Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

07.06.2016

Промышленное производство битумных эмульсий осуществляют на предприятиях, оснащенных специальным оборудованием. В состав эмульсионного завода входят следующие системы и агрегаты:
1) диспергирующее устройство (гомогенизатор), снабженное дозирующими устройствами для дисперсной фазы и дисперсионной среды;
2) подогреваемые теплоизолированные баки для хранения битума, разжижителя, эмульгаторов, модификаторов, стабилизаторов и конечного продукта, т.е. битумной эмульсии;
3) система контроля и управления;
4) источник тепла для нагрева теплоносителя (масла или пара), который обеспечивает производство тепловой энергией.
Как уже было отмечено, для производства эмульсии в промышленных масштабах используют механическое эмульгирование смеси путем воздействия на исходные компоненты сжатым воздухом или подвижными рабочими органами. В результате внешнего воздействия частицы битума приобретают заданные размеры (их диаметр составляет примерно 1 мкм) и равномерно распределяются в жидкой дисперсионной среде.
Машины с воздействием на среду сжатого воздуха имеют ограниченное применение, поскольку для приготовления эмульсий необходимы высокоактивные эмульгаторы и высококачественные битумы.
Машины с механическим воздействием рабочих органов на исходные компоненты битумной эмульсии классифицируют по следующим основным признакам:
1) режиму работы - оборудование циклического и непрерывного действия;
2) направлению перемещения рабочего органа - возвратнопоступательное (плунжер) и вращательное (лопастной вал и ротор);
3) виду колебаний рабочего органа - пьезоэлектрические, акустические, электромагнитные и жидкоструйные рабочие органы;
4) виду зазора между подвижным и неподвижным элементами рабочего органа - с регулируемым и нерегулируемым зазором;
5) количеству роторов - одно- и многороторные рабочие органы. Пьезоэлектрические и электромагнитные генераторы колебаний рабочих органов используют в основном в лабораторных установках.
Жидкоструйные генераторы колебаний также не получили широкого распространения из-за сложности конструкции и технологии приготовления эмульсии.
В технологических установках непрерывного действия вращающимся рабочим органом является, как правило, ротор. Он может иметь цилиндрическую, коническую или даже дисковую форму, гладкую, ребристую или волнистую рабочую поверхность (сплошного сечения или с отверстиями), вертикальное или горизонтальное расположение вала. Для интенсификации процесса часто используют несколько роторов.
Промышленное производство битумных эмульсий в основном осуществляют с помощью коллоидных мельниц различной конструкции. Их основными характеристиками, определяющими качество выпускаемой эмульсии, являются частота вращения ротора и величина регулируемого или постоянного зазора между статором и ротором. В общем виде коллоидная мельница представлена на рисунке 3.6.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

В машинах циклического действия используют лопастные смесители, которые также имеют различное конструктивное исполнение. Смеситель может иметь гладкие или рифленые лопасти, вместо лопастей - шнек с винтовой поверхностью.
Технологические установки в зависимости от особенностей конструкции называют по-разному: диспергаторами, гомогенизаторами, дезинтеграторами, турбосмесителями, коллоидными мельницами.
Примером диспергатора циклического действия может служить лопастной смеситель, представленный на рисунке 3.7. Корпус смесителя имеет обечайку 3 с коническим дном 1, рубашку 2 для обогрева и верхнюю крышку 4. Корпус прикреплен к горизонтальной раме, на которой установлен электродвигатель 14. В крышке имеются три отверстия для патрубков, через которые подают исходные материалы. Лопастной вал 11 приводит двигатель 14 через клиноременную передачу и конический редуктор.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Перемешивающее устройство состоит из вертикального лопастного вала 11 и четырех пар вращающихся лопастей 12, установленных под разными углами к оси вращения вала и создающих турбулентное перемешивание жидкости. Кроме вращающихся лопастей на внутренней поверхности обечайки закреплены четыре неподвижные лопасти 13.
Технические характеристики лопастного смесителя циклического действия представлены в таблице 3.2.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Для интенсификации перемешивания компонентов и получения более однородных битумных эмульсий на валу лопастного смесителя вместо лопастей устанавливают шнековый элемент, имеющий винтовую поверхность.
Возвратно-поступательное движение рабочего органа (в виде плунжера) реализовано в конструкции гомогенизатора модели ОГБ5-5, представленного на рисунке 3.8. Он состоит из станины 1, трехплунжерной системы 6, гомогенизирующей головки 7, электродвигателя 3 и ременной передачи 4. В состав системы 6 входят чугунный блок 2 с цилиндрами, вал 5 с эксцентриком 12, шатуны 11 и ползуны 10 с закрепленными на них плунжерами 8. Рабочие концы плунжеров входят в три цилиндра блока, на котором установлена головка 7. Перемещение ползунов осуществляется по направляющим 9.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

