbar emulsjonsdannelsesinnretning tenkes.

Fortrinnsvis mates også den kontinuerlige fasestrømmen (olje pluss overflateaktivt middel) gjennom et rør som går direkte inn i kammeret i området for dråpeuttømming fra dysen og som befinner seg nær ved, men i tilstrekkelig avstand fra dysen til å minimere koalesens av dråpene mens medføring av den kontinuerlige fasestrømmen i nevnte dråpeuttømming mulig-gjøres. Et passende arrangement er å anordne dysen sentralt i en endevegg i et sylindrisk kar som avgrenser blandekammeret og la røret for uttømming av kontinuerlig fase gå gjennom den sylindriske veggen, slik at det kommer ut i en stilling nær dysen og gjør det mulig for den kontinuerlige fasestrømmen å komme i kontakt med de dråper som avgis av dysen og føres inn i den kontinuerlig dannede emulsjonen.

Det vil være klart at under stabile tilstandsbetingelser for operasjonen vil de dannede dråpene treffe på forhånds-dannet emulsjon som er anriket på kontinuerlig fase. Ved start kan blandekammeret være fylt av kontinuerlig fase, forhånds-dannet emulsjon eller en blanding derav. Strømmen av kontinuerlig fase kan være en ren oljestrøm eller en oljerik, for-håndsblandet emulsjon.

Det skal også forstås at for produktstabilitet vil passende overflateaktive midler ("emulgeringsmidler") være tilstede, og bli innført i løsningen i olje- eller den kontinuerlige fasen. Egnede emulgeringsmidler for gitte emulsjons-systemer er kjent på fagområdet, idet foretrukne emulgeringsmidler for emulsjonssprengstoffblandinger er sorbitanestere (mono- og seskvioleater; henholdsvis SMO og SSO) og reaksjons-produktet mellom polyisobutenylravsyreanhydrid (PIBSA) og en hydrofil endegruppe som f.eks. etanolamin eller substituert etanolamin, f.eks. mono- og dietanolaminer, som f.eks. de som er beskrevet i EP-A-0 155 800. Blandinger av PIBSA-basert emulgeringsmiddel (som gir langvarig lagringsstabilitet) og et mer konvensjonelt emulgeringsmiddel som f.eks. en sorbitan-ester (som gir rask dråpestabilisering og således motstår enhver tendens til dråpekoalesens) er spesielt foretrukket i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Uttømmingspunktet eller -punktene for den kontinuerlige fasen i blandekammeret kan justeres betydelig både sideveis (dvs. i rette vinkler på kammerets lengdedimensjon) og lengde-vis (dvs. langs kammerets lengde) selv om det sannsynligvis vil være en lengdestilling, bortenfor hvilken det vil opptre utilstrekkelig medføring (tilbakeblanding) av kontinuerlig fase, og emulsjonsdannelsen vil bekjempes. I betraktning av det området av hastigheter for emulsjonsdannelse som kan oppnås tilfredsstillende med en enkelt dyse, er det usannsyn-lig at en rekke dyser for den diskontinuerlige fasen kreves eller er ønsket, men praktiske arrangementer med en rekke dyser kan komme i betraktning.

Ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan det fremstilles et flerfase-emulsjonssprengstoff ved å danne en turbulent stråle av en diskontinuerlig fase av en oksyderende bestanddel med et Reynolds-tall som er større enn ca. 50.000 for å fremstille dråper av en utvalgt størrelse innenfor området på fra ca. 1-10 /nm diameter og bringe nevnte stråle kontinuerlig i kontakt med området for dråpedannelse med et kontinuerlig fasemedium i form av organisk brensel i nærvær av et emulgeringsmiddel og i en mengde som er tilstrekkelig til å gi dråpestabilisasjon og understøtte dannelsen av den resulterende emulsjonen.

Mest foretrukket er den overveiende dråpestørrelsen ca. 1-2 fim for et pakket produkt og 3-5 jum for et masseprodukt. "Størrelse" betyr tallmidlere dråpediameter.

