10.3.3. Технологія виробництва

Процес утворення емульсії складається з розподілення однієї рідини в іншій і утворення стійких крапель при наявності ПАР у системі, яка знижує поверхневий натяг середовища. Рідина з низьким поверхневим натягом (ПАР) розтікається по рідині (воді) з більш високим поверхневим натягом.

Розмір крапель емульсії залежить від властивостей змішуваних рідин (в’язкості, поверхневого натягу і ін.), а також від їх кількісного співвідношення. Крім того, від засобу отримання емульсії і часу перемішування. Так при механічному змішуванні вона обумовлюється розмірами робочих елементів і ємності, у якій готується емульсія, швидкістю елементів, що обертаються, кількістю ультразвукових або електрогідравлічних імпульсів, а при хімічному – якістю ПАР і кількісним співвідношенням компонентів дисперсної системи.

Для забезпечення найбільш сприятливих умов у процесі диспергування необхідно, щоб консистенція суспензії емульгатора і розплаву бітуму були приблизно однакові. Тому бітум, що вводиться у диспергатор, повинен мати температуру, яка при деякому оптимумі забезпечувала б йому консистенцію рівну консистенції розчину емульгатора. У результаті температура бітуму і розчину емульгатора не повинна перевищувати 200С, інакше може статися спінення суміші бітуму і розчину емульгатора і викидання емульсії із диспергатора.

Рис.10.26. Однодисковий гомогенізатор ДБ-1

При механічному емульгуванні використовують диспергатори. Наприклад, однодисковий гомо-генізатор ДБ - 1 (рис. 10.26) має укріплений у корпусі 4 на горизонтальному валу 5 стальний диск (ротор) 2 з конічною робочою поверхнею, що примикає до контакту 6 поверхні корпуса (статор).

Зазор між конічними поверхнями регулюється вісьовим переміщенням ротора. Компоненти емульсії поступають до ротора через канал 1 кришки 3 у запону.

Технічна характеристика диспергатора дб – 1

Середня продуктивність, м³/с (т/ч)……………….1,410^-4 (0,5)

Ширина зазору, мм ……………………………....0,15 – 0,1

Частота обертання, хв^-1 ……………………….….3000

Потужність двигуна, кВт …………………………28

Триступеневий диспергатор (рис 10.27) має всередині вал з одним рифленим і з двома гладкими дисками. На внутрішній поверхні корпуса закріплені три нерухомих кільця, одне рифлене і два гладких. Рифлені і гладкі поверхні кілець і дисків, що створюють робочі зазори, регулюються.

При емульгуванні вихідні матеріали поступають у першу камеру під дією лопаток проходять через зазор між рифленими поверхнями і попадають у третю і четверту камери. Таким чином, рідини послідовно проходять три ступені обробки.

Технічна характеристика триступеневого диспергатора

Продуктивність, м³/с (т/ч) …………………………16,710^-4 (5)

Ширина робочих зазорів, мм ……………..……….0,5 – 4

Частота обертання вала, хв^-1 ………………..……..1440

Потужність електродвигуна, кВт ………………….7

При механічному способі емульгування бітум, в основному, подрібнюється під впливом механічних зусиль: удару, відколу, розтягу і ін. При цьому краплі бітуму розтягуються у ниті і набирають форми, що близька до циліндричної. Коли висота циліндра досягає розміру більшого діаметра кола, його перерізу перпендикулярного до осі, він становиться нестійким і розривається на частинки. Отримані крупні краплі далі розтягуються у ниті нестійкої форми і розпадаються на більш дрібні краплі, що супроводжується зменшенням поверхневої енергії. Аналіз механічного приготування бітумної емульсії показав, що виконування передчасного обезводнення бітуму не обов’язкове, а емульсії утворюються і при температурі 95 –98С.

В апаратах для механічного емульгування звичайно використовують диски, що обертаються у різні сторони, між якими є опори руху рідини у вигляді пазів, вузьких щілин, зубців, каналів, шпильок, кілець, гребінок, або в самих дисках установлюються малі створи і ін.

185

Рис. 10.27. Трихступеневий диспергатор:

1 – шпонка; 2 – приймальний патрубок; 3 – кришки; 4 – корпус; 5 – рифлений диск; 6 – гладкі диски; 7 – зовнішній циліндр; 8 – внутрішній циліндр; 9, 23 – розпірні кільця; 10 – вал; 11 – втулка; 12 – шків; 13 – розпірна втулка; 14, 15 – регулювальні гайки; 16 – настановна гайка; 17 – стопорна гайка; 18 – шкала; 19 – вказівник; 20 – зливний патрубок; 21 – гладкі кільця; 22 – перегородки; 24 – рифлене кільце; 25 – лопатки

Робочі поверхні ротора і статора, що утримують зазор, можуть мати різну геометричну форму. Найбільш поширена зубчата поверхня.

