Mieszanki mineralno-asfaltowe na zimno – uzyskaj lepszą jakość dzięki sonikacji

W przypadku emulsji asfaltowych do mieszanek na zimno kluczowe znaczenie ma kontrolowanie rozkładu wielkości kropel, lepkości i stabilności przy jednoczesnym minimalizowaniu nakładu energii potrzebnej do przetwarzania. Sonikatory Hielscher skutecznie rozdrabniają krople, skracają czas przetwarzania i umożliwiają spełnienie bardziej rygorystycznych wymagań przy mniejszym zużyciu środka powierzchniowo czynnego i w niższych temperaturach.
Na tej stronie szczegółowo opisano mechanizm działania, trzyetapową ścieżkę zwiększania skali oraz rozwiązania konstrukcyjne do pracy w trudnych warunkach, dzięki którym sonikatory Hielscher działają niezawodnie przy produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych na zimno.

Dlaczego warto stosować sonikatory do emulsji asfaltowych do mieszanek na zimno

Główne czynniki wpływające na ekonomikę procesu to skrócenie czasu przebywania, mniejsze zapotrzebowanie na emulgator przy tej samej docelowej wielkości kropel, mniejsza rozpiętość rozkładu wielkości kropel, a tym samym lepsza stabilność podczas przechowywania, oraz możliwość prowadzenia procesu w niższej temperaturze. W porównaniu z młynami rotor–stator lub młynami koloidalnymi ultradźwięki dostarczają energię za pośrednictwem mikrostrug kawitacyjnych zamiast ścinania między narzędziem a statorem, co przekłada się na szybsze rozdrabnianie kropel przy danym jednostkowym nakładzie energii.

• Zmierzone spadki lepkości po sonikacji wynoszące około 20 do 30 procent przy niezmienionej recepturze, połączone z uzyskaniem mniejszych, bardziej monodyspersyjnych kropel emulsji.
• Oszczędności środka powierzchniowo czynnego wynoszące 10 do 30 procent przy danej docelowej wartości d90 i zakresie stabilności, ponieważ pole kawitacyjne może wytwarzać drobne krople.
• Krótszy czas przetwarzania i mniejsza powierzchnia zajmowana przez urządzenia, ponieważ sonikacja w linii procesowej pozwala uzyskać lepkość i wielkość kropel zgodne ze specyfikacją.
• Niższe temperatury mieszania, co zmniejsza zużycie energii i narażenie pracowników na opary, a jednocześnie wpisuje się w inicjatywy UE i USA na rzecz dekarbonizacji materiałów do budowy nawierzchni.

Mechanizm: zmniejszanie wielkości kropel i dyspergowanie pod wpływem kawitacji

W przeciwieństwie do czysto mechanicznego ścinania kawitacja akustyczna generuje lokalne wahania ciśnienia rzędu setek barów oraz mikrostrugi o prędkościach rzędu dziesiątek do setek metrów na sekundę. W emulsjach asfaltowych do mieszanek na zimno wywołuje to dwa synergiczne efekty. Po pierwsze, szybkie zmniejszenie wielkości kropel i zawężenie ich rozkładu, co obniża lepkość przy stałej zawartości substancji stałych. Po drugie, intensywne mikromieszanie w skali molekularnej, które przyspiesza adsorpcję emulgatorów na nowej powierzchni międzyfazowej, stabilizując emulsję bez konieczności stosowania nadmiernych dawek emulgatora. Ostatecznym rezultatem jest formulacja, którą łatwiej pompować i układać oraz która wykazuje lepszą stabilność długoterminową.

