Hỗn hợp nhựa đường trộn lạnh – Sản xuất sản phẩm chất lượng cao hơn bằng công nghệ siêu âm

Hỗn hợp nhựa đường lạnh phụ thuộc mạnh mẽ vào việc kiểm soát phân bố kích thước giọt, độ nhớt và độ ổn định, đồng thời giảm thiểu năng lượng cần thiết cho quá trình xử lý. Máy siêu âm Hielscher phân tán giọt hiệu quả, rút ngắn thời gian xử lý và cho phép đạt được các thông số kỹ thuật chặt chẽ hơn với lượng chất hoạt động bề mặt ít hơn và ở nhiệt độ thấp hơn. Trang này mô tả chi tiết cơ chế hoạt động, quy trình mở rộng quy mô ba bước và các lựa chọn kỹ thuật công nghiệp nặng giúp máy siêu âm Hielscher hoạt động đáng tin cậy trong sản xuất nhựa đường trộn lạnh.

Tại sao nên sử dụng máy siêu âm cho hỗn hợp nhựa đường emulsion lạnh?

Các yếu tố kinh tế chính bao gồm giảm thời gian lưu, giảm nhu cầu chất nhũ hóa ở cùng kích thước giọt mục tiêu, khoảng cách hẹp hơn và do đó độ ổn định lưu trữ tốt hơn, và khả năng vận hành ở nhiệt độ quá trình thấp hơn. So với máy nghiền rotor-stator hoặc máy nghiền keo, siêu âm truyền năng lượng thông qua các tia vi cavitation thay vì lực cắt giữa công cụ và stator, điều này dẫn đến việc phá vỡ giọt nhanh hơn ở cùng mức năng lượng cụ thể.

• Giảm độ nhớt khoảng 20 đến 30% khi không thay đổi công thức sau khi siêu âm, kết hợp với sự chuyển đổi sang các giọt nhũ tương nhỏ hơn và đồng nhất hơn.
• Tiết kiệm chất hoạt động bề mặt từ 10 đến 30% cho một mục tiêu d90 và khoảng ổn định nhất định, vì trường cavitation có thể tạo ra các giọt nhỏ.
• Thời gian xử lý ngắn hơn và diện tích thiết bị nhỏ hơn, vì siêu âm có thể đạt được độ nhớt và kích thước giọt theo yêu cầu thông qua siêu âm trực tiếp.
• Nhiệt độ trộn thấp hơn, giúp giảm tiêu thụ năng lượng và giảm tiếp xúc của công nhân với khí thải, đồng thời phù hợp với các sáng kiến của EU và Mỹ về việc giảm phát thải carbon trong vật liệu lát đường.

Cơ chế: Giảm kích thước giọt và phân tán do hiện tượng cavitation

Khác với lực cắt cơ học thuần túy, hiện tượng cavitation âm thanh tạo ra dao động áp suất cục bộ lên đến hàng trăm bar và các tia vi mô với vận tốc từ hàng chục đến hàng trăm mét mỗi giây. Trong hỗn hợp nhựa đường emulsion lạnh, điều này tạo ra hai tác động cộng hưởng. Thứ nhất, giảm kích thước giọt nhanh chóng xuống phạm vi phân bố hẹp hơn, làm giảm độ nhớt ở hàm lượng chất rắn không đổi. Thứ hai, quá trình trộn vi mô mạnh mẽ ở cấp độ phân tử làm tăng tốc độ hấp phụ của chất nhũ hóa tại giao diện mới, ổn định nhũ tương mà không cần tăng liều lượng chất nhũ hóa. Kết quả tổng thể là một công thức dễ bơm và trải đều hơn, với độ ổn định lâu dài được cải thiện.

