Установка для приготування бітумних емульсій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

Установка для приготування бітумних емульсій

К.В. Бауман, асп.

Постановка проблеми. При будівництві та реконструкції різних промислово-цивільних об'єктів для влаштування гідроізоляційного покриття, як ґрунтовка під гідроізоляцію, для приклеювання рулонних та листових матеріалів при температурі навколишнього середовища широко застосовують в'яжуче на основі бітуму, зокрема, бітумні та бітумно-полімерні емульсії. Бітум має виражені в'язко - пружньо-пластичні властивості в залежності від температури, що і зумовило його використання як в'яжучого в будівництві. Але бітум доцільно використовувати при мінімально можливій в'язкості [1, 2].

Аналіз останніх досліджень. Найбільш розповсюджений спосіб зменшення в'язкості бітуму - розігрів до технологічних температур (гарячий спосіб). Досить енергоємний, отримана продукція має обмежений період використання. Гарячий спосіб негативно впливає на оточуюче середовище впродовж усього циклу виконання робіт.

Ефективним є також розрідження бітуму спеціальними леткими розчинниками. Але цей спосіб досить дорогий через велику вартість самих розчинників, що випаровуються за відносно короткий термін. Технологія зниження в'язкості бітуму із застосуванням летких розчинників має великий недолік: леткі сполуки забруднюють оточуюче середовище та підвищують пожежонебезпечність при виконанні робіт.

Найбільш ефективним є емульгування бітуму у воді у присутності спеціальних речовин. Виготовлення бітумних емульсій менш енергоємний спосіб зниження в'язкості порівняно із гарячим способом та екологічно безпечний порівняно із попередньо наведеним способом. У більшості промислово розвинутих країн світу все ширшого застосування набувають саме бітумні емульсії. Наприклад, у Франції понад 30 % бітуму, який використовується, перетворюються в емульсії; в Японії цей відсоток досягає 70 % [2].

Формулювання мети і задач дослідження. Приготування бітумної емульсії вимагає спеціального обладнання. Розроблення та впровадження установок для приготування бітумних емульсій проводять як в Україні, так і за її межами. Серед найвідоміших фірма «MASSENZA» (Італія), «IKA Werke GmbH» (Німеччина), «Аkzo Nobel» (Швеція), ООО «Давиал» (Росія), ДП НВЦ «Композит» (Україна) та багато інших.

Пристрій емульгування у більшості з цих установок представлений колоїдним млином та його різними модифікаціями. Але принцип залишається сталим. Колоїдний млин складається з рухомого ротора та нерухомого статора. Суміш води з бітумом надходить до пристрою емульгування, проходить через зазор між нерухомим статором та рухомим ротором, в якому піддається ряду механічних та гідродинамічних впливів: зрізуючі та розтягуючі навантаження, контакт з робочими частинами обладнання, великі зсувні напруження, пульсації швидкості та тиску потоку рідкого середовища, розвинута турбулентність та інше. На виході з вузла емульгування отримується готова бітумна емульсія необхідної дисперсності, яка готова до використання [3-6].

Використання колоїдних млинів потребує великих затрат енергії, установки мають велику металоємність та габарити, а тому їх застосування є не досить ефективним і вимагає подальшого вдосконалення. Таким чином, розробка новітнього устаткування для приготування бітумних емульсій є перспективною та актуальною.

Виклад основного матеріалу. Диспергувати взаємонерозчинні речовини такі як бітум та водний розчин із технологічних наповнювачів також можливо і за допомогою кавітаційних диспергаторів, які порівняно із колоїдними млинами є більш перспективними та ефективними [7].