Det er funnet at når det arbeides ved lave strømnings-hastigheter, i området på ca. 10-50 kg.min-1 eller mindre, er det ønskelig for å produsere emulsjoner med lavt brensel (olje)-innhold med ekvivalente egenskaper til de som produseres ved høyere strømningsegenskaper, og tilveiebringe en innsnevring i veien for den emulsjon som dannes i kammeret før fjerning av denne emulsjonen fra kammeret for å begrense strømmen av emulsjon som avgis fra kammeret. Hensiktsmessig kan nevnte innsnevring anordnes i en utløpsport i en endevegg av kammeret gjennom hvilken den dannede emulsjonen fjernes. Den observerte effekten av innsnevringen er forbedret emulsjonsdannelse ved lavere strømningshastigheter for emulsjoner med lavere oljeinnhold. Ved bruk av et kammer med diameter på 50 mm med en utløpsport med diameter på 13 mm, er det mulig å fremstille emulsjoner med oljeinnhold på mindre enn 7 vektprosent som ikke oppviser svetting eller innblanding av ufull-stendig løsning. Når det fremstilles en emulsjon med et oljeinnhold på mer enn 7 vektprosent ved lavere strømningshastig-heter, synes imidlertid innsnevringen å være eventuell, siden slike emulsjoner ikke forbedres merkbart når det foreligger en slik innsnevring.

Mens det ikke er ønsket å være bundet til noen teoretisk betraktning på dette tidspunkt, postuleres det at innsnevringen tjener til å indusere en større grad av tilbake-strøm i kammeret eller skape turbulens tilstrekkelig til å innblande en hvilken som helst løsning som ennå ikke er emul-gert.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan gjen-nomføres ved hjelp av et apparat for fremstilling av et flerfase-emulsjonssprengstoff fra et flytende, organisk brenselmedium inneholdende et emulgeringsmiddel og et ublandbart, væskeformig oksyderingsmiddel, og som omfatter et blandekammer, strømningsinnsnevringsanordning for innføring av det flytende oksyderingsmiddelet som en fremkommende, turbulent stråle til nevnte kammer og som forårsaker dannelse av dråper av nevnte oksyderingsmiddel in situ inne i kammeret, anordninger for innføring av brenselmedium til kammeret, slik at det innførte brenselet derved kommer i kontakt med og stabiliserer dråpene av oksyderingsmiddelløsning når de dannes, for å holde disse som adskilte dråper av oksyderende væske og derved tilveiebringe en emulsjon som er egnet for bruk som basis for et sprengstoffsystem.

Ved anvendelse av tidligere kjente emulgeringsapparater, hvor én fase injiseres i en andre fase (se f.eks. US-patent 4.491.489), gjøres det bruk av en hastighetsgradient mellom fasene som tilveiebringer en skjærkraft som danner en serie små dråper. En slik skjærvirkning er generelt ikke i stand til å danne meget fine dråper, bortsett fra under ekstreme betingelser. Normalt må væske/væske-skjærvirkning følges av ytterligere raffinering (f.eks. en in line-blander) for å produsere fine, stabile emulsjoner. I fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse anvendes ingen hastighetsgradient mellom fasene og derav følgende væske/væske-skjærvirkning. Isteden produseres fine dråper fra det diskontinuerlige fasematerialet, hvilke dråper deretter fordeles i det kontinuerlige fasematerialet. Graden av forstøvning og således dråpestørrelsen av den diskontinuerlige fasen, kan justeres ved valg av passende for-støvningsdyse. Partikkel- eller dråpestørrelsefordelingen for den diskontinuerlige fasen er smal.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ytterligere ved hjelp av følgende eksempler og med henvisning til de medfølgende teg-ningene, i hvilke: Fig. 1 i tverrsnitt viser en utførelsesform av emulgeringsapparatet for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 er et flytdiagram av en typisk, kontinuerlig emulsjonsfremstillingsprosess under anvendelse av apparatet som anvendes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. 3 er et snitt gjennom en dyse som er egnet for formålene ifølge foreliggende oppfinnelse,

