Способ получения полимерно-битумного вяжущего и установка для его осуществления
METHOD OF PRODUCING POLYMER-BITUMEN BINDER AND INSTALLATION FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способам и устройствам для получения полимерно-битумных вяжущих (ПБВ), используемых в дорожном строительстве, а также при изготовлении кровельных и гидроизоляционных материалов, герметиков, мастик и т.п.
По сути ПБВ - это растворенные в битуме термоэластопласты различного типа и строения, например, стирол-бутадиен-стирольный (СБС) термоэластопласт или дивинил-стирольный термоэластопласт (ДСТ). Термоэластопласты обладают свойством растягиваться в горячем состоянии и становиться упругими в холодном, то есть в обычных условиях они ведут себя как вулканизированная резина, а в горячем виде - как первичный каучук.
В настоящее время наиболее эффективными способами получения ПБВ являются технологии с применением коллоидных мельниц, с помощью которых термоэластопласты измельчаются и затем растворяются в битуме. При измельчении термоэластопластов увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов, и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения термоэластопластов в битуме.
Известны два основных способа производства ПБВ:
1) По первому способу все компоненты ПБВ перемешивают в одной емкости. Сперва в емкость подают битум, предварительно обезвоженный и подогретый до температуры 110-120°С. Затем туда же подают необходимое количество пластификатора, нагретого до температуры 90-100°С, и полученную смесь перемешивают до однородного состояния, после чего, во время перемешивания, порционно вводят термоэластопласт, смесь постепенно нагревают до температуры 155-160°С и затем ее направляют в коллоидную мельницу, в которой термоэластопласт дробится на мелкие частицы и вмешивается в битум. Из мельницы смесь подают в емкости для созревания, где в течение нескольких часов происходит окончательное набухание термоэластопласта. После этого ПБВ готово к использованию.
2) По второму способу предварительно готовят раствор термоэластопласта в пластификаторе в той концентрации, которая была заранее установлена при подборе состава ПБВ, а затем полученный раствор вводят в обезвоженный и нагретый битум, после чего в конце процесса в раствор вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ) и перемешивают его до однородного состояния. Если вязкость раствора термоэластопласта очень высока, и в результате чего возникают трудности при его перемешивании или перекачке в расходные емкости, то в него добавляют битум в количестве, равном содержанию раствора в емкости, за счет чего получают битумосодержащий раствор термоэластопласта, который затем вводят в битум и перемешивают до однородного состояния.
ПАВ применяют для ускорения процесса измельчения и набухания термоэластопласта, уменьшения температуры процесса и соответственно для минимизации затрат. За счет этого снижается или вовсе исключается необходимость введения пластификаторов, а также снижается себестоимость производимого ПБВ.
На практике известные способы производства ПБВ включают следующие основные операции: в емкость с битумом вводят пластификатор и термоэластопласт, их перемешивают и далее подают в коллоидную мельницу, и затем в промежуточную емкость, далее технологически закольцовывают промежуточную емкость и коллоидную мельницу в так называемые «проходы» и перекачивают смесь 2-3 раза, после чего ее переводят в емкость с готовой продукцией, где происходит процесс окончательного «дозревания» ПБВ. Таким образом, требуется выполнение нескольких «проходов» смеси компонентов через коллоидную мельницу, так как термоэластопласт, попадая в битум «капсулируется», т.е. его частицы немедленно окружает тонкая битумная пленка, которая не дает ему полностью раствориться ввиду высокой теплопроводности самого битума.
Также известны способы получения ПБВ с использованием модификаторов (полимерных модифицирующих добавок).
Например, известен способ получения битумной композиции (патент на изобретение РФ №2119513, МПК C08L 95/00, C08L 53/02, C08L 93/00, опубл. 27.09.1998), включающий перемешивание в смесителе бутадиен-стирольного термоэластопласта, адгезионной добавки и битума, по которому вначале при температуре 25-50°С 2-16 мас. % бутадиен-стирольного термоэластопласта смешивают с 0,7-7,0 мас. % предварительно нагретой до температуры 40-50°С адгезионной добавки, в качестве которой используют талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла и триэтаноламина при массовом соотношении талловое масло: триэтаноламин (66-68): (32-34), перемешивают в течение 15 мин, затем полученную смесь в виде сыпучего порошка подают в емкость с 77,0-97,3 мас. % нефтяного дорожного битума, предварительно нагретого до температуры 140-160°С, и перемешивают в течение 20 мин.