В основу роботи кавітаційних диспергаторів покладено створення гідродинамічної кавітації в рідкому потоці бітумно-водяної суміші. Кавітація - явище розриву суцільності потоку крапельної рідини під дією розтягуючого напруження, що виникає в ній при зниженні тиску. При розриві суцільності у середовищі крапельної рідини утворюються порожнини - кавітаційні бульбашки, які заповнені парою, газом чи їх сумішшю. При схлопувані кавітаційних бульбашок виникають кумулятивні мікрострумини та відбувається розпад останніх на мікровихорі досить великої інтенсивності, що дозволяє отримувати високу (аж до молекулярного рівня) однорідність незмішуваних рідин, які обробляються. Цей процес обумовлений особливою зміною характеристик поля швидкостей та тиску. Як наведено в [9] кавітаційні бульбашки виникають в тих локальних місцях, в яких поточний тиск у рідині стає нижчим від деякого критичного [8]:

(1)

де - тиск насиченої пари рідини; початковий тиск всередині бульбашки; - коефіцієнт поверхневого натягу рідини; ,- початковий і поточний радіус бульбашки.

Перепад тиску у рідині забезпечується шляхом збільшення місцевих швидкостей потоку крапельної рідини, що обумовлено особливою конструкцією кавітаційного диспергатора.

В науково - дослідній лабораторії Гідродинаміки Вінницького національного технічного університету спільно з ДП НВЦ «Композит» (м. Київ) розроблена конструкція установки для приготування бітумної емульсії (рис. 1), в якій вузол емульгування представлений кавітаційним диспергатором. Установка складається із ємностей для зберігання компонентів бітумної емульсії, трубопроводів - напірних ліній, якими з'єднані насосні агрегати із вузлом емульгування. Установка забезпечена дистанційним керуванням технологічним процесом кавітаційної обробки. Вузол емульгування складається з аккамулюючої камери, конфузорної та дифузорної частин, які з'єднані між собою трубопроводом меншого діаметру, конусоподібного робочого органу та змішувальної камери. Регулювання зазору між конічною поверхнею конусоподібного робочого органа диспергатора та внутрішньою поверхнею конфузора здійснюється за допомогою натяжного стержня, один кінець якого приєднаний до робочого органу кавітатора, а інший жорстко приєднаний до основи, яка механічно закріплена на корпусі кавітатора. В середині натяжного стержня виконані основний та допоміжний канали для подачі водного розчину із технологічних наповнювачів в зону кавітації змішувальної камери.

В установці передбачається підігрів та зовнішня теплоізоляція бітумного та водяного вузлів.

Працює запропонована установка таким чином.

Бітумний та водяний вузли установки необхідно попередньо прогріти. Кран водяний вхідний 5, бітумний вхідний 6 та кран водяний байпасний 8, бітумний байпасний 7 та запірні вентилі 9, 10 встановлюються у відкритому положенні. Бітумний та водяний насоси 3 та 4 при цьому працюють, а трьохходові крани 11 та 12 встановлені у положенні подачі на байпас, при якому компоненти по лініях повернення подаються в ємності 1 та 2. По досягненню бітумом та водною фазою необхідних параметрів за температурою, частково відкривається випускний кран 13 на подачу бітумної емульсії на склад готової продукції та, після вирівнювання тисків води та бітуму, переключається трьохходовий кран 11, а після 1-2 секунд трьохходовий кран 12 на подачу компонентів у вузол емульгації.

Водний розчин із технологічних наповнювачів трубопроводом 15 подається на основний канал натяжного стержня 21. Для інтенсифікації перемішування влаштовані додаткові канали в конусоподібному робочому органі кавітатора. По основному та додатковим каналам натяжного стержня водний розчин із технологічних наповнювачів поступає до змішувальної камери кавітатора 20.

Рис. 1. Принципова схема установки для приготування бітумних емульсій

1, 2 - ємності, відповідно, з бітумом та водною фазою; 3, 4 - бітумний та водяний насоси; 5, 6 - вхідні крани бітумний та водяний; 7, 8 - байпасні крани бітумний та водяний; 9, 10 - запірні вентилі; 11, 12 - трьохходові крани; 13 - випускний кран; 14 - аккамулююча камера; 15, 16 - трубопроводи подачі водної фази та рідкого бітуму; 17, 18 - конфузорна та дифузорна частини кавітатора; 19 - конусоподібний робочий орган; 20 - змішувальна камера; 21 - натяжний стержень; 22 - трубопровід відбору емульсії; 23 - пробовідбірник; 24 - кран пробовідбірника; 25, 26, 27, 28, 29, 30 - давачі температури і тиску; 31 - водяний фільтр.

