Asfalto a freddo – Produrre una qualità migliore con la sonicazione

Le emulsioni di asfalto per conglomerato bituminoso a freddo dipendono in modo critico dal controllo della distribuzione dimensionale delle gocce, della viscosità e della stabilità, riducendo al minimo l'apporto energetico necessario per la lavorazione. I sonicatori Hielscher rompono le gocce in modo efficiente, accorciano i tempi di lavorazione e consentono di ottenere specifiche più severe con meno tensioattivi e a temperature più basse. Questa pagina illustra il meccanismo, il percorso di scalabilità in tre fasi e le scelte ingegneristiche che rendono i sonicatori Hielscher affidabili nella produzione di conglomerato bituminoso a freddo.

Perché utilizzare i sonicatori per le emulsioni di conglomerato bituminoso a freddo

Le principali leve economiche sono la compressione del tempo di residenza, la minore richiesta di emulsionante a parità di dimensioni delle gocce, l'intervallo più stretto e quindi la migliore stabilità di stoccaggio e la possibilità di operare a temperature di processo inferiori. Rispetto ai mulini a rotore e statore o ai mulini colloidali, gli ultrasuoni forniscono energia attraverso microgetti di cavitazione piuttosto che attraverso il taglio tra l'utensile e lo statore, il che si traduce in una rottura più rapida delle gocce a fronte di un input energetico specifico.

• Le riduzioni di viscosità misurate si aggirano intorno al 20-30% a formulazione invariata dopo la sonicazione, insieme a un passaggio a goccioline di emulsione più piccole e monodisperse.
• Risparmio di tensioattivi dal 10 al 30% per un determinato target d90 e una determinata finestra di stabilità, perché il campo di cavitazione può generare gocce fini.
• Tempi di lavorazione più brevi e ingombro ridotto delle apparecchiature, poiché la sonicazione può raggiungere le specifiche di viscosità e dimensione delle gocce mediante sonicazione in linea.
• Temperature di miscelazione più basse, che riducono il consumo di energia e l'esposizione dei lavoratori ai fumi, allineandosi alle iniziative dell'UE e degli Stati Uniti per la decarbonizzazione dei materiali di pavimentazione.

Meccanismo: Riduzione delle dimensioni delle gocce e dispersione guidata dalla cavitazione

A differenza del taglio puramente meccanico, la cavitazione acustica genera sbalzi di pressione locali di centinaia di bar e microgetti con velocità dell'ordine di decine o centinaia di metri al secondo. Nelle emulsioni di conglomerato bituminoso a freddo, ciò produce due effetti sinergici. In primo luogo, la rapida riduzione delle dimensioni delle gocce fino a una distribuzione più stretta, con conseguente riduzione della viscosità a contenuto di solidi costante. In secondo luogo, un'intensa micro-miscelazione su scala molecolare che accelera l'adsorbimento degli emulsionanti nella nuova interfaccia, stabilizzando l'emulsione senza bisogno di sovradosare l'emulsionante. Il risultato netto è una formulazione che pompa e si deposita più facilmente, con una migliore stabilità a lungo termine.

Scalabilità lineare: Energia specifica costante, ampiezza costante, pressione costante

La regola pratica per scalare gli ultrasuoni è semplice. Se si mantengono costanti l'apporto energetico specifico (kWh per tonnellata), l'ampiezza acustica sulla faccia del sonotrodo e la pressione del reattore, la qualità dell'emulsione sarà invariante in tutte le scale. Non si tratta di un'euristica. È il modo in cui l'intensità della cavitazione e la dinamica delle bolle sono correlate al campo acustico e il motivo per cui la sonicazione industriale può essere progettata in modo deterministico. In altre parole, il protocollo utilizzato su un sonicatore UP400St con un'ampiezza del 40% e 0,6 kWh/t sarà riprodotto su un sistema 4xUIP6000hdT erogando la stessa energia per massa alla stessa ampiezza attraverso una cella a flusso operante alla stessa pressione.

Il percorso in tre fasi dall'idea alla produzione

1) Test di laboratorio con UP400St Iniziate con lo screening di formulazioni e rapporti su un sonicatore compatto UP400St (400 W). Operare in modalità batch o a ricircolo con una piccola cella di flusso per acquisire ampiezza, temperatura ed energia specifica. Nel giro di un giorno si può trovare la finestra di energia specifica che dà la distribuzione dimensionale delle gocce e la viscosità desiderate senza inversione di fase o riscaldamento eccessivo.

2) Ottimizzazione del processo con UIP2000hdT
Passate a una UIP2000hdT (2 kW) per convalidare il processo continuo, misurare gli effetti della pressione e ottimizzare la produzione rispetto alla qualità. In questo caso, si blocca il ciclo di lavoro, il controllo della temperatura in linea e la pressione (in genere da 2 a 5 bar per intensificare la cavitazione). È qui che si verifica il risparmio di tensioattivo, il d90 o lo span target e il tempo di permanenza ottenibile a velocità di flusso realistiche, registrando l'energia per un bilancio OPEX.

3) Passaggio alla produzione con 4xUIP6000hdT
Le configurazioni di sonicatori su scala reale spesso utilizzano la parallelizzazione per raggiungere diverse tonnellate all'ora. Ad esempio, quattro UIP6000hdT (6 kW ciascuno) in parallelo a 0,5 kWh/t di energia specifica lavorano circa 10-12 t/ora. Poiché i dispositivi sono controllati in ampiezza e dotati di reattori a cella di flusso e trombe di spinta, il campo acustico è riproducibile. Ciò significa che il d50, lo span e la viscosità di Brookfield corrispondono ai dati del pilota entro una certa dispersione analitica.

Confronto tra ultrasuoni e mulini a rotore-statore e colloidali

I mulini a rotore e a colloide sono robusti e familiari, ma scambiano l'intensità energetica con il tempo di permanenza e le grandi dimensioni. Inoltre, vincolano le dimensioni delle gocce a finestre di processo molto strette e possono richiedere temperature elevate per evitare picchi di viscosità. L'ultrasuono disaccoppia la rottura delle gocce dal taglio tra le parti in movimento e utilizza invece la cavitazione, in modo da raggiungere le stesse o migliori dimensioni delle gocce in tempi più brevi con un'energia specifica totale simile o inferiore. Anche la manutenzione è diversa. Non ci sono tolleranze strette da rispettare tra statore e rotore. In pratica, gli operatori riferiscono di cicli di pulizia più rapidi e di un più facile passaggio da una formulazione all'altra.