УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
INSTALLATION FOR PRODUCTION OF POLYMERIC-BITUMEN BINDERS

Изобретение относится к получению полимерно-битумных композиций на основе нефтяных битумов. Получаемые композиции могут быть использованы в дорожном строительстве в качестве вяжущего для асфальтобетонных смесей, в промышленном и гражданском строительстве для кровельных и гидроизоляционных работ.
m
m
Известна установка для получения битумно-полимерных материалов (патент RU 2264251, МПК B01J 19/18, опубл. 20.11.2005 г.), содержащая аппарат с перемешивающим устройством с патрубком для подачи газовой фазы, наружный контур циркуляции, состоящий из линий раствора полимера и паров. Линия раствора полимера дополнительно снабжена аппаратом с перемешивающим устройством в виде лопастной мешалки, закрепленной на валу, выполненном полым и образующим канал для подвода газовой фазы. Наружный контур циркуляции установки может дополнительно быть снабжен конденсатором, установленным на линии паров, и сборником конденсата, соединенным с аппаратом с перемешивающим устройством. Также аппараты с перемешивающими устройствами могут быть снабжены отражательными перегородками, установленными внутри на стенках аппаратов с зазором между лопастью и перегородкой, равным b=(0,3÷3)h, где h - высота лопасти мешалки. Отражательные перегородки установлены под углом к оси аппарата с перемешивающим устройством.
Недостатком указанного выше изобретения, является неравномерное распределение компонентов реакционной смеси, а также неравномерность свойств битумно-полимерного материала по всему объему реактора.
Известно устройство для получения полимерно-битумной композиции (патент RU 190772, МПК С10С 3/00,опубл. 11.07.2019 г.), включающее емкость, снабженную нагревателем, термоизоляцией и диспергатором. Нагреватель представляет собой стеклопластиковую перфорированную трубу с размещенным внутри ее стенок нагревательным элементом, в качестве которого используют углеродный волокнистый материал. В качестве диспергатора используют коллоидную мельницу, представляющую собой погружной смеситель с высоким усилием сдвига и имеющий ротор-статор насадки для разрушения дисперсной фазы, а в качестве термоизоляции используют герметичный кожух, расположенный вокруг емкости.
Недостатком данного устройства является недостаточно равномерная степень диспергирования полимера при получении полимерно-битумной композиции.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для производства модифицированного битумного вяжущего (патент RU 2627392, МПК B01F 3/14,опубл. 08.08.2017 г.), включающее емкость для смешивания битума с модифицирующими компонентами со змеевиками масляного обогрева, термоизоляцией, облицовкой гальванизированными металлическими листами, люком, шнеком подачи модифицирующих компонентов и скоростным трехлопастным смесителем с электроприводом, обогреваемые термомаслом входные и выходные трубы с шаровыми кранами для подачи, выдачи и/или циркуляции битума, смеси битума с модифицирующим компонентом и/или готового модифицированного битума, последовательно связывающие патрубок забора из емкости, электронасос с инвертером подачи смеси битума с модифицирующим компонентом в коллоидную мельницу, коллоидную мельницу и патрубок сброса в емкость, и электросистему управления. В качестве коллоидной мельницы содержит пассивный гидродинамический диспергатор с каналом переменного сечения в герметичном корпусе для разгона и торможения смеси битума с модифицирующим компонентом и устройством в виде стержней, вызывающим кавитацию при его обтекании указанной смесью, выполненный обогреваемым, битумный фильтр, установленный между емкостью и насосом, датчик контроля температуры битума, установленный на стенку емкости ниже уровня заливки битума, и датчик контроля давления битума с разделительной мембраной, установленный на входе в диспергатор, узел промывки диспергатора в составе емкости для промывочного масла и масляного насоса, связанных трубами с входом и выходом диспергатора через трехходовые краны с обеспечением промывки диспергатора потоком масла в направлении, противоположном направлению потока через диспергатор в цикле модификации битума, а также смеситель с электроприводом в виде лопастного устройства в цилиндрическом внешнем корпусе с забором смеси битума и модификатора из верхних слоев модифицируемого битума и перемещением их вниз емкости.
Недостатком данного устройства является его конструктивная сложность, использование отдельных узлов для перемешивания и диспергирования, необходимость многократной прокачки для получения качественного продукта, что требует значительных энергетических затрат. Также недостатком является невозможность подбора на используемом в устройстве диспергаторе необходимой скорости работы для битумов различной природы и различных полимеров.
Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка установки для получения полимерно-битумных вяжущих, обеспечивающей в одном цикле: помол, растворение и максимально быстрое равномерное распределение модификатора по всему объему битума.