При движении плунжера вправо создается разрежение, в результате чего исходные материалы из канала всасываются в цилиндры блока 2. При движении плунжера в обратную сторону в камере создается избыточное давление, и материалы нагнетаются в гомогенизирующую головку, которая состоит из корпуса, клапана с седлом, распылителя и промежуточного стержня. Клапан представляет собой цилиндрический стержень, концы которого имеют сферические поверхности. Седло клапана выполнено в виде кольца с выточками на внутренней поверхности. Сферическая поверхность стержня и выточка седла образуют рабочий зазор, через который продавливают эмульгируемые материалы. В процессе работы исходные компоненты поступают самотеком в приемный канал блока цилиндров, откуда под давлением подаются плунжерами к гомогенизирующей головке и с большой скоростью (до 200 м/с) продавливаются через узкий зазор между притертыми поверхностями клапана и седла. Далее материалы проходят через распылитель, где за счет сильного завихрения потока происходят дробление и эмульгирование жидкостей. Готовая эмульсия из гомогенизирующей головки поступает в трубопровод и далее в емкость для хранения.
Технические характеристики плунжерного гомогенизатора модели ОГБ-5 представлены в таблице 3.3.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Для лабораторных целей используют компактную коллоидную мельницу роторного типа, конструктивная схема которой представлена на рисунке 3.9. Она имеет корпус 1, ротор 7 со шнеком 11, закрепленным на валу 2, статор 12 и загрузочную воронку 14.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Статор выполнен литым из чугуна, в нем установлена стальная коническая обойма, внутренняя поверхность которой является рабочей. В пространство над наружной поверхностью статора через штуцер 10 и шланги 13 поступает пар или жидкий теплоноситель для обогрева. Ротор имеет форму усеченного конуса с гладкой рабочей поверхностью, причем ротор и обойма статора имеют одинаковую конусность. Регулирование рабочего зазора между ротором и статором осуществляют вертикальным перемещением статора по резьбе корпуса с помощью рукояток 8 с контргайками 9.
При работе исходные материалы (битум и водный раствор эмульгатора) подают в воронку, откуда с помощью шнека они поступают в рабочий зазор между ротором и статором, где происходят измельчение и эмульгирование материала ротором, вращающимся посредством приводного шкива 3 ременной передачи. Полученная эмульсия лопатками 5, закрепленными на кронштейне 6 отражателя 4, отбрасывается к выпускному патрубку 15.
Технические характеристики лабораторной коллоидной мельницы приведены в таблице 3.4.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

В качестве примера промышленной модели однороторного рабочего органа представлен роторный гомогенизатор ДБ-1 (рисунок 3.10). На горизонтальном валу 5 установлен стальной диск (ротор) 2 с конической рабочей поверхностью, прилегающей к конической поверхности корпуса 4 (статора). Зазор между коническими поверхностями регулируют осевым перемещением ротора. Исходные компоненты смеси через канал 1, выполненный в крышке 3, поступают под давлением в зазор между статором и ротором, где и происходит образование эмульсии.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Технические характеристики одно дискового гомогенизатора представлены в таблице 3.5.
Совершенствование гомогенизаторов с вращающимся рабочим органом осуществляют установкой нескольких роторов на рабочем валу. В частности, в модели ДБ-1 вместо одного диска устанавливают два конических, соединенных между собой диска. Это позволяет повысить производительность благодаря одновременному прохождению эмульгируемых жидкостей через два зазора.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