fig. 4 er et diagram som viser ytelsen til to dyser som har smale kjeglevinkler. 3/4 Hf 63-70° og 1/2 H25 61-67° i et kammer med 5 cm diameter ved relativt lave strømningshastig-heter ved bruk av en blindprøve (ikke-eksplosiv) - de høyere, minimale oljeinnholdene som observeres for 3/4 H4-dysen kan tilbakeføres til virkningen av sylinderdiameteren. Fig. 5 er et diagram som illustrerer ytelsen til 1/2 H25-dysen ved bruk av en virkelig (eksplosiv) blanding. Fig. 6 er et diagram som viser effekten av å forandre stillingen for uttømming av den kontinuerlige fasen (olje/oljerik). Injektorportstillingene hadde en avstand på 2,54 cm fra hverandre, idet den første er så nær som mulig bunnen av blandekammeret, som hadde en diameter på 15,2 cm. Fig. 7 er et diagram som viser de minimale oljeinnhold som observeres for en virkelig blanding med forskjellige strømningshastigheter og med forskjellige dyser (3/4 H7 og 1.1/2 H16). Fig. 8 er et ytterligere diagram som viser de minimale oljeinnholdene som observeres for en sprengstoffblanding med forskjellige strømningshastigheter og med forskjellige dyser (3/4 HH25, 3/4 HH4 og 1.1/2 HH16). Fig. 9 viser effekten av naturen av oljefasen på prosessevnen ved å avsette minimalt oljeinnhold av produkt mot løsningens strømningshastighet, når de oljefaser som testes (brenseloljebasis) inneholder forskjellige overflateaktive midler. Fig. 10 er lik fig. 9, bortsett fra at oljefasen var basert på paraffin. Fig. 11 viser en avsetning av resultater oppnådd ved bruk av et blandekammer med 25 cm diameter sammenlignet med et blandekammer med 15 cm diameter, idet den første viser en forbedret ytelse. Fig. 12 og 13 viser oppnåelige, minimale oljeinnhold for forskjellige oljefaser ved bruk av ammoniumnitrat-kalsium-nitratfaser eller bare ammoniumnitratfaser. Fig. 14 er et diagram som illustrerer effekten av dyse-kjeglevinkel på produktviskositet ved 50°C og 5,25 kg/cm<2>, dvs. en minskning i kjeglevinkel resulterer i en økning i produktviskositet. Fig. 15 er et diagram som illustrerer effekten av tempe-ratur ved konstant fasevolumforhold (og konstant trykk over dysen - 5,25 kg/cm<2>) for samme produkt fremstilt med dyser på 70 og 30° kjeglevinkler. Fig. 16 og 17 viser avsetninger av kumulative dråpe-størrelser mot dråpediameter for forskjellige dyser med forskjellige kjeglevinkler basert på bruk av en sprengstoffblanding ved 65°C og 5,25 kg/cm2 over dysen. Fig. 18-21 viser variasjonene i viskositetsprofiler mellom SMO (sorbitanmonooleat) og El (produkt av monoetanol-amin og polyisobutenylravsyreanhydrid)-baserte produkter fremstilt ved bruk av forskjellige dyser (som vist på hvert diagram). Fig. 22-26 er diagrammer som angir effekten på produktviskositeten ved å flytte oljeinnløpsrøret fra den sentrale stilling som er vist i fig. 1. Fig. 27 og 28 er diagrammer som viser effekten av øket emulgeringsmiddel (El eller SMO) på produktviskositeten, når det anvendes brenselolje som basis for den kontinuerlige fasen. Fig. 29 viser i tverrsnitt et forbedret emulgeringsapparat.

I apparatet som anvendes ved gjennomføring av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse er det observert at den utgående strømmen av diskontinuerlig fase fragmenteres til dråper i løpet av ca. 0,5 mm, typisk i løpet av 0,2 mm fra dyseutgangen. Slik det vises i fig. 6 er det ønskelig å unngå at dråpene skal støte mot grenseoverflater dersom risken for koalesens skal minimeres. Således fremgår det at det minimale oljeinnhold som kan oppnås med 3/4 H4-dysen ikke varierer signifikant med injektorstilling og ble forbedret sammenlignet med det som ble oppnådd med kammeret med 5 cm diameter (kfr. fig. 4). Ytelsen til 3/8 H27W-dysen var signifikant dårligere enn ytelsen til 3/4 H4 og dette kan tilbakeføres til koalesens av dråpene når de støter mot kammerveggen. Ved bruk av dyser med videre kjeglevinkler er det å vente at slag på sideveggen vil finne sted i løpet av kortere tidsperiode. Således vil 3/8 H27W-dysen (kjeglevinkel 120°) gi dårligere resultater enn 3/4 H4-dysen (kjeglevinkel 65°) dersom dråpestabilisasjon ikke har funnet sted før kontakt med sideveggen.