Аналіз результатів досліджень показує, що найбільш якісні емульсії виробляють при використанні колоїдних млинів (середній діаметр крапель 3-4 мкм), менш якісні емульсії отримують при механічному перемішуванні при швидкості 1500 хв ^–1 і терміну емульгування 10-40 хв (середній діаметр 12-18 мкм), ще грубіші емульсії виробляють барботуванням і при використанні акустичного диспергатора АД-2 (середній діаметр більш 50 мкм).

Виробництво бітумних емульсій здійснюється спільним використанням багатьох вузлів і агрегатів асфальтобетонного заводу з використанням спеціального обладнання. На рис. 10.28 наведена типова схема розміщення обладнання для виробництва аніонних бітумних емульсій.

В бітумоварильний котел (рис. 10.28) закачують на дві третини його ємності органічне в’яжуче. Бітум зневоднюють при температурі 105-110°С. Зневоднений бітум нагрівають до робочої температури БНД 40/60...140-150°С, БНД 60/90...120-140°С, а при температурі в приміщенні, де встановлена емульсійна установка нижче 15-170°С. Повинно бути два бітумоплавильних котли (рис. 10.28): один – для випарювання бітуму, другий – для нагрівання його до робочої температури. Бітум очищають фільтром з діаметром отворів 3 мм, що встановлені на всмоктувальній трубі насосу, який перекачує бітум з видаткового котла у емульсійну установку. Бітум, як і розчин емульгатора, що поступає у диспергатор, дозується за розмірами надходжених стрічок рідини.

Як емульсійні машини використовуються диспергатори (табл. 10.6).

Крім диспергатора, база по виробництву бітумної емульсії повинна мати і інше обладнання (рис. 10.28), а саме – бітумоварильні котли для розігріву і зневоднення бітуму; ємності для розчинення їдкого натрію і виробництва робочих розчинів лугів, мішалку для приготування водного розчину емульгатора, розхідні резервуари для емульгатора, водопом'якшувальну установку; насоси, дозатори і ін.

Таблиця 10.6

Характеристика емульсійних машин

Емульсійна машина	Продуктивність, т/ч	Потужність електродвигуна, кВт	Принцип дії	Призначення
Багатодисковий диспергатор ЕМ-25	25	14	Безперервний	Для прямих емульсій
Багатощільовий диспергатор Д-3	5-7	7,5	Безперервний	Для прямих емульсій
Багатощільовий диспергатор Д-3	10-12	10	Безперервний	Для прямих емульсій
Акустичний диспергатор	1	4,5	Періодичний	Для прямих емульсій

187

Рис.10.28. Схема розміщення обладнання для виробництва висококонцентрованих бітумних емульсій:

1 – бітумоплавильні котли; 2 – емульсійна мішалка; 3 – автогудронатор; 4 – насос; 5 – резервуари для емульсій;

6 – бункер для цементу або вапна з живільником; 7 – резервуари для водного розчину емульгатора;

8 – водопом'якшильна установка; 9 – резервуар для зм’якшеної води;

10 – резервуари для їдкого натрію; 11 – котел для варки мила

Прямі аніонну і катіонну емульсії виробляють за схемою (рис 10.29 і рис 10.30): емульгатор і луг (або кислоту при виробництві катіонної емульсії) вводять у воду, готують розчин необхідної концентрації, а потім його додають у бітум у визначених співвідношеннях, подають у диспергатор (емульсійну установку), де і виробляється емульсія.

Рис.10.29. Технологічна схема виробництва емульсій.

Перекачування бітуму, водних розчинів емульгаторів і емульсій здійснюється бітумними насосами, наприклад, марки Д-17 продуктивністю 200-300 л/мин, що обігріваються, наприклад, паром. Для транспортування бітуму, в’яжучих і емульгаторів рекомендуються трубопроводи діаметром 2,5-3^//, а для емульсій і води 2-2,5^//. Тиск пари у паровій сорочці бітумопроводу не повинно перевищувати 0,1 МПа. Обігрів емульсійної установки (90-95⁰С) доцільно вести гарячою водою.

При приготуванні розчину емульгатора для аніонної емульсії у воду, що нагріта до температури 50⁰С додають їдкий натрій (0,2-0,3% від маси води) і, наприклад, алкілбензолсульфанат натрію (– SO₃Na, середньочисельна маса), 2-3% від маси води та ретельно перемішують до повного розчинення. Кількість їдкого натрію і алкілбензолсульфанату натрію дозують об’ємними дозаторами. Розчин емульгатору нагрівають до температури 70-80⁰С.

