אספלט בתערובת קרה – ייצור באיכות טובה יותר באמצעות סוניקציה

תחליבים לאספלט בתערובת קרה תלויים במידה מכרעת בבקרה על התפלגות גודל הטיפות, הצמיגות והיציבות, תוך מזעור תשומת האנרגיה הנדרשת לעיבוד. מכשירי הסוניקציה של Hielscher מפרקים טיפות ביעילות, מקצרים את זמן העיבוד ומאפשרים לעמוד במפרטים מחמירים יותר עם פחות חומר פעיל שטח ובטמפרטורות נמוכות יותר.
עמוד זה מפרט את המנגנון, את מסלול הגדלת קנה המידה בשלושה שלבים ואת הבחירות ההנדסיות לעבודה בתנאים קשים, המאפשרות למכשירי הסוניקציה של Hielscher לפעול באמינות בייצור אספלט בתערובת קרה.

מדוע להשתמש במכשירי סוניקציה להכנת תחליבים לאספלט בתערובת קרה

המנופים הכלכליים העיקריים הם קיצור זמן השהייה, הפחתת כמות המתחלב הנדרשת לאותו גודל טיפות רצוי, טווח התפלגות צר יותר ולכן יציבות טובה יותר באחסון, והאפשרות לפעול בטמפרטורת תהליך נמוכה יותר. בהשוואה לטחנות רוטור–סטטור או לטחנות קולואידיות, אולטרסאונד מעביר אנרגיה באמצעות סילוני מיקרו הנוצרים בקוויטציה, במקום באמצעות גזירה בין הכלי לסטטור, וכך מתקבל פירוק מהיר יותר של טיפות בתשומת אנרגיה סגולית נתונה.

• לאחר סוניקציה נמדדו ירידות בצמיגות של כ־20 עד 30 אחוזים ללא שינוי בהרכב, לצד מעבר לטיפות תחליב קטנות יותר ואחידות יותר בגודלן.
• חיסכון של 10 עד 30 אחוזים בחומר פעיל שטח עבור ערך יעד נתון של d90 וחלון יציבות נתון, משום ששדה הקוויטציה יכול ליצור טיפות זעירות.
• זמן עיבוד קצר יותר ושטח קטן יותר הנדרש לציוד, משום שסוניקציה בקו הזרימה יכולה להשיג את הצמיגות ואת גודל הטיפות הנדרשים במפרט.
• טמפרטורות ערבוב נמוכות יותר, המפחיתות את צריכת האנרגיה ואת חשיפת העובדים לאדים, תוך התאמה ליוזמות באיחוד האירופי ובארצות הברית להפחתת פליטות הפחמן הקשורות לחומרי סלילה.

המנגנון: הקטנת גודל הטיפות ופיזור באמצעות קוויטציה

בניגוד לגזירה מכנית בלבד, קוויטציה אקוסטית יוצרת תנודות לחץ מקומיות של מאות bar וסילוני מיקרו במהירויות בסדר גודל של עשרות עד מאות מטרים לשנייה. בתחליבים לאספלט בתערובת קרה, הדבר יוצר שתי השפעות סינרגטיות. ראשית, הקטנה מהירה של גודל הטיפות לקבלת התפלגות צרה יותר, המפחיתה את הצמיגות בתכולת מוצקים קבועה. שנית, ערבוב מיקרוסקופי עז בקנה מידה מולקולרי, המאיץ את ספיחת המתחלבים בממשק החדש ומייצב את התחליב ללא צורך במינון יתר של מתחלב. התוצאה הכוללת היא הרכב שקל יותר לשאוב ולפרוס, עם יציבות משופרת לטווח ארוך.