На рисунке 3.11 приведена схема гомогенизатора со сдвоенным ротором 4, имеющим эллиптическую рабочую поверхность. Центры кривизны поверхностей ротора и корпуса 5 расположены так, что рабочие зазоры 3 можно изменять продольным перемещением вала 1. Вследствие этого можно регулировать давление жидкости, подаваемой через приемный канал 2, что способствует интенсификации эмульгирования.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Повышение качества диспергирования материалов и улучшение свойств битумной эмульсии обеспечивает применение роторов с волнистой рабочей поверхностью.
В турбосмесителе, изображенном на рисунке 3.12, для эмульгирования материалов предназначены специальные кулачки, закрепленные на торцевой стороне вращающегося ротора 1 и съемной неподвижной крышке статора 2 по концентрическим окружностям. В рабочем положении кулачки ротора входят в кольцевые пазы между кулачками статора.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Дезинтегратор отличается от турбосмесителя наличием второго ротора, установленного вместо неподвижной крышки и вращающегося в противоположную сторону. Относительная скорость кулачков при встречном движении увеличивается в два раза. Например, двухроторный гомогенизатор (рисунок 3.13) имеет корпус 3 с паровой рубашкой 10 и отверстиями для подвода пара к боковой крышке 4. В корпусе смонтированы конструктивно одинаковые роторы 7 и 8, установленные на одном общем валу 6 с ведущим шкивом 5. Внутренняя поверхность корпуса имеет две камеры - рабочую 2, в которой находятся лопасти ротора, и сборник готовой эмульсии эллиптического сечения. Между двумя камерами расположена рабочая щель с регулируемым зазором 9.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Эмульгируемые жидкости попадают в рабочую камеру через канал 1 в боковой крышке и продавливаются через зазоры между ротором и корпусом. Готовая эмульсия направляется в сборник и далее через патрубки в корпусе - в емкость готовой продукции.
Технические характеристики двухроторного гомогенизатора приведены в таблице 3.6.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Примером дисковой конструкции ротора является центробежный двухдисковый гомогенизатор, представленный на рисунке 3.14. Он состоит из литого чугунного корпуса 1, установленного на фундаменте. Корпус снабжен обогревающей рубашкой 2, по которой через отверстия 3 пропускают пар. В цилиндрическую расточку корпуса вставлено сменное кольцо 4, внутренняя поверхность которого является рабочей. В нижней части крышек 5 и 6 имеются отверстия 8 для слива готовой эмульсии. На валу машины жестко насажен рабочий диск 9, к которому прикреплен второй рабочий диск 10. Вал вместе с рабочими дисками может перемещаться в осевом направлении. Внутренняя поверхность сменного кольца 4 и наружная поверхность дисков 9 и 10 имеют коническую форму, поэтому при осевом перемещении дисков радиальный рабочий зазор может меняться в пределах от 0,15 до 1,0 мм. Изменение зазора влияет на производительность и качество приготовляемой эмульсии: чем меньше зазор, тем тоньше дисперсия.
К верхней части корпуса крепится загрузочная воронка, снабженная сеткой. Внутри прилива имеется канал для подвода битума и раствора эмульгатора в рабочую полость гомогенизатора. Смесь битума и раствора поступает в пространство между вращающимися дисками. За счет центробежных сил жидкость поступает в зазор между внешней поверхностью дисков и внутренней поверхностью кольца, где благодаря трению происходит процесс формирования битумной эмульсии.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Как уже было отмечено, одним из эффективных путей повышения производительности и качества битумной эмульсии является увеличение числа роторов. В качестве примера трехроторной машины на рисунке 3.15 показана схема трехступенчатого гомогенизатора. Он снабжен тремя дисками на валу 10: диском 5 с рифленой поверхностью и двумя дисками 6 - с гладкой конической поверхностью. На внутренней поверхности корпуса напротив дисков укреплены кольцо 24 с рифленой поверхностью и два кольца 21 - с конической. Между гладкими кольцами вставлены распорные кольца 23, а между дисками - распорные кольца 9. В рабочем положении выступы рифленого Диска входят в выточки рифленого кольца. На обоих гладких конических кольцах и на внутренней поверхности правой крышки корпуса укреплены перегородки 22, а на каждом из трех дисков - по шесть нагнетательных лопаток 25.
Ширину рабочего зазора между дисками и кольцами изменяют регулировочным механизмом. Он состоит из регулировочных гаек 14 и 15, установочной гайки 16, распорной втулки 13, стопорной гайки 17, кольца со шкалой 18 и указателя 19. Вращением гаек 14 и 15 поступательно перемещается втулка 11, а вместе с ней и диски. Корпус 4 состоит из внутреннего 8 и наружного 7 цилиндров и крышек 3. Внутреннее пространство в корпусе используется для пара, обогревающего гомогенизатор. Ротор приводит во вращение электродвигатель (мощностью 7 кВт) через клиноременную передачу 12. Эмульгируемые жидкости по приемному патрубку 2 поступают в устройство и проходят три ступени эмульгирования: вначале продавливаются через зазор между рифлеными, а затем последовательно через зазоры между гладкими коническими поверхностями. Готовая эмульсия подается через патрубок 20. Производительность такого гомогенизатора составляет около 3 т/ч.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Приведенные конструкции гомогенизаторов имеют горизонтальное расположение рабочих элементов. Помимо этого, имеются конструкции с вертикальным расположением роторов. На рисунке 3.16 представлены трех- и пятищелевой гомогенизаторы с вертикальной осью вращения. Каждый из них имеет корпус, статор, ротор и привод с электродвигателем. Нагретые исходные материалы поступают в загрузочную воронку и далее - в приемную камеру. В камере, они предварительно перемешиваются лопастями и затем через верхние выточки и отверстия статора поступают в рабочие зазоры, где интенсивно измельчаются и эмульгируются. Рабочие зазоры регулируются вертикальным перемещением ротора.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Технические характеристики гомогенизаторов приведены в таблице 3.7.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

