Холодный асфальтобетон – повышение качества с помощью обработки ультразвуком

Для эмульсий, используемых в холодном асфальтобетоне, критически важен контроль распределения капель по размерам, вязкости и стабильности при минимизации затрат энергии на обработку. Ультразвуковые аппараты Hielscher эффективно дробят капли, сокращают время обработки и позволяют соблюдать более строгие спецификации при меньшем расходе поверхностно-активных веществ и более низких температурах.
На этой странице подробно описаны механизм процесса, трёхэтапный путь масштабирования и инженерные решения для тяжёлых условий эксплуатации, обеспечивающие надёжную работу ультразвуковых аппаратов Hielscher при производстве холодного асфальтобетона.

Зачем использовать ультразвуковые аппараты для эмульсий холодного асфальтобетона

Основные факторы экономической эффективности – сокращение времени пребывания, снижение потребности в эмульгаторе при том же целевом размере капель, уменьшение относительной ширины распределения и, следовательно, повышение стабильности при хранении, а также возможность работы при более низкой температуре процесса. В отличие от роторно-статорных или коллоидных мельниц, ультразвук передаёт энергию через кавитационные микроструи, а не за счёт сдвига между рабочим органом и статором, что обеспечивает более быстрое дробление капель при заданных удельных затратах энергии.

• Измеренное снижение вязкости примерно на 20–30 процентов после обработки ультразвуком при неизменной рецептуре в сочетании с переходом к более мелким и более монодисперсным каплям эмульсии.
• Экономия поверхностно-активных веществ на 10–30 процентов при заданном целевом d90 и диапазоне стабильности, поскольку кавитационное поле может создавать мелкие капли.
• Сокращение времени обработки и уменьшение площади, занимаемой оборудованием, поскольку обработка ультразвуком в потоке позволяет достичь вязкости и размера капель, соответствующих спецификации.
• Более низкие температуры смешивания, что снижает энергопотребление и воздействие паров на работников, а также соответствует инициативам ЕС и США по декарбонизации материалов для дорожных покрытий.

Механизм: уменьшение размера капель и диспергирование под действием кавитации

В отличие от чисто механического сдвига, акустическая кавитация создаёт локальные колебания давления величиной в сотни bar и микроструи со скоростями порядка десятков и сотен метров в секунду. В эмульсиях для холодного асфальтобетона это вызывает два синергетических эффекта. Во-первых, быстрое уменьшение размера капель с сужением их распределения, что снижает вязкость при постоянном содержании твёрдых веществ. Во-вторых, интенсивное микросмешивание на молекулярном уровне, ускоряющее адсорбцию эмульгаторов на новой межфазной поверхности и стабилизирующее эмульсию без необходимости вводить избыточное количество эмульгатора. В результате получается состав, который легче перекачивать и укладывать и который обладает повышенной долговременной стабильностью.

Линейное масштабирование: постоянная удельная энергия, постоянная амплитуда, постоянное давление

Практическое правило масштабирования ультразвуковой обработки просто. Если поддерживать постоянными удельные затраты энергии (kWh на тонну), акустическую амплитуду на рабочем торце сонотрода и давление в реакторе, качество эмульсии будет неизменным при любом масштабе. Это не эмпирическое правило. Именно так интенсивность кавитации и динамика пузырьков связаны с акустическим полем, и именно поэтому промышленную обработку ультразвуком можно проектировать детерминированно. Другими словами, протокол, который вы используете на ультразвуковом аппарате UP400St при амплитуде 40 процентов и 0,6 kWh/t, будет воспроизведён на системе 4xUIP6000hdT при передаче той же энергии на единицу массы с той же амплитудой через проточную ячейку, работающую при том же давлении.

Трёхэтапный путь от идеи к производству

1) Лабораторные испытания с UP400St Начните с предварительной проверки рецептур и соотношений компонентов на компактном ультразвуковом аппарате UP400St (400 W). Работайте в периодическом режиме или в режиме рециркуляции с небольшой проточной ячейкой, регистрируя амплитуду, температуру и удельную энергию. Обычно в течение одного дня вы определяете границы диапазона удельной энергии, обеспечивающего желаемое распределение капель по размерам и вязкость без инверсии фаз или чрезмерного нагрева.

2) Оптимизация процесса с UIP2000hdT
Перейдите к UIP2000hdT (2 kW), чтобы проверить непрерывную обработку, измерить влияние давления и оптимизировать соотношение производительности и качества. На этом этапе вы устанавливаете коэффициент заполнения импульсного режима, регулирование температуры в потоке и давление (обычно 2–5 bar для усиления кавитации). Именно здесь вы подтверждаете экономию поверхностно-активных веществ, целевой d90 или относительную ширину распределения и достижимое время пребывания при реалистичных расходах, одновременно регистрируя затраты энергии для расчёта эксплуатационных расходов (OPEX).

3) Масштабирование до производства с 4xUIP6000hdT
В полномасштабных ультразвуковых установках часто используют параллельное подключение для достижения производительности в несколько тонн в час. Например, четыре UIP6000hdT (по 6 kW каждый), работающие параллельно при удельной энергии 0,5 kWh/t, обрабатывают примерно 10–12 t/hr. Поскольку устройства оснащены регулированием амплитуды, реакторами с проточными ячейками и бустерными усилителями амплитуды, акустическое поле воспроизводимо. Это означает, что ваши d50, относительная ширина распределения и вязкость по Брукфильду совпадают с данными пилотных испытаний в пределах аналитического разброса.

Сравнение ультразвука с роторно-статорными и коллоидными мельницами

Роторно-статорные и коллоидные мельницы надёжны и привычны в эксплуатации, но предполагают компромисс между энергоёмкостью, временем пребывания и большой занимаемой площадью. Кроме того, размер капель при их использовании зависит от очень узких диапазонов технологических параметров, и для предотвращения резких скачков вязкости могут потребоваться повышенные температуры. Ультразвук делает дробление капель независимым от сдвига между движущимися деталями и вместо этого использует кавитацию, поэтому вы получаете такие же или более мелкие капли за меньшее время при сопоставимой или меньшей суммарной удельной энергии. Техническое обслуживание также отличается. Нет необходимости выдерживать строгие допуски между статором и ротором. На практике операторы сообщают о более быстрых циклах безразборной очистки и более простом переходе между рецептурами.