Ved undersøkelse av de resultater som fremgår av fig. 7, synes det å oppstå forbedret ytelse når strømningshastigheten økes. Dette kan bety at for denne spesielle dysen (3/4 H7 - kjeglevinkel 85-90°) i blandekammeret med 15 cm sylinder-diameter, er koalesens den dominerende innvirkning ved lavere strømningshastigheter (energidensiteter). Når energidensiteten økes, dominerer dens virkning koalesensfenomenet.

Virkningen av oljefasens natur og fremgangsmåtens ytelse fremgår av fig. 9 og 10. Generelt var minimale oljeinnhold lavere for brenseloljebaserte produkter enn for paraffinolje-baserte produkter. Alle produkttyper kunne fremstilles med oljefaseinnhold på <5% (i vekt).

Effekten av øket El (emulgeringsmiddel)-konsentrasjon på produktviskositeten fremgår av fig. 27 og 28, hvorved det kan gjøres en sammenligning med SMO. Forholdet mellom El og brenselolje ble forandret til 1,3:5 overensstemmende med antatt overflateareale pr. molekylbestemmelse. En signifikant økning i viskositet fremgikk i den grad at svakt høyere verdi-er enn de som ble oppnådd for SMO ble nedtegnet. Dråpe-størrelser for emulsjon fremstilt med 1:5 SMO:brenselolje og 1,3:5 El:brenselolje var grovt sett ekvivalente.

Eksempel 1

En oksyderingsløsningspremiks inneholdende 73% AN, 14,6% SN og 12,5% H20 ble fremstilt ved å blande ingrediensene ved 90°C. En oljefase omfattende 16,7% sorbitanmonooleat, 33,3% mikrokrys-tallinsk voks, 33,3% paraffinvoks og 16,7% paraffinolje ble fremstilt ved å blande ingrediensene ved 85°C.

Oljefasepremiksen ble kontinuerlig pumpet inn i et sylindrisk blandekammer med 100 mm diameter (som vist i fig. 1) med en hastighet på 2,3 liter pr. minutt. Etter 15 sekunder ble den oksyderende løsningen pumpet med en kontinuerlig strømnings-naai—Lyne u pa x x lci jjx . muiut l. y j tJiuiuiu en n^a-uj&i; pet x-3 aun

(tilgjengelig fra Spray Systems Inc.) ved et trykk på 5,17 x 10* Pa i blandekammeret. Den lineære fluidhastigheten for løsningen var 20 ms*"1 og de respektive forhold mellom oksyderende løsning og oljefase var 94:6 i vekt. Emulgering fant sted øyeblikkelig, og den resulterende emulsjonen hadde en gjennomsnittlig dråpe-størrelse på 3 ym og en maksimal dråpestørrelse på 12 /zm.

Eksempler 2- 7

En oksyderingsløsningspremiks omfattende 67% AN, 17% SN oc 16% H2O ble fremstilt ved å blande ingrediensene ved 80"C. En oljefasepremiks omfattende 16,7% sorbitanmonooleat og 83,3% paraffinolje ble fremstilt ved 30°C. Fremgangsmåten fra eksempe: 1 ble fulgt og tilfredsstillende emulgering ble oppnådd i et sylindrisk blandekammer med diameter på 153 mm under de betinge; ser som er oppført i tabell II nedenfor.

Det minimale oljeinnholdet refererer til det emulsjonsolje-innhold under hvilket emulgering ikke ble gjennomført.

Eksempler 8- 10

Ved bruk av den samme oksyderingsløsningspremiks og oljefasepremiks som i eksempler 2-6, ble emulgering gjennomført i et blandekammer med 5 cm's diameter ved å bruke metoden fra eksempel 1 og anvende en innløpsdiameter på 13 mm, en dyse med utløps-åpningsdiameter på 4,6 mm (type H25) under de betingelser som fremgår av tabell III nedenfor.

Tabell IV nedenfor viser ytterligere eksempler ved bruk av to forskjellige blandinger ved høyere dysemottrykk (opp til 7 kg/cm<2>), med total gjennomgang på opptil 248 kg-min-<1>, høyere lineære fluidhastigheter (opp til 30 m.s~<l>) og indikerer typiske viskositeter i produkter som oppnås under de forskjellige angitte betingelser. Alle viskositeter ble målt med Brookfield viskometer som angitt.