הגדלה ליניארית של קנה המידה: אנרגיה סגולית קבועה, משרעת קבועה, לחץ קבוע

הכלל המעשי להגדלת קנה המידה של תהליכים אולטרסוניים פשוט. אם שומרים על תשומת האנרגיה הסגולית (kWh לטון), על המשרעת האקוסטית בפני הסונוטרודה ועל הלחץ בכור קבועים, איכות התחליב תישאר זהה בכל קנה מידה. אין זה כלל אצבע. כך קשורות עוצמת הקוויטציה ודינמיקת הבועות לשדה האקוסטי, וזו הסיבה שניתן לתכנן סוניקציה תעשייתית באופן דטרמיניסטי. במילים אחרות, הפרוטוקול שבו משתמשים במכשיר סוניקציה UP400St במשרעת של 40 אחוזים ובאנרגיה סגולית של 0.6 kWh/t ישוחזר במערכת 4xUIP6000hdT באמצעות העברת אותה אנרגיה ליחידת מסה, באותה משרעת, דרך תא זרימה המופעל באותו לחץ.

המסלול בשלושה שלבים מרעיון לייצור

1) בדיקות מעבדה עם UP400St התחילו בסקירת הרכבים ויחסי רכיבים באמצעות מכשיר סוניקציה קומפקטי UP400St ‏(400 W). הפעילו אותו במצב אצווה או במצב סחרור חוזר עם תא זרימה קטן כדי לתעד משרעת, טמפרטורה ואנרגיה סגולית. בדרך כלל, בתוך יום ניתן לתחום את חלון האנרגיה הסגולית המספק את התפלגות גודל הטיפות ואת הצמיגות הרצויות, ללא היפוך פאזות או חימום יתר.

2) מיטוב התהליך עם UIP2000hdT
עברו ל־UIP2000hdT ‏(2 kW) כדי לאמת עיבוד רציף, למדוד את השפעות הלחץ ולמטב את התפוקה ביחס לאיכות. בשלב זה מקבעים את מחזור העבודה, את בקרת הטמפרטורה בקו הזרימה ואת הלחץ (בדרך כלל 2 עד 5 bar להגברת הקוויטציה). כאן מוכיחים את החיסכון בחומר פעיל שטח, את השגת ערך היעד של d90 או של טווח ההתפלגות ואת זמן השהייה שניתן להשיג בספיקות זרימה מציאותיות, תוך תיעוד צריכת האנרגיה לצורך מאזן הוצאות התפעול (OPEX).

3) הגדלת קנה המידה לייצור עם 4xUIP6000hdT
מערכי סוניקציה בקנה מידה מלא משתמשים לעיתים קרובות בהפעלה במקביל כדי להגיע לתפוקה של כמה טונות לשעה. לדוגמה, ארבעה מכשירי UIP6000hdT ‏(6 kW כל אחד), הפועלים במקביל באנרגיה סגולית של 0.5 kWh/t, מעבדים כ־10 עד 12 t/hr. מכיוון שהמכשירים מבוקרי משרעת ומצוידים בכורי תא זרימה ובקרניים להגברת המשרעת, השדה האקוסטי ניתן לשחזור. פירוש הדבר הוא שערכי d50, טווח ההתפלגות וצמיגות Brookfield תואמים לנתוני הפיילוט במסגרת הפיזור האנליטי.

השוואה בין אולטרסאונד לטחנות רוטור–סטטור ולטחנות קולואידיות

טחנות רוטור–סטטור וטחנות קולואידיות הן עמידות ומוכרות, אך כרוכות בפשרה בין עצימות צריכת האנרגיה, זמן השהייה והשטח הגדול הנדרש לציוד. הן גם קושרות את גודל הטיפות לחלונות תהליך צרים מאוד, ועשויות לדרוש טמפרטורות גבוהות כדי למנוע זינוקים בצמיגות. אולטרסאונד מנתק את התלות של פירוק הטיפות בגזירה בין חלקים נעים ומשתמש במקום זאת בקוויטציה, כך שניתן להשיג גדלי טיפות זהים או טובים יותר בזמנים קצרים יותר ובאנרגיה סגולית כוללת דומה או נמוכה יותר. גם התחזוקה שונה. אין צורך לשמור על סבולות הדוקות בין הסטטור לרוטור. בפועל, מפעילים מדווחים על מחזורי ניקוי במקום מהירים יותר ועל מעבר קל יותר בין הרכבים.