Технический результат заключается в обеспечении энергоэффективного дозревания и диспергирования в битуме полимера, в создании его однородной пространственной структуры, которая позволяет максимально использовать упруго-эластичные свойства компонентов, а также их высокую однородность распределения по всему объему битума.
Техническая проблема и заявляемый результат достигаются тем, что в установке для производства полимерно-битумных вяжущих, включающей теплоизолированную емкость-реактор для смешивания битума с модифицирующими компонентами - полимером, адгезионной добавкой и пластификатором, снабженную нагревателем и мешалкой, агрегатный насос и систему трубопровода с кранами и патрубками для подачи битума, модифицирующих компонентов и слива готовой продукции, шкаф управления и диспергатор, согласно решению, установка дополнительно содержит емкость пластификатора, дозирующую пластификатор емкость и емкость адгезионной добавки, которые при помощи системы трубопровода соединены с емкостью-реактора для смешивания битума с модифицирующими компонентами, которая соединена с бункером полимера, а диспергатор расположен внутри емкости-реактора и представляет собой ротор-статор с высоким усилием сдвига, который соединен с электроприводом, расположенным вне емкости-реактора через герметичный выход в одной из торцевых стенок емкости-реактора.
Бункер полимера представляет собой загрузочный блок с автоматической подачей полимера в емкость-реактор посредствам винтового шнека.
Бункер полимера и все емкости снабжены тензометрическими датчиками.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема установки для получения полимерно-битумных вяжущих.
Позициями на чертеже обозначены:
1-8 - кран проходной;
9 - тензометрический датчик;
10 - нагреватель;
11 - термопреобразователь сопротивления;
12 - сигнализатор верхнего уровня;
13 - сигнализатор нижнего уровня;
14 - клапан дыхательный;
15 - диспергатор;
16 - мешалка;
17 - агрегат насосный битумный (агрегатный насос);
18 - бункер полимера;
19 - емкость-реактор для смешивания битума с модифицирующими компонентами;
20 - емкость пластификатора;
21 - емкость адгезионной добавки;
22 - дозирующая емкость пластификатора;
23 - шнековая линия подающая;
24-30 - патрубки;
31 - шкаф управления.
Установка для производства полимерно-битумных вяжущих включает горизонтальный цилиндрический реактор (емкость) 19 с коническим днищем, с термоизоляцией, предназначенный для смешивания битума с модифицирующими компонентами.
Заявляемая установка контейнерного типа, оборудована лестницей и площадкой с ограждением для обслуживания.
Для осуществления контроля за работой установки имеется шкаф управления 31. Это прямоугольная конструкция, выполненная из металла с закрываемой на замок дверью, наружного исполнения. Внутри установлена электроаппаратура, осуществляющая управление и контроль за работой установки. Система управления обеспечивает работу установки, как в ручном, так и в автоматическом режиме. Она оснащена цифровыми индикаторами процессов. Автоматика пульта управления обеспечивает контроль температуры, управление насосом, мешалками, диспергатором, шнековой подачей полимера, а также внесением пластификатора и адгезионной добавки. Позволяет работать в автоматическом режиме, взвешивать и дозировать продукты заданного технологического процесса.
Внутри емкости-реактора 19 смонтирован нагреватель 10 (змеевик масляного обогрева битума), служащий для регулирования температурного режима и диспергатор 15, представляющий собой ротор-статор с высокой степенью сдвига. Благодаря постоянной скорости, даже при повышении вязкости продукта, его работа продолжается в том же режиме, без изменений. Диспергатор 15 расположен с торца емкости-реактора 19 и выполняет функцию помола полимера внутри емкости-реактора (гомогенизацию) - совмещает, перетирает и молет в общем объеме, где также происходит дозревание полимера. За счет внутреннего расположения диспергатора 15 увеличивается цикличность прохода полимера в сотни раз, что улучшает качество полимерно-битумного вяжущего. Диспергатор отвечает следующим характеристикам: более тщательный помол и перемешивание всех ингредиентов, входящих в состав полимерно-битного вяжущего, простота в эксплуатации. Сам диспергатор с электроприводом связан муфтой со скользящим сухарем, которая предназначена для присоединения электродвигателя к механизму. Скользящий сухарь выполняется из текстолита, что снижает трение в муфте, делает ее электроизолирующей, уменьшает массу муфты и позволяет использовать ее при высоких частотах вращения.