I fig. 1 vises et emulgeringsapparat, generelt betegnet 1, som består av et sylindrisk rør 2, en øvre endelukning 3 og en nedre endelukning 4. Når det er satt sammen som vist, avgrenser røret 2 og lukningene 3 og 4 et kammer 5. Det hele kan f.eks. holdes sammen med bolter 6 som er festet med gjengede muttere 7. Sentralt beliggende i den nedre endelukningen 4 er en forstøv-ningsdyse 8 med en trang passasje. Montert i sideveggen på kammeret 5 er et innløpsrør 10 som går gjennom røret 2. Dette innløpsrøret er justerbart både sideveis (dvs. i rette vinkler på lengdeaksen til røret 2) og på lengden (dvs. langs lengden av røret 2). Anordnet i den øvre endelukningen 3 er en utgang eller en utløpsport 11.

Emulgeringsapparatet 1 er tilpasset til å avgi en turbulent spray eller strøm av dråper av en diskontinuerlig fasebestanddel til legemet av en kontinuerlig fasebestanddel med tilstrekkelig hastighet til å gjennomføre emulgering. Den kontinuerlige fasebestanddelen innføres kontinuerlig i kammeret 5 gjennom innløps-røret 10, hvor den medføres av en forstøvet strøm eller spray av den diskontinuerlige fasebestanddelen med høy hastighet som innføres kontinuerlig i kammeret 5 gjennom passasje 9 i dyse 8. Sammenblandingen av de to fasene danner en emulsjon som kan omfatte partikler med en størrelse så liten som 2 jzm eller mindre.

For å oppnå optimal emulgering av de to fasebestanddelene som omfatter emulsjonen, kan flere variable faktorer justeres ved hjelp av prøve- og feilemetoden for å gi det ønskede sluttproduktet. Diameteren i kammeret 5, hastigheten på den forstøvede strømmen som går inn i kammeret 5 gjennom dysepassasje 9, typen eller vinkelen av spray som oppnås ved hjelp av dyse 8, og beliggenheten av innløpsrøret 10 kan alle manipuleres for å gi et ønsket sluttprodukt i hvilket den tallmidlere dråpestørrelsen er ca. 2 jum.

Generelt vil disse faktorene bli bestemt ved forsøk og vil være direkte relatert til typer av materialer som anvendes i hver av fasene. Bruk av en mindre kontinuerlig fase kan f.eks. diktere parametere som er forskjellige fra parametrene når det anvendes en mer viskøs eller tyngre fase.

Materialet for konstruksjon av apparatet er fortrinnsvis et korrosjonsbestandig metall, som f.eks. rustfritt stål, selv om faste plastmaterialer, som f.eks. PVC, kan anvendes. Mens ende-lukningene 3 og 4 kan være permanent festet til det sylindriske røret 2, foretrekkes det at lukningene 3 og 4 kan fjernes for rensing og inspeksjon av innerkammeret 5. Dysen 8 er hensiktsmessig tilpasset til lett erstatning, f.eks. med en gjenget sylinder for innføring i en tilsvarende gjenget boring i endelukningen 4 og med en motsatt endedel tilpasset til å motta et driwerktøy, f.eks. heksagonale flatjern arrangert til å motta en skrunøkkel eller fatning.

Slik det er vel kjent på fagområdet, innblandes emulgeringsmidler eller "emulgatorer" i én eller annen av fasene for å fremme dråpedispersjon og bibeholde emulsjonens fysikalske stabilitet. Valget av emulgeringsmiddel vil bli diktert av den krevede sluttanvendelsen og mange valg vil være kjente for fagmannen.

Ved fremstilling av et vann-i-brensel-emulsjonssprengstoff ved bruk av apparatet innføres brenselbestanddelen, f.eks. en oppvarmet blanding av 84 vektprosent brenselolje og 16 vektprosent av et overflateaktivt middel, som f.eks. sorbitanmono-oleat, i kammeret 1 som en målt volumstrøm gjennom innløpsrøret 10. Når det er oppnådd en stabil strøm, føres en oppvarmet, mettet eller mindre enn mettet, vandig saltløsning av et oksyderende salt, som f.eks. ammoniumnitrat, inn i kammer 1 som en forstøvet spray med høy hastighet gjennom dyse 8. Strømnings-hastigheten for hver av fasene av olje/overflateaktivt middel og vandig saltløsning justeres slik at vektforholdet mellom fasen av olje/overflateaktivt middel og fasen av saltløsning er fra 3:97 til 8:92, som er et typisk forhold eller område for brensel-til-oksydasjonsmiddel i et vann-i-brensel-emulsjonssprengstoff. Etter hvert som den emulgerte blandingen fremstilles i kammeret 5, øker dens volum inntil det opptrer en utløpsstrøm ved utløpsporten 11.