В диспергаторе Бауэра (рисунок 3.17) формирование эмульсии происходит при постоянном зазоре между дисками ротора и статора, которые снабжены большим количеством отверстий. Благодаря этим отверстиям изменение скорости вращения вала адекватно изменению величины рабочего зазора между элементами рабочего органа. Битум и эмульгатор подают через приемную воронку 2. При вращении вала 3 на границе дисков 1 ротора и статора, имеющих большое количество сквозных отверстий, происходит срез битума в виде тонкой пленки.
Эта пленка под действием поверхностного натяжения распадается на капли, которые в присутствии эмульгатора приобретают стабильное состояние. При проходе через отверстия других пар дисков происходит дальнейшее дробление капель. Таким образом, по технологическим возможностям этот диспергатор мало отличается от машин с регулируемым зазором.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Еще один пример конструкции гомогенизатора с нерегулируемым зазором представлен на рисунке 3.18.
Отсутствие возможности регулирования зазора компенсируется многоступенчатым прохождением исходных компонентов смеси через рабочие органы гомогенизатора. Обрабатываемые компоненты из приемной воронки 1 поступают на верхнюю часть ротора 3, снабженного лопастями 2, которые их отбрасывают к стенкам корпуса. Далее компоненты проходят через зазор между стенками корпуса и ротором (первая ступень) и проталкиваются через лабиринтный зазор между кольцами 4 статора 5 (вторая ступень). И наконец, они перемещаются через гладкую щель между ротором и статором, расположенную ближе к оси вращения ротора (третья ступень), и выходят через отверстие 6.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Акустическое воздействие рабочих органов на исходные компоненты реализуют на установке, представленной на рисунке 3.19. Приготовление эмульсии осуществляют при помощи акустического вибратора 8, состоящего из штуцера, сопла и вибрирующей пластины. Необходимое количество битума и водного раствора эмульгатора подают в бак 6. Уровень жидкостей в баке должен быть таким, чтобы вибратор 8 оказался погруженным в жидкость, затем включают насос 2 и жидкость под давлением 0,6-0,8 МПа подают через фильтр 7 к вибратору. Пройдя через вибратор, жидкости возвращаются в бак 6. Непрерывная циркуляция продолжается до тех пор, пока в рабочем баке не образуется эмульсия. Вибратор наиболее эффективно работает в режиме резонанса, когда частота собственных колебаний пластины будет совпадать с частотой вынужденных колебаний.
Несмотря на широкий спектр разнообразных диспергирующих устройств (упомянутых гомогенизаторов, дезинтеграторов, турбосмесителей и т.п.), ведущие производители оборудования для производства битумных эмульсий используют в основном однороторные коллоидные мельницы с постоянным или регулируемым зазором между статором и ротором. Битумная эмульсия, полученная в таких установках, имеет наиболее стабильные и высокие показатели основных параметров, регламентированных требованиями нормативных документов.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