Также внутри емкости-реактора 19 имеется механический механизм мешалки 16 в виде турбины, закрепленной на валу. Она связана с приводом муфтой со скользящим сухарем. Обеспечивает интенсивное перемешивание, однородность продукта, процесс дозревания полимера. Мешалка предназначена для получения однородного состава полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) и его равномерного распределения. Привод турбинной мешалки выполнен на базе двухступенчатого цилиндрического мотор-редуктора.
Высокая эффективность производства качественного продукта заключена именно в комплексной работе диспергатора 15 и мешалки 16, но это и не исключает их работы по отдельности.
На одной из торцевых сторон емкости-реактора 19 установлен термопреобразователь сопротивления 11 для контроля температуры битума, а на противоположной - сигнализатор верхнего уровня 12 для определения полного объема. Также имеется сигнализатор нижнего уровня 13, выполняющий функцию определения минимального объема.
Тензометрические датчики 9, расположенные под опорами емкости-реактора 19, предназначены для полного контроля технологического процесса.
С внешней стороны емкости-реактора 19 располагается система трубопровода, комплексно связанная с проходными кранами 1-8, отвечающими за последовательность процесса, с агрегатным насосом битумным 17, который представляет собой рамную конструкцию с двигателем переменного тока и служит для перекачивания битума и полимерно-битумного вяжущего, с емкостями пластификатора 20, адгезионной добавки 21 и дозирующей емкостью 22. Емкости 20, 21 и 22 обшиты теплоизоляционным материалом для снижения теплопотерь. В системе трубопровода имеются 7 патрубков: патрубок 24 выполняет функцию забора битума, адгезионной добавки и пластификатора в систему; патрубки 25, 27, 28 - универсальные, служат как для забора, так и слива адгезионной добавки и пластификатора; патрубок 26 используется для циркуляции полимерно-битумного вяжущего, а также для слива готовой продукции; патрубок 29 предназначен для слива битума, адгезионной добавки, пластификатора в емкость-реактор; патрубок 30 - слив готовой продукции полимерно-битумного вяжущего. Такая система трубопровода выполняет все функции технологического процесса.
Установка содержит клапан дыхательный 14, который расположен в верхней части емкости-реактора 19 и реагирует на изменения давления и появление вакуума. Когда давление или вакуум превышают заданную норму, затвор клапана поднимается, открывая проход для рабочей среды. Если срабатывание затвора вызвано недопустимыми параметрами давления, то клапан выпускает избыток среды в атмосферу. Если же срабатывание обусловлено вакуумом, то клапан открывается, позволяя воздуху попасть в емкость-реактор.
Снаружи расположен бункер полимера 18 на тензометрических датчиках 9, предназначенных для точного контроля дозирования полимера, соединенный подающей шнековой линией 23 с емкостью-реактором 19. Бункер полимера представляет собой загрузочный блок с автоматической подачей полимера в емкость-реактор посредствам винтового шнека.
В установке можно использовать как масляный, так и электрический теплоноситель.
Установка работает следующим образом.
Предварительно заполняют емкость-реактор 19 битумом.
Оператор на шкафу управления 31 автоматики включает переключатель «Запуск установки».
Автоматика запускает разогрев насоса и трубопровода. При этом все краны должны быть закрыты. При достижении нужной температуры трубопровода (170-180°C) и насоса, загораются соответствующие сигнальные лампы - «Трубопровод прогрет» и «Насос прогрет». Тем самым создается условие на разрешение запуска насоса 17.
Оператор открывает проходные краны 1, 3, все остальные закрыты.
Оператор включает насос 17 вперед, происходит дозаполнение емкости-реактора 19 битумом.
При заполнении емкости-реактора 19 на  объёма, автоматика включает в работу разогрев для подогрева и поддержания заданной температуры битума. При достижении заданной температуры битума в емкости-реакторе 19, зажигается лампа «Битум прогрет».
При заполнении емкости-реактора 19 на , оператор выключает насос и закрывает кран 1, открывает кран 2, включает насос 17 назад, для продувки системы трубопровода, после чего закрывает краны 2, 3.
После того, как битум в емкости-реакторе 19 прогрелся до нужной температуры и зажглась лампа «Битум прогрет», смешивают полимер с битумом. Оператор насыпает нужное количество полимера по рецептуре в бункер полимера 18. Включает турбинную мешалку 16 и диспергатор 15.
Оператор включает шнек 23 подачи полимера в емкость-реактор 19.
Затем смешивают пластификатор с битумом.
Для этого оператор открывает краны 5, 6, 8 и включает насос 17 назад.
Пластификатор из емкости пластификатора 20 поступает в дозирующую емкость 22, которая стоит на тензометрических датчиках и заполняет ее до нужного объема по заданной рецептуре.