Bortsett fra under betingelser med meget nær begrensning og tung forsterkning, er det emulgerte, vann-i-olje-sprengstoffet

som avgis fra kammeret 5 gjennom utløpet 11, ufølsomt for ini-tiering og er derfor generelt ikke et kommersielt bruktbart produkt. For å omdanne produktet til enten et ikke-fenghette-følsomt sprengmiddel eller til et fenghette-følsomt sprengstoff med liten diameter, må den emulsjon som avgis fra kammeret 5 behandles ytterligere for innføring av en sensibilisator i

emulsjonen, f.eks. partikkelformig, hulrom-holdig materiale, som f.eks. glass- eller harpiksmikroballonger eller ved dispersjon av adskilte bobler av luft eller gass i sprengstoffet.

Fremgangsmåten for fremstilling av en detonerbar emulsjons-sprengstof f blanding ved bruk av den nye emulger iirgsmetoden og -apparatet, skal nå beskrives med henvisning til fig. 2. Olje-eller brenselfasen i blandingen kan f.eks. omfatte en rekke mettede eller umettede hydrokarboner inkludert petroleumoljer, vegetabilske oljer, mineraloljer, dinitrotoluen eller blandinger av disse. Eventuelt kan det innblandes en mengde voks i brenselfasen. En slik brenselfase lagres i en holdetank 40, hvilken tank ofte oppvarmes for å vedlikeholde fluiditeten i brenselfasen. Brenselet innføres i emulgeringsapparatet 1 gjennom innløps-ledning 41 ved hjelp av en pumpe 42. En emulgator, som f.eks. sorbitanmono-oleat, sorbitansesqui-oleat eller Alkaterge T (registrert varemerke) tilsettes i forhold til brenselfasen i holdetanken 40. Mengden av tilsatt emulgator omfatter generelt fra ca. 0,4-4 vektprosent av totalblandingen. En vandig løsning av oksyderende salt inneholdende 70 vektprosent eller mer av salter valgt fra ammoniumnitrat, alkali- og jordalkalimetallnit-rater og -perklorater, aminnitrater eller blandinger derav, avgis fra en oppvarmet tank eller et reservoar 43 ved hjelp av pumpe 44 til emulgeringsapparatet 41 gjennom ledningsinnløp 45. Den vandige fasen holdes i en overmettet tilstand. Strømningshastig-heten for brenselfasen og den vandige fasen kan justeres ved observasjon av strømningsindikatorer 46 og 47, slik at den resulterende blandingen står i et ønsket høyt faseforhold, typisk f.eks. 92-97 vektprosent av den vandige fasen til 3-8 vektprosent av brenselfasen. Den kontinuerlig blandede og emulgerte brenselbestanddelen og saltløsningbestanddelen i emulgeringsapparatet 1 presses gjennom ledning 48 inn i holdetank 49. Den emulgerte blandingen tas ut fra tank 49 gjennom ledning 50 ved hjelp av pumpe 51 og føres så inn i blanderen 52 der sluttproduktets densitet justeres ved tilsetning av f.eks. mikroballonger eller andre hulrom-holdige materialer fra kilde 53. Tilleggsmateriale, som f.eks. findelt aluminium, kan også tilsettes til blander 52 fra kilder 54 og 55. Fra blander 52 kan sluttproduktet, som er et følsomt emulsjonssprengstoff, avgis til borehullet som et masse-sprengstoff eller til en pakningsoperasjon.

