Conglomerato bituminoso a freddo – Migliorare la qualità con la sonicazione

Le emulsioni per conglomerati bituminosi a freddo dipendono in modo determinante dal controllo della distribuzione dimensionale delle gocce, della viscosità e della stabilità, riducendo al minimo l’apporto energetico necessario per il trattamento. I sonicatori Hielscher frammentano efficacemente le gocce, riducono i tempi di trattamento e consentono di rispettare specifiche più rigorose con meno tensioattivo e a temperature inferiori.
Questa pagina descrive in dettaglio il meccanismo, il percorso in tre fasi per il passaggio alla scala industriale e le scelte ingegneristiche per impieghi gravosi che garantiscono il funzionamento affidabile dei sonicatori Hielscher nella produzione di conglomerati bituminosi a freddo.

Perché utilizzare i sonicatori per le emulsioni per conglomerati bituminosi a freddo

Le principali leve economiche sono la riduzione del tempo di residenza, il minore fabbisogno di emulsionante a parità di dimensione obiettivo delle gocce, un’ampiezza più ridotta della distribuzione dimensionale e quindi una migliore stabilità durante lo stoccaggio, nonché la possibilità di operare a una temperatura di processo inferiore. Rispetto ai mulini a rotore-statore o colloidali, gli ultrasuoni trasferiscono energia attraverso microgetti di cavitazione anziché mediante il taglio tra utensile e statore, consentendo una frammentazione più rapida delle gocce a parità di apporto energetico specifico.

• Riduzioni misurate della viscosità di circa il 20–30 percento dopo la sonicazione, a formulazione invariata, accompagnate dal passaggio a gocce di emulsione più piccole e più monodisperse.
• Risparmi di tensioattivo del 10–30 percento per un determinato d90 obiettivo e un determinato intervallo di stabilità, perché il campo di cavitazione può generare gocce fini.
• Tempi di trattamento più brevi e ingombri delle apparecchiature inferiori, poiché la sonicazione in linea consente di ottenere la viscosità e la dimensione delle gocce previste dalle specifiche.
• Temperature di miscelazione inferiori, che riducono il consumo energetico e l’esposizione dei lavoratori ai fumi, in linea con le iniziative dell’UE e degli Stati Uniti per decarbonizzare i materiali per pavimentazioni stradali.

Meccanismo: riduzione delle dimensioni delle gocce e dispersione mediante cavitazione

A differenza del taglio puramente meccanico, la cavitazione acustica genera oscillazioni locali di pressione di centinaia di bar e microgetti con velocità dell’ordine di decine o centinaia di metri al secondo. Nelle emulsioni per conglomerati bituminosi a freddo, questo produce due effetti sinergici. In primo luogo, una rapida riduzione delle dimensioni delle gocce fino a ottenere una distribuzione più stretta, che riduce la viscosità a contenuto di solidi costante. In secondo luogo, un’intensa micromiscelazione su scala molecolare che accelera l’adsorbimento degli emulsionanti alla nuova interfaccia, stabilizzando l’emulsione senza necessità di sovradosare l’emulsionante. Il risultato complessivo è una formulazione più facile da pompare e stendere, con una migliore stabilità a lungo termine.

Passaggio lineare alla scala industriale: energia specifica costante, ampiezza costante, pressione costante

La regola pratica per aumentare la scala dei processi a ultrasuoni è semplice. Mantenendo costanti l’apporto energetico specifico (kWh per tonnellata), l’ampiezza acustica sulla faccia del sonotrodo e la pressione del reattore, la qualità dell’emulsione rimane invariata alle diverse scale. Non si tratta di una regola euristica. È il modo in cui l’intensità della cavitazione e la dinamica delle bolle si correlano al campo acustico, ed è il motivo per cui la sonicazione industriale può essere progettata in modo deterministico. In altre parole, il protocollo utilizzato su un sonicatore UP400St al 40 percento di ampiezza e a 0,6 kWh/t viene riprodotto su un sistema 4xUIP6000hdT fornendo la stessa energia per unità di massa alla stessa ampiezza attraverso una cella di flusso operante alla stessa pressione.

Il percorso in tre fasi dall’idea alla produzione

1) Prove di laboratorio con UP400St Iniziate valutando formulazioni e rapporti con un sonicatore compatto UP400St (400 W). Operate in modalità batch o a ricircolo con una piccola cella di flusso per rilevare ampiezza, temperatura ed energia specifica. In genere, nell’arco di una giornata si delimitano i valori dell’intervallo di energia specifica che consente di ottenere la distribuzione dimensionale delle gocce e la viscosità desiderate senza inversione di fase o riscaldamento eccessivo.

2) Ottimizzazione del processo con UIP2000hdT
Passate a un UIP2000hdT (2 kW) per convalidare il trattamento continuo, misurare gli effetti della pressione e ottimizzare la capacità produttiva in rapporto alla qualità. In questa fase si fissano il ciclo di lavoro, il controllo della temperatura in linea e la pressione (tipicamente 2–5 bar per intensificare la cavitazione). È qui che si verificano il risparmio di tensioattivo, il d90 o l’ampiezza della distribuzione dimensionale obiettivo e il tempo di residenza ottenibile a portate realistiche, registrando al contempo l’energia per un bilancio dei costi operativi (OPEX).

3) Passaggio alla scala produttiva con 4xUIP6000hdT
Gli impianti di sonicazione su scala industriale utilizzano spesso configurazioni in parallelo per raggiungere diverse tonnellate all’ora. Ad esempio, quattro UIP6000hdT (6 kW ciascuno) in parallelo, con un’energia specifica di 0,5 kWh/t, trattano circa 10–12 t/hr. Poiché i dispositivi sono controllati in ampiezza e dotati di reattori con celle di flusso e amplificatori meccanici di ampiezza, il campo acustico è riproducibile. Ciò significa che il d50, l’ampiezza della distribuzione dimensionale e la viscosità Brookfield corrispondono ai dati pilota entro la variabilità analitica.

Confronto tra ultrasuoni e mulini a rotore-statore e colloidali

I mulini a rotore-statore e colloidali sono robusti e ben conosciuti, ma comportano un compromesso tra intensità energetica, tempo di residenza e ingombri elevati. Inoltre, vincolano la dimensione delle gocce a intervalli operativi molto ristretti e possono richiedere temperature elevate per evitare picchi di viscosità. Gli ultrasuoni svincolano la frammentazione delle gocce dal taglio tra parti in movimento e utilizzano invece la cavitazione, consentendo di ottenere dimensioni delle gocce uguali o migliori in tempi più brevi, con un’energia specifica totale simile o inferiore. Anche la manutenzione è diversa. Non vi sono tolleranze ristrette da mantenere tra statore e rotore. Nella pratica, gli operatori segnalano cicli di pulizia in situ più rapidi e un passaggio più semplice da una formulazione all’altra.