Liniowe zwiększanie skali: stała energia właściwa, stała amplituda, stałe ciśnienie

Praktyczna zasada zwiększania skali procesów ultradźwiękowych jest prosta. Jeśli jednostkowy nakład energii (kWh na tonę), amplituda akustyczna na powierzchni czołowej sonotrody i ciśnienie w reaktorze pozostają stałe, jakość emulsji pozostaje niezmienna niezależnie od skali. Nie jest to reguła heurystyczna. Wynika to z zależności między intensywnością kawitacji i dynamiką pęcherzyków a polem akustycznym i wyjaśnia, dlaczego przemysłowe procesy sonikacji można projektować w sposób deterministyczny. Innymi słowy, procedurę stosowaną w sonikatorze UP400St przy amplitudzie 40 procent i 0,6 kWh/t można odtworzyć w systemie 4xUIP6000hdT, dostarczając taką samą energię na jednostkę masy przy tej samej amplitudzie przez komorę przepływową pracującą przy tym samym ciśnieniu.

Trzyetapowa droga od pomysłu do produkcji

1) Badania laboratoryjne z UP400St Zacznij od badań przesiewowych receptur i proporcji składników przy użyciu kompaktowego sonikatora UP400St (400 W). Pracuj w trybie okresowym lub recyrkulacyjnym z małą komorą przepływową, rejestrując amplitudę, temperaturę i energię właściwą. Zazwyczaj w ciągu jednego dnia określisz granice zakresu energii właściwej, który zapewnia pożądany rozkład wielkości kropel i lepkość bez inwersji faz lub nadmiernego nagrzewania.

2) Optymalizacja procesu z UIP2000hdT
Przejdź do UIP2000hdT (2 kW), aby zweryfikować przetwarzanie ciągłe, zmierzyć wpływ ciśnienia i zoptymalizować relację między wydajnością a jakością. Na tym etapie ustalasz cykl pracy, kontrolę temperatury w linii procesowej oraz ciśnienie (zwykle 2 do 5 bar w celu zintensyfikowania kawitacji). To tutaj potwierdzasz oszczędność środka powierzchniowo czynnego, docelową wartość d90 lub rozpiętość rozkładu oraz osiągalny czas przebywania przy realistycznych natężeniach przepływu, jednocześnie rejestrując zużycie energii na potrzeby bilansu kosztów operacyjnych (OPEX).

3) Zwiększenie skali do produkcyjnej z 4xUIP6000hdT
Instalacje sonikatorów pracujące w pełnej skali często wykorzystują układy równoległe, aby osiągnąć wydajność kilku ton na godzinę. Na przykład cztery urządzenia UIP6000hdT (każde o mocy 6 kW), pracujące równolegle przy energii właściwej 0,5 kWh/t, przetwarzają około 10 do 12 t/hr. Ponieważ urządzenia mają regulowaną amplitudę i są wyposażone w reaktory z komorami przepływowymi oraz wzmacniacze amplitudy, pole akustyczne jest odtwarzalne. Oznacza to, że wartości d50, rozpiętości rozkładu i lepkości mierzonej metodą Brookfielda odpowiadają danym z prób pilotażowych w granicach rozrzutu wyników analitycznych.

Porównanie ultradźwięków z młynami rotor–stator i młynami koloidalnymi

Młyny rotor–stator i młyny koloidalne są solidne i dobrze znane, ale ich zastosowanie wiąże się z kompromisem między intensywnością zużycia energii, czasem przebywania a dużą powierzchnią zajmowaną przez urządzenia. Uzależniają też wielkość kropel od bardzo wąskich zakresów parametrów procesu i mogą wymagać podwyższonych temperatur, aby uniknąć gwałtownych wzrostów lepkości. Ultradźwięki uniezależniają rozdrabnianie kropel od ścinania między ruchomymi częściami i zamiast tego wykorzystują kawitację, dzięki czemu można uzyskać takie same lub korzystniejsze wielkości kropel w krótszym czasie przy podobnym lub niższym całkowitym jednostkowym nakładzie energii. Różni się również konserwacja. Nie trzeba utrzymywać ścisłych tolerancji między statorem a rotorem. W praktyce operatorzy zgłaszają szybsze cykle mycia bez demontażu instalacji i łatwiejsze przechodzenie między recepturami.