I en ytterligere utførelsesform som illustrert i fig. 29, omfatter apparatet et modifisert emulgeringsapparat et sylindrisk kar 12 med diameter på 154 mm og som har fjernbare endelukninger 13, 14 som begrenser et lukket kammer 15 som mottar en ublandbar oksyderingsvæske med en hastighet på ca. 10 kg.min"1 gjennom en forstøvningsdyse 18 som avgir væsken til kammeret gjennom en trang passasje 19 med kort veilengde og et organisk brenselmedium via et innløpsrør som befinner seg i sideveggen 21 i en stilling som tilveiebringer medføring av brensel i den avgitte strømmen av forstøvet oksyderingsmiddel for å danne en stabilisert emulsjon som forlater kammeret under innskrenkede strømningsbetingelser via utløpsporten 31 på 50 mm.

I tillegg til bruken av en 50 mm utløpsport i et kammer med diameter på 25,4 cm er gode resultater oppnådd med et 12,5 mm utløp i et 50 mm kammer. Arbeid utført ved bruk av utløpspbrter på 9,5 mm og 6,4 mm med kammeret med 50 mm diameter har også vist seg like tilfredsstillende.

Blandinger som er testet i dette modifiserte apparatet er lik de som er beskrevet foran og omfatter generelt en vandig, diskontinuerlig oksyderingsmiddelfase som f.eks. AN/SN med et emulgeringsmiddel som f.eks. sorbitanmono-oleat og en organisk, kontinuerlig brenselfase som f.eks. paraffinvoks/paraffinolje.

En signifikant fordel med oppfinnelsen er at den meget raske oppbrytingen eller desintegreringstiden betyr at dråpe-produksjonen er uavhengig av ytre fasebetingelser.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for kontinuerlig fremstilling av en olje-i-vann-emulsjonssprengstoffblanding, karakterisert ved samtidig og kontinuerlig innføring i et blandekammer av separate, flytende strømmer av en kontinuerlig fasebestanddel inneholdende et overflateaktivt middel, og en ublandbar, diskontinuerlig fasebestanddel, hvor massestrømmen av hver av de kontinuerlige og diskontinuerlige fasestrømmer er justerbare, slik at det tilveiebringes forhold mellom kontinuerlig og diskontinuerlig fase i området på fra 3:97 - 8:92, idet den ublandbare, diskontinuerlige fasebestanddel innføres i den kontinuerlige fase ved hjelp av turbulensinduserende anordninger, som begrenser strømmen av den ublandbare, kontinuerlige fase slik at den oppbrytes for å danne fine dråper av en ønsket størrelse når den kommer ut i blandekammeret, idet den turbulensinduserende anordning videre får den ublandbare, diskontinuerlige fase til å komme ut som en isotropisk, turbulent stråle med Reynolds-tall på fra 30.000 til 500.000, slik at de dråper som dannes på denne måte medfører en tilstrekkelig stor mengde av den kontinuerlige fasebestanddel til å tilveiebringe blanding derav med dråpene, hvorved det oppnås stabilisering av disse i den kontinuerlige fase, slik at emulsjonen på denne måte dannes kontinuerlig.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at anordningen for å forårsake oppbrytning av den diskontinuerlige fase omfatter en åpning, gjennom hvilken den diskontinuerlige fase fås til å passere under trykk som er tilstrekkelig til å forårsake dråpedannelse i løpet av ca. 0,5 mm etter passering gjennom åpningen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at dråpedannelsen foregår innen ca. 0,2 mm etter passering gjennom åpningen.

4. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert vedat det for oppbryting av den ublandbare, diskontinuerlige fasestrøm, for å lette sammenblandingen av den kontinuerlige fase med dråpene og emulsjonsdannelsen, anvendes en anordning som gir et roterende bevegelseselement til strømningsmønsteret av dråper.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det roterende bevegelseselement overføres til dråpene ved å føre den diskontinuerlige fasestrøm gjennom ledeplater, spiralformede passasjer eller en passasje som er tangentiell med en åpning for avgivelse av dråper som dannes fra strømmen inn i blandekaret.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom kontinuerlig og diskontinuerlig fase er omkring 6:94.

7. Fremgangsmåte ifølge-krav 1, karakterisert ved at den diskontinuerlige fasebestanddel innføres som en isotropisk, turbulent strøm med Reynolds-tall på mer enn 50.000.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at inntrengningsgraden for røret i blandekammeret er justerbar.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at et sensibiliseringsmiddel eller en tilleggsbrenselbestanddel deretter blandes med emulsjonen.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at emulsjonen som dannes i blandekammeret fjernes fra kammeret på en styrt måte, slik at strømmen av emulsjon ut av kammeret begrenses.