Mở rộng quy mô tuyến tính: Năng lượng riêng không đổi, biên độ không đổi, áp suất không đổi

Quy tắc thực tiễn để mở rộng quy mô siêu âm rất đơn giản. Nếu bạn giữ nguyên công suất năng lượng cụ thể (kWh trên tấn), biên độ âm thanh tại bề mặt sonotrode và áp suất trong phản ứng viên, chất lượng nhũ tương sẽ không thay đổi khi mở rộng quy mô. Đây không phải là một quy tắc kinh nghiệm. Đó là cách cường độ cavitation và động học bong bóng tương quan với trường âm thanh, và lý do tại sao siêu âm công nghiệp có thể được thiết kế một cách xác định. Nói cách khác, quy trình bạn sử dụng trên máy siêu âm UP400St ở độ lớn 40% và 0,6 kWh/t sẽ được tái tạo trên hệ thống 4xUIP6000hdT bằng cách cung cấp cùng lượng năng lượng trên đơn vị khối lượng ở cùng độ lớn thông qua một buồng lưu chất hoạt động ở cùng áp suất.

Quy trình ba bước từ ý tưởng đến sản xuất

1) Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với UP400St Bắt đầu bằng cách sàng lọc các công thức và tỷ lệ trên máy siêu âm UP400St (400 W). Hoạt động ở chế độ batch hoặc tuần hoàn với một buồng lưu lượng nhỏ để đo độ dao động, nhiệt độ và năng lượng cụ thể. Trong vòng một ngày, bạn thường xác định được khoảng năng lượng cụ thể cho phép đạt được phân bố kích thước giọt mong muốn và độ nhớt mà không xảy ra hiện tượng đảo pha hoặc gia nhiệt quá mức.

2) Tối ưu hóa quy trình với UIP2000hdT
Chuyển sang UIP2000hdT (2 kW) để xác minh quá trình xử lý liên tục, đo lường tác động của áp suất và tối ưu hóa lưu lượng so với chất lượng. Tại đây, bạn cố định chu kỳ làm việc, kiểm soát nhiệt độ trong dòng và áp suất (thường từ 2 đến 5 bar để tăng cường hiện tượng cavitation). Đây là nơi bạn chứng minh tiết kiệm chất hoạt động bề mặt, đạt được mục tiêu d90 hoặc span, và thời gian lưu giữ có thể đạt được ở các tốc độ dòng chảy thực tế, đồng thời ghi lại năng lượng để cân đối chi phí vận hành (OPEX).

3) Mở rộng quy mô sản xuất với 4xUIP6000hdT
Các hệ thống siêu âm quy mô lớn thường sử dụng kỹ thuật song song để đạt công suất hàng tấn mỗi giờ. Ví dụ, bốn thiết bị UIP6000hdT (6 kW mỗi thiết bị) hoạt động song song với công suất tiêu thụ cụ thể 0,5 kWh/t có thể xử lý khoảng 10 đến 12 tấn/giờ. Do các thiết bị được điều khiển biên độ và trang bị buồng phản ứng dòng chảy và ống tăng áp, trường âm thanh được tái tạo chính xác. Điều này có nghĩa là các thông số d50, span và độ nhớt Brookfield của sản phẩm cuối cùng khớp với dữ liệu thí nghiệm trong phạm vi sai số phân tích.

So sánh siêu âm với máy xay rotor-stator và máy xay keo

Các máy nghiền rotor-stator và máy nghiền keo là các thiết bị bền bỉ và quen thuộc, nhưng chúng đánh đổi cường độ năng lượng để đổi lấy thời gian lưu và diện tích chiếm dụng lớn. Chúng cũng liên kết kích thước giọt với các khoảng thời gian quá trình rất hẹp và có thể yêu cầu nhiệt độ cao để tránh sự tăng đột biến độ nhớt. Công nghệ siêu âm tách biệt quá trình vỡ giọt khỏi lực cắt giữa các bộ phận chuyển động và thay vào đó sử dụng hiện tượng cavitation, giúp đạt được kích thước giọt tương đương hoặc tốt hơn trong thời gian ngắn hơn với tổng năng lượng cụ thể tương đương hoặc thấp hơn. Việc bảo trì cũng khác biệt. Không có yêu cầu về độ chính xác cao giữa rotor và stator. Trên thực tế, người vận hành báo cáo chu kỳ làm sạch tại chỗ nhanh hơn và việc chuyển đổi giữa các công thức dễ dàng hơn.