Asfalto en frío – Produzca asfalto de mayor calidad mediante sonicación

Las emulsiones para asfalto en frío dependen de manera crítica del control de la distribución del tamaño de las gotas, la viscosidad y la estabilidad, al tiempo que se minimiza el aporte de energía necesario para el procesamiento. Los sonicadores Hielscher fragmentan las gotas de forma eficiente, acortan el tiempo de procesamiento y permiten cumplir especificaciones más estrictas con menos tensioactivo y a temperaturas más bajas.
Esta página detalla el mecanismo, el proceso de escalado en tres etapas y las soluciones de ingeniería para servicio intensivo que permiten que los sonicadores Hielscher funcionen de forma fiable en la producción de asfalto en frío.

Por qué utilizar sonicadores para las emulsiones de asfalto en frío

Los principales factores de mejora económica son la reducción del tiempo de residencia, una menor demanda de emulsionante para un mismo tamaño de gota objetivo, una menor amplitud relativa de la distribución de tamaños y, por tanto, una mayor estabilidad durante el almacenamiento, así como la posibilidad de trabajar a una temperatura de proceso más baja. En comparación con los molinos de rotor-estator o coloidales, los ultrasonidos transmiten energía mediante microchorros de cavitación en lugar de mediante el cizallamiento entre la herramienta y el estator, lo que se traduce en una fragmentación más rápida de las gotas para un aporte de energía específica determinado.

• Reducciones de viscosidad medidas de aproximadamente un 20 a un 30 por ciento tras la sonicación, sin modificar la formulación, junto con un desplazamiento hacia gotas de emulsión más pequeñas y más monodispersas.
• Ahorros de tensioactivo del 10 al 30 por ciento para un d90 objetivo y un intervalo de estabilidad determinados, ya que el campo de cavitación puede generar gotas finas.
• Menor tiempo de procesamiento y menor espacio ocupado por los equipos, ya que la sonicación en línea permite alcanzar la viscosidad y el tamaño de gota especificados.
• Temperaturas de mezclado más bajas, lo que reduce el consumo de energía y la exposición de los trabajadores a los humos, en consonancia con las iniciativas de la UE y de EE. UU. para descarbonizar los materiales de pavimentación.

Mecanismo: reducción del tamaño de las gotas y dispersión mediante cavitación

A diferencia del cizallamiento puramente mecánico, la cavitación acústica genera oscilaciones locales de presión de cientos de bar y microchorros con velocidades del orden de decenas a cientos de metros por segundo. En las emulsiones para asfalto en frío, esto produce dos efectos sinérgicos. En primer lugar, una rápida reducción del tamaño de las gotas hasta obtener una distribución más estrecha, lo que reduce la viscosidad manteniendo constante el contenido de sólidos. En segundo lugar, una intensa micromezcla a escala molecular que acelera la adsorción de los emulsionantes en la nueva interfaz y estabiliza la emulsión sin necesidad de sobredosificar el emulsionante. El resultado neto es una formulación que se bombea y se extiende con mayor facilidad y presenta una mayor estabilidad a largo plazo.

Escalado lineal: energía específica constante, amplitud constante y presión constante

La regla práctica para escalar los procesos ultrasónicos es sencilla. Si se mantienen constantes el aporte de energía específica (kWh por tonelada), la amplitud acústica en la cara del sonotrodo y la presión del reactor, la calidad de la emulsión será invariable entre escalas. No se trata de una regla heurística. Así es como la intensidad de la cavitación y la dinámica de las burbujas se correlacionan con el campo acústico, y por ello la sonicación industrial puede diseñarse de forma determinista. En otras palabras, el protocolo utilizado en un sonicador UP400St al 40 por ciento de amplitud y con 0,6 kWh/t se reproducirá en un sistema 4xUIP6000hdT al suministrar la misma energía por unidad de masa, a la misma amplitud, mediante una celda de flujo que funcione a la misma presión.

El recorrido en tres etapas desde la idea hasta la producción

1) Ensayos de laboratorio con UP400St Comience evaluando formulaciones y proporciones con un sonicador compacto UP400St (400 W). Trabaje por lotes o en modo de recirculación con una pequeña celda de flujo para registrar la amplitud, la temperatura y la energía específica. Habitualmente, en un día se puede delimitar el intervalo de energía específica que proporciona la distribución del tamaño de las gotas y la viscosidad deseadas sin inversión de fases ni calentamiento excesivo.

2) Optimización del proceso con UIP2000hdT
Pase a un UIP2000hdT (2 kW) para validar el procesamiento continuo, medir los efectos de la presión y optimizar la capacidad de procesamiento en relación con la calidad. En esta etapa se fijan el ciclo de trabajo, el control de temperatura en línea y la presión (normalmente de 2 a 5 bar para intensificar la cavitación). Aquí se demuestran el ahorro de tensioactivo, el d90 objetivo o la amplitud relativa de la distribución y el tiempo de residencia alcanzable con caudales realistas, mientras se registra la energía para elaborar un balance de gastos operativos (OPEX).

3) Escalado a producción con 4xUIP6000hdT
Las instalaciones de sonicación a escala industrial suelen utilizar equipos en paralelo para alcanzar varias toneladas por hora. Por ejemplo, cuatro UIP6000hdT (6 kW cada uno) en paralelo, con una energía específica de 0,5 kWh/t, procesan aproximadamente de 10 a 12 t/hr. Como los dispositivos cuentan con control de amplitud y están equipados con reactores de celda de flujo y amplificadores mecánicos de amplitud, el campo acústico es reproducible. Esto significa que el d50, la amplitud relativa de la distribución y la viscosidad Brookfield coinciden con los datos de la planta piloto dentro de la dispersión analítica.

Comparación de los ultrasonidos con los molinos de rotor-estator y coloidales

Los molinos de rotor-estator y coloidales son robustos y conocidos, pero su uso implica un compromiso entre la intensidad energética, el tiempo de residencia y el gran espacio ocupado por los equipos. También vinculan el tamaño de las gotas a intervalos de operación muy estrechos y pueden requerir temperaturas elevadas para evitar aumentos bruscos de viscosidad. Los ultrasonidos desvinculan la fragmentación de las gotas del cizallamiento entre piezas móviles y utilizan en su lugar la cavitación, de modo que se alcanzan tamaños de gota iguales o mejores en menos tiempo y con una energía específica total similar o inferior. El mantenimiento también es diferente. No hay que mantener tolerancias estrechas entre el estator y el rotor. En la práctica, los operadores señalan ciclos de limpieza in situ más rápidos y cambios de formulación más sencillos.