На рынке Белоруссии представлены установки с коллоидными мельницами для производства битумных эмульсий ряда ведущих зарубежных фирм, в их числе немецкой «Breining (Fayat Group)», французских «Rinchevale (Fayat Group)» и «Emulbitume», шведской «Akzo Nobel», итальянской «Massenza», финской «Kalottikone», а также российских компаний. В зависимости от комплектации их производительность составляет от 3 до 50 т/ч.
В Белоруссии аналогичное оборудование выпускают несколько компаний, например, минская «БелТЕН» производит установки непрерывного действия Катион-10 с комбинированной системой дозирования компонентов производительностью 10-12 т/ч; «Еврокомдормаш» (г. Минск) выпускает установки BiEM непрерывного действия производительностью от 3 до 12 т/ч с комбинированной системой дозирования компонентов и полуавтоматической системой управления.
Для приготовления эмульсий высокого качества из различных битумов необходимо регулировать параметры диспергатора (например, частоту вращения рабочего органа или величину зазора между его подвижными и неподвижными частями) для изменения интенсивности воздействия на компоненты эмульсии. Излишнее силовое воздействие на компоненты не способствует стабилизации эмульсии. В диспергаторе должно быть по возможности обеспечено получение эмульсии одноразовым воздействием рабочим органом на исходные компоненты по всему их объему.
Для создания эмульсии с размером капель битума около 5 мкм с производительностью 5 т/ч требуется небольшая мощность - всего 10в-2 кВт. Однако реальная мощность, необходимая для привода диспергатора такой производительности, на два порядка больше и составляет около 5 кВт, поскольку основная работа при эмульгировании затрачивается на перемещение жидкости и преодоление сил трения рабочих органов.
Одним из факторов, влияющих на мощность, является гидравлическое сопротивление элементов и агрегатов диспергатора, которое должно быть минимальным, чтобы снизить потери мощности.
При воздействии на жидкость рабочего органа возникают большие касательные напряжения и сдвиговые деформации, обеспечивающие диспергирование материала.
Образование дисперсной фазы зависит от продолжительности Т силового воздействия рабочего органа на жидкость.
Если Т ≫ τ, где т - средняя продолжительность свободного теплового перемещения молекул в жидкости, то дисперсная фаза не образуется.
Если Т < τ, происходит образование дисперсной фазы. Соответственно, следует подбирать такой режим работы диспергатора, чтобы соблюдалось последнее неравенство.
Однородность эмульсии во многом зависит от размеров частиц битума и равномерности их распределения. Кроме того, на нее влияет конструкция диспергатора. Для повышения однородности битумной эмульсии рабочий орган должен обеспечивать одинаковое силовое воздействие на весь поток жидкости, проходящей через диспергатор. С этой целью при конструировании рабочую поверхность ротора и статора выполняют с продольными рифлениями и стремятся уменьшить конусность составных частей рабочего органа и приблизить их форму к цилиндрической, чтобы силовое воздействие на поток жидкости было практически одинаковым по всей поверхности ротора и статора.
При механическом воздействии некоторые жидкие компоненты, предназначенные для приготовления битумных эмульсий, при взаимодействии с воздухом могут проявлять склонность к пенообразованию. Для устранения или снижения ценообразования в диспергаторе должно быть исключено свободное попадание воздуха в зону воздействия рабочего органа на жидкую среду.
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