Кількість емульгатора, який уводиться у воду, уточнюють з урахуванням води, що вміщується у емульгаторі за формулою 10.9:

(10.9)

де: N – кількість емульгатора, необхідного для приготування емульсії, % (0,2-0,3%); n – кількість емульгатора, %, що рекомендовано для приготування емульсії (наприклад, для алкілбензосульфаната натрію 0,2-0,3% від маси води); В – вміст води у емульгаторі, %.

бітум вода поліамін соляна кислота

189

Рис. 10.30.Функціональна схема виробництва катіонної бітумної емульсії

Кількість їдкого натрію А (в % від маси води) розраховують за формулою (10.10):

(10.10)

де: а – кислотне число або число омилення емульгаторів (основність емульгаторів і кислотне число визначають згідно з ГОСТ 11362); h – кількість емульгатора (2-3% від маси води); 0,714 – коефіцієнт перерахунку молекулярної маси від їдкого калію до їдкого натрію; С – надлишок їдкого натрію у водному розчині емульгатора 0,1-0,12%.

При приготуванні розчину емульгатора для катіонної емульсії у воду, що нагріта до температури 65-75⁰С вводять соляну кислоту (0,2% від маси води 36% розчину HCl – щільністю 1179 кг/м³) і, наприклад, емульгатор – алкілтриметиламоній хлорид – АТМ (0,5-1,0 % від маси води), ретельно перемішують до повного розчинення. Розчин підігрівають до температури 70-80⁰С. Більш точно кількість соляної кислоти, яка необхідна для введення у розчин емульгатора, встановлюють по табл. 10.7.

Таблиця 10.7

Концентрація HCl, %	Щільність соляної кислоти, г/см3	Коефіцієнт	Концентрація HCl, %	Щільність соляної кислоти, г/см3	Коефіцієнт
20	1,098	1,784	30	1,149	1,197
22	1,108	1,614	32	1,159	1,113
24	1,119	1,486	34	1,169	1,052
26	1,129	1,366	36	1,179	1,000
28	1,139	1,279	38	1,189	0,851

* Наприклад, необхідно добавити 2,5 кг соляної кислоти з щільністю 1,179 г/см³, а є кислота з щільністю 1,129 г/см³, тоді її необхідно добавити у кількості 2,5∙1,366=3,42 кг.

Готовий розчин емульгатора повинен мати водородний показник рН у межах 1,8-2,2.

Значення рН менш 1,8 свідчить про надлишок кислоти, що негативно впливає на адгезію емульгованого бітуму, більш, ніж 2,2 – про недостатність кислоти, що погіршує умови емульгуванню бітуму. Розчини емульгаторів і кислот виробляють безпосередньо перед використанням в ємностях, що щільно закриваються кришками.

Приготування аніонної і катіонної емульсій.

Температуру бітуму і розчину емульгатору визначають таким чином, щоб сума цих двох температур не перевищувала 200⁰С. В противному випадку може відбутися закипання суміші бітуму і розчину емульгатора та викидання її з емульсійної машини.

Прогрівають диспергатор, крани і трубопроводи. Потім включають двигун і подають водний розчин емульгатора. Після того як розчин заповнить емульсійну машину і стане витікати з вихідного отвору, необхідно забезпечити подачу бітуму. Відрегулювавши подачу бітуму і розчину емульгатора (1:1), забезпечивши таким чином задану концентрацію емульсії, відключають обігрів кожуха машини.

Враховуючи неточність об’ємного дозування компонентів при безперервному процесі отримання емульсії, рекомендується подавати бітум у кількості, декілька більшій ніж потрібно. Для того, щоб откоректувати концентрацію емульсії в ємності для готової продукції, її розбавляють розчином емульгатора, кількість якого розраховують (10.11):

х = а ∙ (m / n – 1) (10.11)

де: х – кількість розчину емульгатора, необхідного для розчинення емульсії, кг, т; а – кількість емульсії, що потребує розчинення, кг, т; m – концентрація емульсії, що розріджується, %; n – потрібна концентрація емульсії, %.

Протягом процесу виробництва емульсії температура бітуму, що поступає у диспергатор, повинна бути постійною, тому що зміниться швидкість її течії через дозувальні вентилі, що приведе до зміні концентрації емульсії.

Температура готової емульсії, що витікає з диспергатора, 90С.

Після приготування катіонної емульсії, щоб уникнути корозії металу, необхідно промити гарячою водою обладнання, крізь яке проходять водні розчини (ємність з перемішувальним пристроєм для приготування розчину емульгатора, дозувальний бачок HCl, диспергатор, трубопроводи і насоси). Найбільшу небезпеку для металу представляє соляна кислота як у концентрованому, так і в розбавленому вигляді. Катіонні емульгатори є інгібіторами корозії, тому їх водні розчини, навіть якщо до їх складу входить соляна кислота, суттєвої корозії металу не викликають. Готова катіонна емульсія не руйнує метал.

Приготовлену емульсію перекачують у резервуар для зберігання емульсії (рис.10.28).