УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МОДИФИЦИРОВАННОГО БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО
DEVICE FOR MODIFIED BITUMINOUS BINDER MANUFACTURE

Изобретение относится к области процессов модификации нефтяных битумов с целью улучшения их технологических и эксплуатационных свойств. При небольших дозах модифицирующих добавок основной технической задачей используемого оборудования является обеспечение максимально быстрого равномерного распределения модификатора по всему объему битума.
Наиболее сложные технологические процессы и реализующее их оборудование требуются при модификации битумов твердыми гранулированными полимерами, в качестве которых преобладают полимеры типа термоэластопластов. Для них характерна ограниченная растворимость в битумных фракциях и требуется создание непрерывной пространственной решетчатой структуры во всем объеме модифицируемого битумного вяжущего. Существующая статистика показывает преобладающее использование для модификации битумов именно термоэластопластов класса стирол-бутадиен стирольных сополимеров (СБС). Модифицированный ими битум называют полимерно-битумным вяжущим (ПБВ).
Изобретение обеспечивает энергоэффективное набухание и диспергирование в битуме полимера с созданием его однородной пространственной структуры, которая позволяет максимально использовать упруго-эластичные свойства модифицирующего агента, а также высокую однородность распределения по всему объему битума других известных модифицирующих добавок (поверхностно-активных веществ (ПАВ), депрессорных, адгезионных, антиокислительных и стабилизирующих присадок).
Получаемый модифицированный битум предназначен для использования в дорожном и гражданском строительстве. Главной целью модификации является получение битумов с расширенным интервалом пластичности, улучшенной адгезией к основным и кислым минералам, увеличенной устойчивостью к старению, коллоидной стабильностью и механической прочностью, расширенным рабочим интервалом температур асфальтобетонов и гидроизоляционных материалов, обеспечением экологической безопасности при производственных процессах получения и применения модифицированных битумов.
Из предшествующего уровня техники известны различные конструктивные реализации двух основных способов приготовления ПБВ и модификации битумов [1].
По первому способу все сырьевые компоненты согласно принятой рецептуре дозируются в одну емкость и перемешиваются. Если в состав вяжущего входит пластификатор, то его вводят в битум в первую очередь, перемешивают до однородного состояния, затем при постоянном перемешивании порционно добавляют полимер в виде крошки (гранул) или порошка, а на последней стадии изготовления вводят ПАВ и доводят смесь до однородного состояния, которое контролируется по стеканию смеси битума и модификатора со стеклянной палочки и отсутствию на палочке сгустков и крупинок [2].
По второму способу предварительно готовят раствор полимера в пластификаторе или раствор полимера в пластификаторе с добавлением битума той концентрации, которая установлена при экспериментальном лабораторном подборе состава модифицированного битума (например, ПБВ). А затем раствор вводят в обезвоженный и нагретый битум, после чего в конце процесса вводят ПАВ и перемешивают смесь до однородного состояния.
Известная установка для получения модифицированного битума [3] содержит раму, на которой установлены два попеременно работающих смесителя с перемешивающими устройствами, выполненными в виде планетарного водила, размещенного в крышке смесителя, на одном конце которого смонтирована рамная, а на другом шнековая мешалки. Каждый смеситель снабжен шестеренчатым насосом и трубопроводом для образования циркуляционного контура. Установка также включает в себя линию подачи сыпучих компонентов, состоящую из элеватора, бункера-накопителя и шнека-дозатора, устройство подачи пластификатора и линию выгрузки готового продукта. В установке процесс диспергирования полимера происходит внутри смесителя за счет окружных, радиальных и осевых потоков, а также благодаря принудительной циркуляции по замкнутому контуру при работе шестеренчатого насоса. Недостатками установки являются ее сложность за счет дублирования смесителя и шестеренчатого насоса, а также необходимость длительной работы для получения однородного ПБВ из-за низкой интенсивности и энергонасыщенности процессов перемешивания и циркулирования смеси битума и модификатора (полимера) в технологическом процессе.