Рідкий бітум по трубопроводу 16 надходить до аккамулюючої камери 14 після якої рух бітуму пришвидшується внаслідок зменшення прохідного отвору у конфузорній частині кавітатора. При проходжені рідкого бітуму крізь зазор між конічною поверхнею конусоподібного робочого органа диспергатора та внутрішньою поверхнею конфузора у змішувальній камері виникає перепад тиску, шо і сприяє виникненню кавітації. Завдяки кавітаційному процесу відбувається безперервне приготування бітумної емульсії із необхідними вихідними якісними параметрами. Емульсія трубопроводом 22 подається в ємність готового продукту, або відразу завантажується в автобітумовоз.

Регулювання зазору між конічною поверхнею конусоподібного робочого органа та поверхнею дифузора дає можливість підібрати необхідну швидкість та тиск оброблюваного середовища для забезпечення оптимальних умов створення гідродинамічної кавітації.

Наведений вузол емульгування здійснюють диспергування та емульгування бітуму без сторонніх приводних механізмів, без додаткових витрат електроенергії на їх привід та мають більш спрощену конструкцію порівняно із відомим установками [3-6].

Наведена установка для приготування бітумної емульсій була випробувана на одній з будівельних організацій України та показала задовільні результати. Отримані прямі емульсії відрізняються високою дисперсністю та стійкістю.

Емульгування бітуму у воді у присутності спеціальних речовин є найбільш ефективним, а головне менш енергоємний спосіб зниження в'язкості. Дослідження конструктивного виконання та принципу дії сучасних установок для приготування бітумних емульсій, які широко застосовуються у промислово-цивільному будівництві та при спорудженні та ремонті автомобільних доріг, виявило суттєву недосконалість останніх: значна енергоємність, металомісткість, складнощі регулювання режимів емульгування, а також забезпечення необхідної якості вихідної продукції. Запропонована установка має суттєві переваги порівняно із вітчизняними і зарубіжними аналогами. Установка забезпечена дистанційним керуванням технологічним процесом попереднього змішування компонентів та їх подальшої кавітаційної обробки, що сприяє отриманню якісної вихідної продукції. Наведено ряд математичних залежностей, які пов'язують основні параметри і характеристики установки і надають можливість заздалегідь здійснювати відповідне налаштування.

Література

бітум емульгування колоїдний млин

1. Ластовкина Г.А., Радченко Е.Д., Рудина М.Г. Справочник нефтепереработчика - Л.: Химия, 1986. - 648 с.

2. Будник В.А., Евдокимова Н.Г., Жирнов Б.С. Битумные эмульсии. Особенности состава и применения // Нефтегазовое дело, 2006. - Режим доступу: http:www.ogbus.ru.

3. Битумно-эмульсионные установки (БЭУ) // ООО Давиал. Технологическое оборудование. - Режим доступу: http:www.davial.ru.

4. Эмульсионно-битумные технологии - Режим доступу: http://emulbittech.ru/produkciya.

5. Промышленное оборудование IKA // RTF - Режим доступу: http://www.rtf-info.ru/prom.html.

6. КОРРУС-ТЕХ, ИНК. Дорожно-строительная техника и технологии - Режим доступу: http://www.korrus.ru/doc/1.htm.

7. Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. - Киев, Вища школа, 1984. - 68 с.

8. Рождественський В.В. Кавитация. - Ленинград: Судостроение, 1977. - 248 с.

9. Бауман К.В., Борисенко А.А. Нова технологія та устаткування для виготовлення бітумної емульсії // Вісник Національного транспортного університету. - 2008. - № 6. - С. 393-396.

Размещено на Allbest.ru