Hladni asfalt – S sonikacijo do boljše kakovosti

Pri emulzijah za hladni asfalt je ključnega pomena nadzor porazdelitve velikosti kapljic, viskoznosti in stabilnosti ob čim manjšem vnosu energije, potrebne za obdelavo. Sonikatorji Hielscher učinkovito razbijajo kapljice, skrajšajo čas obdelave in omogočajo izpolnjevanje strožjih specifikacij z manj površinsko aktivne snovi in pri nižjih temperaturah.
Ta stran podrobno opisuje mehanizem, tristopenjski postopek povečanja merila in konstrukcijske rešitve za zahtevne obratovalne pogoje, ki zagotavljajo zanesljivo delovanje sonikatorjev Hielscher pri proizvodnji hladnega asfalta.

Zakaj uporabljati sonikatorje za emulzije za hladni asfalt

Glavni dejavniki gospodarnosti so skrajšanje zadrževalnega časa, manjša potreba po emulgatorju pri enaki ciljni velikosti kapljic, ožji razpon porazdelitve in s tem boljša stabilnost med skladiščenjem ter možnost obratovanja pri nižji procesni temperaturi. V primerjavi z rotor-statorskimi ali koloidnimi mlini ultrazvok dovaja energijo prek kavitacijskih mikrocurkov namesto prek striga med orodjem in statorjem, kar pri danem specifičnem vnosu energije omogoča hitrejše razbijanje kapljic.

• Izmerjeno zmanjšanje viskoznosti za približno 20 do 30 odstotkov po sonikaciji pri nespremenjeni formulaciji, skupaj s premikom k manjšim, bolj monodisperznim kapljicam emulzije.
• Prihranek površinsko aktivne snovi od 10 do 30 odstotkov pri dani ciljni vrednosti d90 in območju stabilnosti, ker lahko kavitacijsko polje ustvari drobne kapljice.
• Krajši čas obdelave in manjša potreba po prostoru za opremo, saj je s sonikacijo v pretočnem sistemu mogoče doseči viskoznost in velikost kapljic, določeni v specifikaciji.
• Nižje temperature mešanja, ki zmanjšujejo porabo energije in izpostavljenost delavcev hlapom, hkrati pa so skladne s pobudami EU in ZDA za razogljičenje materialov za vozišča.

Mehanizem: zmanjševanje velikosti kapljic in dispergiranje s kavitacijo

Za razliko od povsem mehanskega striga akustična kavitacija povzroča lokalna nihanja tlaka za več sto barov in mikrocurke s hitrostmi reda velikosti od več deset do več sto metrov na sekundo. V emulzijah za hladni asfalt to povzroča dva sinergijska učinka. Prvi je hitro zmanjšanje velikosti kapljic do ožje porazdelitve, kar zmanjša viskoznost pri nespremenjeni vsebnosti trdnih snovi. Drugi je intenzivno mikromešanje na molekularni ravni, ki pospeši adsorpcijo emulgatorjev na novo medfazno površino in stabilizira emulzijo brez potrebe po prekomernem odmerjanju emulgatorja. Končni rezultat je formulacija, ki jo je lažje črpati in vgrajevati ter ima izboljšano dolgoročno stabilnost.

Linearno povečanje merila: konstantna specifična energija, konstantna amplituda, konstanten tlak

Praktično pravilo za povečanje merila ultrazvočne obdelave je preprosto. Če ohranjate konstantne specifični vnos energije (kWh na tono), akustično amplitudo na čelni površini sonotrode in tlak v reaktorju, bo kakovost emulzije ostala nespremenjena pri vseh merilih. To ni hevristično pravilo. Tako sta intenzivnost kavitacije in dinamika mehurčkov povezani z akustičnim poljem, zato je mogoče industrijsko sonikacijo načrtovati deterministično. Z drugimi besedami: protokol, ki ga uporabljate na sonikatorju UP400St pri 40 odstotkih amplitude in 0,6 kWh/t, bo reproduciran na sistemu 4xUIP6000hdT z dovajanjem enake energije na enoto mase pri enaki amplitudi skozi pretočno celico, ki obratuje pri enakem tlaku.

Tristopenjska pot od ideje do proizvodnje

1) Laboratorijsko preskušanje z UP400St Začnite s preverjanjem formulacij in razmerij na kompaktnem sonikatorju UP400St (400 W). Obratujte v šaržnem ali recirkulacijskem načinu z majhno pretočno celico ter beležite amplitudo, temperaturo in specifično energijo. Običajno v enem dnevu določite meje območja specifične energije, ki zagotavlja želeno porazdelitev velikosti kapljic in viskoznost brez fazne inverzije ali prekomernega segrevanja.

2) Optimizacija procesa z UIP2000hdT
Preidite na UIP2000hdT (2 kW), da potrdite neprekinjeno obdelavo, izmerite vplive tlaka in optimizirate razmerje med proizvodno zmogljivostjo in kakovostjo. V tej fazi dokončno določite delovni cikel, uravnavanje temperature v pretočnem sistemu in tlak (običajno 2 do 5 bar za okrepitev kavitacije). Tu dokažete prihranek površinsko aktivne snovi, ciljno vrednost d90 ali razpon porazdelitve ter dosegljivi zadrževalni čas pri realističnih pretokih, pri čemer beležite energijo za bilanco obratovalnih stroškov (OPEX).

3) Povečanje merila na proizvodnjo s 4xUIP6000hdT
Sonikacijski sistemi v proizvodnem merilu pogosto uporabljajo vzporedno vezavo za doseganje več ton na uro. Na primer, štirje vzporedno vezani UIP6000hdT (vsak po 6 kW) pri specifični energiji 0,5 kWh/t obdelajo približno 10 do 12 t/hr. Ker imajo naprave nadzorovano amplitudo ter so opremljene z reaktorji s pretočnimi celicami in ojačevalniki amplitude, je akustično polje ponovljivo. To pomeni, da se vaše vrednosti d50, razpona porazdelitve in Brookfieldove viskoznosti ujemajo s podatki pilotnih preskusov znotraj raztrosa analitskih meritev.

Primerjava ultrazvoka z rotor-statorskimi in koloidnimi mlini

Rotor-statorski in koloidni mlini so robustni in dobro poznani, vendar vključujejo kompromis med energijsko intenzivnostjo, zadrževalnim časom in veliko potrebo po prostoru. Poleg tega vežejo velikost kapljic na zelo ozka območja procesnih pogojev in lahko zahtevajo povišane temperature, da se preprečijo skoki viskoznosti. Ultrazvok loči razbijanje kapljic od striga med gibljivimi deli in namesto tega uporablja kavitacijo, zato dosežete enake ali boljše velikosti kapljic v krajšem času pri podobni ali nižji skupni specifični energiji. Razlikuje se tudi vzdrževanje. Med statorjem in rotorjem ni treba vzdrževati ozkih toleranc. V praksi upravljavci poročajo o hitrejših ciklih čiščenja na mestu in lažjem prehajanju med formulacijami.