Также известна установка для получения модифицированного битума [4], в том числе с применением полимеров. Установка состоит из контактной емкости, дегазационно-разделительной камеры, насоса для перекачивания жидкости по циркуляционному контуру, диспергирующего устройства, выполненного в виде инжектора с патрубком для подачи воздуха, снабженного нагревателем и патрубком для рециркуляции смеси, статического смесителя с патрубком для подачи модификатора. Установка оснащена также распределителем потока с соплами, установленными внутри контактной емкости. Основными недостатками этой установки являются низкий уровень энергетического воздействия на полимеры с целью их диспергирования и введение больших объемов воздуха в смесь битума с модификаторами, что приводит к усиленному окислению вяжущего содержащимся в воздухе кислородом и ухудшению («интенсивному старению») свойств модифицируемого битумного вяжущего.
Аналогом является также установка битумная УБВ-2 производства завода «Укрстроймаш» [5]. Установка состоит из смонтированных на металлической раме с оборудованием для обслуживания двух реакторов цилиндрической формы с коническим днищем каждый и расположенными внутри трубопроводами теплоносителя, системы технологического обогрева с блоком подогрева масла, блока подачи битума, блока подачи полимера, битумных кранов, мельницы типа коллоидной. Основным недостатком таких мельниц является необходимость электрических приводов повышенной мощности. По имеющейся статистике на подобных установках требуются приводы с потенциалом от 10 до 30 кВт на выпуск 1 тонны модифицированного битума (ПБВ) в час.
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбрана установка для производства ПБВ «Massenza» типа «Monomix-S» [6]. Установка включает емкость прямоугольного сечения для смешивания битума с полимерами со змеевиками масляного обогрева, термоизоляцией, облицовкой гальванизированными металлическими листами, люком, входными и выходными трубами с фланцами для диатермального масла и готового продукта, шнеком подачи полимеров, коллоидную мельницу с приводом от электрического двигателя, электронасос подачи смеси битума с полимером в коллоидную мельницу с инвертером, шестеренчатый насос дозирования пластификатора в смеситель, два скоростных трехлопастных смесителя с электроприводом, подогреваемые шаровые клапаны, электросистему управления. В рассматриваемой установке при производительности от 5 до 10 тонн модифицированного битума в час суммарная присоединенная электрическая мощность составляет 205 кВт, то есть удельная потребная электрическая мощность составляет от 20,5 до 41 кВт на одну тонну производимой продукции.
Во многих странах, являющихся лидерами по количеству использования полимерно-модифицированных битумных вяжущих, применение пластификаторов не практикуется из-за ухудшения адгезии битума и его стабильности. Обеспечение условий диспергирования модификаторов, в том числе полимерных, а также требуемых технологических и эксплуатационных свойств вяжущего достигается получением базового битума методом компаундирования.
В источнике [7] содержится информация о результатах исследования особенностей взаимодействия битумов с полимерами. Показано влияние на свойства модифицированного битума дозы полимерного модификатора, фракционного состава битума и используемого оборудования для смешения и диспергирования полимеров. В итоге могут образовываться различные типы внутренних структур смеси битум-полимер:
- дисперсия нерасплавленных частиц полимера в битуме;
- дисперсия набухших частиц полимера в битуме;
- раствор полимера в битуме;
- раствор с пространственной сеткой полимера в битуме.
Относительно лучшие свойства модифицированного битума имеют место в случае раствора с пространственной сеткой полимера в битуме, поэтому предпочтительным является оборудование, обеспечивающее производство именно такой структуры модифицированного битумного вяжущего. В выбранном прототипе в качестве диспергатора использована коллоидная мельница, в которой преобладает механическое срезание фрагментов от полимерных гранул, попадающих в малые зазоры между движущимися с большими окружными скоростями дисками с прорезями, поэтому модифицированный битум преимущественно имеет структуру дисперсии набухших частиц полимера в битуме без создания непрерывной пространственной решетки.
Таким образом, недостатками прототипа являются:
- большая потребная удельная энерговооруженность;
- преобладающее получение не оптимальной внутренней структуры диспергированного полимера (дисперсная фаза) в битуме (дисперсионная среда);
- необходимость использования пластификатора для получения модифицированного битумного вяжущего;
- прямоугольная форма емкости для смешения битума и модифицирующей добавки, что ухудшает условия для получения однородной смеси в зонах прямых углов, образованных соединениями плоских граней емкости.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков в устройстве, отвечающем современным требованиям по высокому качеству производимого модифицированного битума (производство битума для разных климатических зон), энерго- и материалосбережению (уменьшение удельных затрат электроэнергии, отказ от использования пластификаторов), простоте, надежности и долговечности.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство вместо коллоидной мельницы содержит гидродинамический диспергатор, в качестве смесителя использует лопастное устройство в цилиндрическом внешнем корпусе с забором смеси битума и модификатора из верхних слоев, где преимущественно находится поданный в емкость модификатор (полимер), и подачей в нижнюю часть емкости, что обеспечивает в емкости цилиндрической формы интенсивный массообмен, и дополнительно включает для качественной и продолжительной работы битумный фильтр и систему промывки диспергатора маслом.