Недостатком известного способа является то, что для обеспечения гомогенизации полимера требуется применение дорогостоящих компонентов, что влияет на себестоимость готовой продукции (ПБВ).
Также известно устройство для производства модифицированного битумного вяжущего (патент на изобретение РФ №2627392, МПК B01F 3/14, С10С 3/00, C08L 95/00, опубл. 08.08.2017), используемое для получения модифицированных битумов и ПБВ. Устройство для производства модифицированного битумного вяжущего содержит емкость со змеевиками масляного обогрева, термоизоляцией, облицовкой гальванизированными металлическими листами, люком, узлом подачи модифицирующих компонентов и смесителем с электроприводом в виде лопастного устройства в цилиндрическом внешнем корпусе с забором смеси битума и модификатора из верхних слоев и подачей в низ емкости, обогреваемые термомаслом входные и выходные циркуляционные трубы с шаровыми кранами, битумный фильтр, электронасос с инвертером и пассивный гидродинамический диспергатор, а также 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. Технический результат заключается в производстве модифицированного битума, в том числе полимерно-модифицированного, без использования пластификаторов, и энергоэффективном получении равномерного распределения модифицирующего компонента и/или оптимальной непрерывной пространственной структуры термоэластопластов во всем объеме модифицированного битума.
Недостатком технологии, реализуемой с помощью известного устройства является то, что для обеспечения гомогенизации термоэластопласта с другими компонентами (органическими вяжущими и добавками, например, адгезионными) требуется применение «многопроходной» схемы смешения, что приводит к высоким энергозатратам, а также к снижению производительности или даже к остановке производства в ввиду использования фильтра (21) перед диспергатором (13), а применение подогревателей увеличивает время нагрева, при этом не исключается попадание в рабочий объем композиции теплоносителя (термального масла), из-за чего также не обеспечивается безопасность технологического процесса.
Технической проблемой, решаемой при помощи заявляемого изобретения является высокая трудоемкость и низкая производительность получения гомогенного раствора термоэластопласта в битуме, связанная с необходимостью применения «многопроходной» схемы гомогенизации с использованием коллоидных мельниц, что в целом приводит к высоким энергозатратам и деструкции термоэластопласта и, как следствие, к увеличению себестоимости выпускаемой продукции (ПБВ).
Техническим результатом, достигаемым при помощи заявляемого изобретения, является повышение производительности и снижение себестоимости получения ПБВ высокого качества.
Указанный технический результат достигается за счет применения «однопроходной» схемы растворения термоэластопласта в битуме, а также использования в качестве реактора-гомогенизатора диссольвера.
Заявляемый способ включает следующие этапы: в емкость для жидких компонентов загружают в необходимых пропорциях битум и пластификатор, далее полученную смесь при помощи насоса через расходомер подают в смеситель, в который из дозатора твердых компонентов добавляют необходимое количество термоэластопласта, затем полученную смесь жидких и твердых компонентов подают в реактор-гомогенизатор, в качестве которого используют диссольвер, в котором происходит растворение и гомогенизация термоэластопласта в битуме, далее смесь компонентов перемешивают при помощи смесителя, установленного между диссольвером и емкостью для готовой продукции и затем смесь при помощи насоса через расходомер направляют в емкость для выгрузки готовой продукции.
Дополнительно смесь жидких компонентов подогревают до заданной температуры перед ей поступлением в смеситель при помощи теплообменника.
Дополнительно в смесь компонентов добавляют адгезионные присадки при помощи дозатора, присоединенного к трубопроводу между диссольвером и емкостью для готовой продукции.
Для осуществления заявляемого способа применяют установку, включающую: емкость для жидких компонентов, присоединенную при помощи трубопровода, оснащенного насосом и расходомером, к смесителю, к которому также присоединен дозатор твердых компонентов, при этом, смеситель присоединен при помощи трубопровода к диссольверу, который, в свою очередь при помощи трубопровода, оснащенного насосом и расходомером, присоединен к емкости для готовой продукции, при этом на участке трубопровода между диссольвером и емкостью для готовой продукции установлен смеситель, служащий для дополнительного перемешивания и окончательной гомогенизации полученной смеси.
Дополнительно на участке трубопровода между емкостью для жидких компонентов и смесителем может быть установлен теплообменник, служащий для подогрева жидких компонентов.
Дополнительно к участку трубопровода между диссольвером и емкостью для готовой продукции может быть присоединен дозатор, служащий для добавления в смесь адгезионных присадок.