Оператор закрывает краны 5, 6 и открывает кран 3, включает насос 17 вперед, пластификатор перекачивается из емкости 22 в емкость-реактор 19.
Затем оператор выключает насос 17.
Оператор выключает шнековую подачу 23 полимера, если внесен весь объем.
Осуществляют окончательное заполнение емкости-реактора 19 битумом.
Оператор закрывает кран 8, открывает кран 1.
Оператор включает насос 17 вперед и наливает битум до полного объема, не выключая турбинную мешалку 16 и диспергатор 15.
После чего оператор закрывает краны 1, 3 и открывает краны 2, 4. Включает насос 17 вперед и наливает автоцистерну. Закрывает кран 4, открывает кран 3, включает насос 17 назад и продувает систему трубопровода. После чего закрывает кран 2.
Пример конкретного выполнения.
Пример 1. Приготовление ПБВ-60.
Исходный битум - БНД 60/90.
Температура смеси в процессе приготовления модифицированного битума +170-180°С.
Соотношение компонентов (массовое):
БНД 60/90-95%;
Пластификатор 2%
Модификатор ДСТ - 3%.
Время набухания (дозревание), помола модификатора в нагретом битуме - 50 мин.
Время технологического процесса: слив битума в емкость-реактор, внесения модификатора, набухание (дозревание), налив готовой продукции составляет 1 час 50 мин.
Весь процесс происходит в общем объеме, не требует дополнительных операций.
Получаемое полимерно-битумное вяжущее повышает срок службы дорожного покрытия в 2-3 раза. Также за счет этого достигается увеличение эластичности и стойкости к деформациям, улучшение отвода воды с поверхности дорожного покрытия, уменьшение износа шин на асфальтовом покрытии, способный без разрушения выдерживать воздействие низких температур и температурных перепадов, а также различных деформаций путем введения полимеров.
При этом заявляемая установка обеспечивает экономию энергозатрат. Качество полимерно-битумного вяжущего соответствует требованиям ГОСТ Р 52056-2003, что подтверждают данные, полученные в результате промышленно-пилотных испытаний установки (см. таблицу 1).
Таблица 1.
№
Наименование показателя, единица измерения
Требования ГОСТ Р 52056-2003
Результаты испытаний
Метод испытания
Глубина проникания иглы, 0,1 мм:при 25<sup>о</sup>Спри 0<sup>о</sup>С
6032
7434
ГОСТ 11501-78
Растяжимость, см,при 25<sup>о</sup>Спри 0<sup>о</sup>С
2511
6728
ГОСТ 11505-75
Температура размягчения по кольцу и шару, <sup>о</sup>С, не ниже
54
63
ГОСТ 11506-76
Температура хрупкости, <sup>о</sup>С
-20
-25
ГОСТ 11507-78
Эластичность, %,при 25<sup>о</sup>Спри 0<sup>о</sup>С
8070
9273
ГОСТР 52056-2003
Изменение тем-ры размягчения после прогрева при 163<sup>о</sup>С, (по абсолютной величине)
5
3
ГОСТ 18180-72ГОСТ 11506-76
Температура вспышки, <sup>о</sup>С
230
274
ГОСТ 4333
Сцепление с мрамором или песком
Выдерживает по контрольному образцу №2
Выдерживает
ГОСТ 11508метод А
Однородность
однородно
однородно
ГОСТР 52056-2003
Результаты экспериментов подтвердили возможность производить на заявляемой установке модификацию битумного вяжущего с получением наиболее востребованных в дорожном строительстве марок ПБВ 40, ПБВ 60 и ПБВ-90, соответствующих требованиям ГОСТ Р 52056-2003.
Следует отметить, что при модификации битумов твердыми гранулированными полимерами, в качестве которых преобладают полимеры типа термоэластопластов, требуются наиболее сложные технологические процессы и реализующее их оборудование. Для них требуется создание непрерывной пространственной решетчатой структуры во всем объеме полимерно-битумного вяжущего, поскольку растворимость в битумных фракциях ограниченная. Согласно статистике, преобладающее использование для модификации битумов - это полимер класса стирол-бутадиен стирольных сополимеров (СБС), поэтому модифицированный ими битум называют полимерно-битумным вяжущим (ПБВ).
Предлагаемое техническое решение разработано в целях энергосбережения, т.е. уменьшения удельных затрат электроэнергии, изготовления высокого качества производимого модифицированного битума для разных климатических зон, долговечности и простоте эксплуатации. Заявляемая установка может применяться на предприятиях занимающихся ремонтом и изготовлением асфальта, мягких кровель, гидроизоляцией зданий.