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором изображена функциональная схема устройства, иллюстрирующая лишь частный случай его исполнения. Устройство для производства модифицированного битумного вяжущего включает цилиндрическую емкость 1 для смешивания битума с модифицирующими компонентами с радиаторами масляного обогрева битума 2, термоизоляцией 3, облицовкой гальванизированными металлическими листами 4, люком 5, лопастным смесителем с электроприводом смешивания битума с модификатором 6, входные и выходные трубы 7 для подачи исходного битума, циркулирования смеси битума с модификатором и выдачи готового продукта, обогреваемые термомаслом от станции нагрева масла 8 масляным насосом 9, узел подачи модификаторов с элеватором 10, бункером-накопителем 11 и шнековым питателем 12, устройство диспергирования модификатора 13, электронасос с инвертером подачи смеси битума с модификатором в устройство диспергирования модификатора 14, подогреваемые шаровые клапаны 15 битумопроводов, систему управления электропотребителями в виде шкафа с автоматами и пускателями, электрически связанными с потребителями электрической энергии (электрическими двигателями) и электрическими контрольно-измерительными приборами, например, датчиками температуры 16 и давления 17. При этом в качестве устройства 13 диспергирования и равномерного распределения в битуме модификатора, в том числе полимерного, использован диспергатор, выполненный по патенту [8] с конструктивными изменениями, обеспечивающими работу с битумным вяжущим, в том числе, модифицированным битумным вяжущим, характеризующимся повышенной вязкостью и более высокой температурой размягчения. Работа с битумом требует внешнего обогрева термомаслом или электрическим гибким нагревательным элементом. В случае обогрева термомаслом у диспергатора дополнительно изготавливается внешний кожух 18 с, по крайней мере, одним штуцером подвода 19 и одним штуцером отвода 20 термомасла. Калиброванные каналы внутри гидродинамического диспергатора требуют установку перед ним битумного фильтра 21 для гарантированной задержки твердых включений некоторого предельного размера, определяемого конструкцией конкретного гидродинамического диспергатора, выбираемого исходя из требований обеспечения заданной производительности устройства. Кроме этого, устройство включает систему промывки гидродинамического диспергатора 13 маслом, состоящую из масляного бака 22, масляного насоса 23 и маслопроводов 24, причем при промывке масло прокачивается через гидродинамический диспергатор 13 в направлении противоположном, чем движется в основном технологическом процессе смесь битума и модифицирующего компонента. В емкость 1 исходный битум подается насосом 25.
Диспергатор по патенту [8] предназначается для подготовки к сжиганию различных топлив путем получения их водных эмульсий, преимущественно эмульсий из мазута и воды. Диспергатор содержит корпус с каналом (или каналами) для движения топливной смеси и устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью. Диспергатор относится к пассивным гидродинамическим устройствам, не имеющим подвижных частей и поэтому обладающих высокими надежностью и производительностью, однородностью обрабатываемых жидких дисперсных систем, большим ресурсом эксплуатации. Условия для реализации кавитации создаются за счет регулируемого разгона и торможения потоков жидких систем (перехода согласно законам Бернулли потенциальной энергии жидкой системы в кинетическую и наоборот, что сопровождается соответствующим падением и ростом статического давления в различных зонах потока жидкости), в результате чего появляются зоны с условиями возникновения кавитационных пузырьков (каверн) и их последующего схлопывания, что, благодаря несжимаемости жидкости, приводит к микрогидравлическим ударам, способным разрушать не только содержащиеся в жидкости твердые включения, например, гранулы полимеров, но и металлические детали, например, лопасти гребных винтов судов, лопатки гидравлических турбин и крыльчатки насосов. Отличием измельчения модифицирующих битум полимеров с помощью предлагаемого в изобретении пассивного гидродинамического диспергатора является преобладающее действие растягивающих напряжений, приводящих к образованию из каждой гранулы полимера единой пространственной структуры (сетки) в некоторой области битума, причем, за счет образования большого количества внешних связей у каждой такой структуры, вероятность их дальнейшего объединения в единую пространственную структуру во всем объеме модифицируемого битума существенно больше, чем при использовании коллоидных мельниц, реализующих преимущественно срезающие напряжения применительно к полимерным гранулам.