Конструкция заявляемой установки поясняется схемой, изображенной на Фиг. 1, а схема работы диссольвера показана на Фиг. 2.
Установка для получения полимерно-битумного вяжущего (Фиг. 1) содержит: емкость для жидких компонентов (1), присоединенная при помощи трубопровода, оснащенного насосом (2) и расходомером (3) к смесителю (4), к которому также присоединен дозатор твердых компонентов (5), при этом смеситель (4) присоединен при помощи трубопровода к диссольверу (6), который при помощи трубопровода через насос (7) и расходомер (8) присоединен к емкости для готовой продукции (9), при этом на участке трубопровода между диссольвером (6) и емкостью для готовой продукции (9) установлен смеситель (12).
Дополнительно на участке трубопровода между емкостью для жидких компонентов (1) и смесителем (4) может быть установлен теплообменник (10).
Дополнительно к участку трубопровода между диссольвером (6) и емкостью для готовой продукции (9) может быть присоединен дозатор для адгезионных присадок (11).
Установка оснащена стандартной запорной арматурой, фильтрами, датчиками и другим вспомогательным оборудованием, не обозначенным номерами позиций на Фиг. 1.
3
Работа заявляемой установки осуществляется следующим образом: из емкости для жидких компонентов (1) объемом 5-50 м битум с пластификатором при помощи насоса (2) и расходомера (3) подают в смеситель (4), например, СМХ-2000/05 или СМХ-2000/03, в который из дозатора твердых компонентов (5) также подают термоэластопласт. После перемешивания жидких и твердых компонентов в смесителе (4) смесь подают в диссольвер (6), где происходит растворение термоэластопласта и его гомогенизация в битуме. Далее при помощи трубопровода через насос (7) и расходомер (8) из диссольвера (6) смесь подают в емкость для готовой продукции (9).
Схема работы диссольвера (6) показана отдельно на Фиг. 2: за счет интенсивного вращения фрезы диссольвера (13) жидкая смесь, состоящая в основном из битума и термоэластопласта и попадающая на поверхность фрезы (13) сверху отбрасывается к стенкам диссольвера (14), а в жидкости, находящейся под фрезой (13) образуются непрерывно вращающиеся потоки: снизу вверх от периферии к центру фрезы, и затем обратно к стенкам и вниз. Во время вращения в диссольвере смеси компонентов частицы термоэластопласта максимально растягиваются в потоках жидкого битума, при этом площадь соприкосновения термоэластопласта и битума многократно увеличивается и за счет этого улучшается перемешивание и растворение термоэластопласта в битуме.
Таким образом, в отличие от коллоидной мельницы, которая механически истирает и дробит частички термоэластопласта, в диссольвере происходит их максимальное расслоение за счет действия сил растяжения и их последующее равномерное распределение по всему объему битума вплоть до образования гомогенной тонкослойной мелкодисперсной коллоидной массы, в которой частички термоэластопласта уже не могут слипаться или осаждаться под действием сил притяжения.
Заявляемая установка может оснащаться дополнительными устройствами, повышающими эффективность ее работы (Фиг. 1):
С целью дополнительного подогрева жидких компонентов в установке может быть использован теплообменник (10).
При необходимости, к участку трубопровода между диссольвером и емкостью для готовой продукции может быть присоединен дозатор (11), служащий для добавления в смесь адгезионных присадок.
Применение заявляемого способа позволяет получить следующие преимущества:
3
3
1) Возможность реализации потоковой схемы производства за счет исключения необходимости «закольцевания» техпроцесса существенно снижает себестоимость получения конечного продукта, при этом применяемая однопроходная потоковая схема производства позволяет производить до 120 м готового продукта (ПБВ) в сутки или 5 м/час;
2) Возможность точной дозировки используемых компонентов с гарантированным получением продукта с заданным составом позволяет экономить сырье;
3) Способ обладает универсальностью и простотой и может быть применен для производства ПБВ с различным компонентным составом, при этом для внесения изменений техпроцесс требуется минимальная перенастройка оборудования;
4) Способ позволяет полностью автоматизировать техпроцесс;
5) Возможно производство минимального объема готового продукта (до одной тонны), что позволяет минимизировать затраты при необходимости производства небольших партий ПБВ.
Таким образом, заявляемый способ получения полимерно-битумного вяжущего и установка для его осуществления позволяют получать ПБВ в непрерывном потоке, при этом за счет исключения «многопроходной» схемы гомогенизации с использованием коллоидных мельниц существенно повышается производительность и снижается себестоимость получения ПБВ высокого качества.