В расчетах диспергатора принимают следующие допущения. Во-первых, форму ротора и статора принимают цилиндрической со средним диаметром D и высотой В (рисунок 3.20). Во-вторых, в роторе и статоре под углом α к основанию выполняют пазы рифлений, которые располагают друг относительно друга под углом (180 - 2 α)°. В-третьих, ширину пазов и перемычек между ними считают одинаковой.
С учетом этих допущений суммарная площадь отверстий в роторе и статоре S = пDВ/4.
Как видно, она равна половине площади пазов ротора и статора и не зависит от угла наклона α и ширины δ пазов.
Значение угла α определяют по формуле
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Минимальное значение угла αmin = аrсtg(2δ/пD) соответствует условию обеспечения заданной ширины паза и перемычки, максимальное αmax = arctg(B/2δ) - условию обеспечения постоянства суммарной площади S отверстий при любом угле поворота ротора относительно статора.
При значениях угла α от аrctg(В/2δ) до п/2 среднее значение S (при одном обороте) сохраняется, а мгновенное значение изменяется в зависимости от угла поворота ротора, например при α = п/2 оно изменяется до 2Sср = пDB/2. Колебания значений S приводят к пульсации давления, что может сказаться на работе быстро вращающегося ротора.
При расчете режимов работы диспергатора полагают, что в любом элементарном объеме жидкость содержит заданное количество битума.
При частоте вращения n продолжительность существования каждого отверстия на рабочем органе Δt = 2Всtg α /(пDn), площадь каждого отверстия S1 = δ2/sin2 α. При α = п/4S1 min = δ2.
Объемный расход эмульсии, проходящий через отверстие,
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

где V - объемный расход эмульсии через все отверстия.
Количество (объем) битума, проходящего через отверстие, определяют из выражения
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

где К - объемная доля битума в эмульсии;
ΔV - объем эмульсии, проходящей через отверстие.
Объем КΔV битума примет форму нити длиной B/sinα, причем на это же расстояние переместится отверстие за промежуток времени Δt.
Площадь поперечного сечения и диаметр нити определяют по формулам
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Установлено, что при механическом диспергировании нить битума становится неустойчивой и самопроизвольно распадается, если L ≫ пd (L - длина нити). Полагая максимальную длину отрезков, на которые распадается нить, L = пd, объем образующихся капель битума ΔV = SL. Тогда максимальный диаметр битумных капель
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Необходимая частота вращения ротора для достижения заданной дисперсности эмульсии
Оборудование для диспергирования компонентов битумных эмульсий

Если по условиям изготовления нарезка на рабочем органе наклонных пазов не представляется возможной, то принимают следующие допущения: во-первых, величину угла принимают α = п/2; во-вторых, нарезают пазы параллельно оси вращения ротора и статора; в-третьих, выполняют различное число прорезей на роторе и статоре для снижения пульсаций давления.
При α = п/2 диаметр капель битума и частоту вращения ротора n рассчитывают по формулам (3.6) и (3.7).