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Устройство работает следующим образом. В емкость 1 насосом 25 подается исходный битум и масляным радиатором 2 нагревается до требуемой температуры (преимущественно от 170°С до 180°С) при включенном смесителе 6. Затем с помощью элеватора 10, бункера-накопителя 11 и шнекового питателя 12 через люк 5 в емкость 1 подается модификатор битума. Процесс перемешивания смеси в емкости 1 с помощью смесителя 6, в случае необходимости предварительного набухания полимера, может продолжаться от 0,5 часа до 2 часов. Затем включается насос 14 и смесь битума с модификатором забирается из нижней части емкости 1, проходит через фильтр 21, насос 14, гидродинамический диспергатор 13 и сливается в верхнюю зону емкости 1, максимально удаленную от точки забора. Процесс контролируется по показаниям датчиков давления 17 и температуры 16. Как правило, достаточно от двух- до трехкратной прокачки смеси через гидродинамический диспергатор для получения качественного модифицированного битума, в том числе, ПБВ.
Выполнение предлагаемым устройством заявленного технического результата подтверждается практическими примерами приготовления в нем битума, модифицированного полимером типа термоэластопласт (ПБВ).
Пример 1. Приготовление ПБВ-40 без пластификатора.
Исходный битум - БНД 60/90.
Температура смеси в процессе приготовления модифицированного битума +170°С.
Соотношение компонентов (массовое):
БНД 60/90-97%;
Модификатор ДСТ - 3%.
Время набухания модификатора в нагретом битуме - 60 мин.
Время диспергирования и перемешивания модификатора (работы гидродинамического диспергатора) - 360 мин.
Давление на входе в диспергатор - 0,6-1,0 МПа.
Изменение характеристик битумного вяжущего в результате его модификации полимером представлено в таблице 1.
Таблица 1
Пример 2. Приготовление ПБВ-60 без пластификатора.
Исходный битум - БНД 90/130.
Температура смеси в процессе приготовления модифицированного битума 170°С.
Соотношение компонентов (массовое):
БНД 90/130-97%;
Модификатор ДСТ - 3%.
Время набухания модификатора в нагретом битуме - 60 мин.
Время диспергирования и перемешивания модификатора (работы гидродинамического диспергатора) - 460 мин.
Давление на входе в диспергатор - 0,6-1,0 МПа.
Изменение характеристик битумного вяжущего в результате его модификации полимером представлено в таблице 2.
Таблица 2
Результаты экспериментов подтвердили возможность производить на заявляемом в качестве изобретения устройстве без дополнительного использования пластифицирующих добавок модификацию битумного вяжущего с получением наиболее востребованных в дорожном строительстве марок ПБВ 40 и ПБВ 60, соответствующих требованиям ГОСТ Р 52056-3003.
Литература и другие источники:
1. Рекомендации по использованию полимерно-битумных вяжущих материалов на основе блок-сополимеров типа СБС при строительстве и реконструкции автомобильных дорог. ДМ 218.2.003-2007. Утверждены распоряжением Росавтодора от 1 февраля 2007 г. № Б-29-p.
2. ГОСТ Р 52056-2003 «Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блок-сополимеров типа стирол-бутадиен стирол. Технические условия».
7
3. Изобретение к патенту RU 2152474, МПК Е01С 9/02, приоритет от 25.11.1998, опубликовано 10.07.2000.
7
4. Изобретение к патенту RU 2183500, МПК В01J 10/00, С10С 3/00, приоритет от 15.05.2001, опубликовано 20.06.2002.
5. Сайт в интернет - www.ukrbudmash.com.ua.
6. Сайт в интернет - www.massenza.ru.
7. Zenke G. Polumer-modifizirte Strassenbaubitumen in Spigel von Literaturergebnissen. - Versuch eines Resummes (Teil I)// Aspaltstrassenbau. - 1985. - №9.
7
8. Изобретение к патенту RU 2239491, МПК B01F 5/00, приоритет от 05.02.2003, опубликовано 10.11.2004.