Экспериментальные исследования динамики энергозатрат и изменения качества битума при статическом режиме нагрева

При проведении экспериментальных исследований процесса обезвоживания битума статическом режиме нагрева (свободной конвекции), необходимо было выяснить зависимость энергозатрат и изменения качества битума при обезвоживании от влияния процентного содержания воды в битуме и мощности используемых нагревателей. Для чего в физической модели котла обезвоживался битум с обводненностью 1%, 5% и 7% при мощностях нагревателей 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт, 240 Вт. Изменение мощностей нагревателей осуществлялось установкой в физическую модель котла обезвоживания дополнительных секций нагревателей.

При этом оценивались изменения свойств битума путем сравнения основных характеристик у проб, отобранных до обезвоживания с характеристиками проб битума, отобранных после обезвоживания, что позволило наиболее точно «измерить» изменения свойств битума для каждого конкретного варианта обезвоживания.

Подготовка к эксперименту:

  • в физической модели котла путем изменения числа секций устанавливалась требуемая мощность нагревателей: 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт или 240 Вт в зависимости от заданных условий текущего эксперимента.
  • битум массой 3,2 кг и вода массой 0,3 кг разогревались и термостатировались в различных тарах в сушильном шкафу при температуре 95°С;
  • разогретый битум перемешивался, затем отбиралась и нумеровалась проба битума массой 0,2 кг;
  • из оставшегося битума путем добавления воды и перемешивания получалась смесь с 1%, 5% или 7% влаги в зависимости от заданных начальных условий текущего эксперимента;
  • обводненный битум термостатировался в сушильном шкафу в течение 10 минут при температуре 95°С, после чего 3 кг обводненного битума заливалось в физическую модель котла обезвоживания;
  • включались нагреватели физической модели котла обезвоживания.

В течение эксперимента:

  • нагреватели физической модели котла обезвоживания работали в непрерывном режиме до достижения битумом температуры 150°С, после чего температура битума 150°С поддерживалась системой автоматики;
  • при отключении системой автоматики нагревателей фиксировался интервал времени до следующего их включения;
  • через каждые 30 минут оператором фиксировалась температура битума в физической модели котла, а также визуально по наличию образующихся на поверхности битума пузырьков оценивалось наличие в нем влаги;
  • при исчезновении видимых признаков кипения и пены на поверхности, битум считался обезвоженным.

После обезвоживания:

  • в физической модели отключались нагреватели;
  • битум перемешивался, затем отбиралась и нумеровалась проба массой 0,2 кг.

У каждой пробы битума определялись следующие показатели:

  • обводненность;
  • глубина проникания иглы при 0°С и 25°С;
  • температура размягчения по кольцу и шару («КиШ»)];
  • температура хрупкости.

Осредненные энергозатраты при обезвоживании битума с обводненностью 1%, 5%, 7% в физической модели котла при мощностях нагревателей 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт, 240 Вт и свободной конвекции приведены в таблице 1 и на рис. 1-3, а осредненные изменения качества битума приведены в таблицах 2-4.

Таблица 1. Энергозатраты при обезвоживании битума с обводненностью 1%, 5%, 7% в физической модели котла при мощностях нагревателей 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт, 240 Вт и при свободной конвекции

Обводненность битума, %157
Мощность нагревателей, Вт261081802405610818024056108180240
Масса битума, кг2,972,852,97
Масса воды, кг0,030,150,21
Время работы нагревателей, час102,61,51,1154,32,31,61852,51,8
Время обезвоживагия битума, час102,92,01,8154,632,11863,52,7
Энергозатраты, Вт час560280,8270264840464,44143841008540450432

Рис. 1. Энергозатраты при обезвоживании битума с обводненностью 1% в физической модели котла при мощностях нагревателей 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт, 240 Вт и при свободной конвекции

 

 Рис. 2. Энергозатраты при обезвоживании битума с обводненностью 5% в физической модели котла при мощностях нагревателей 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт, 240 Вт и при свободной конвекции

Рис. 3. Энергозатраты при обезвоживании битума с обводненностью 7% в физической модели котла при мощностях нагревателей 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт, 240 Вт и при свободной конвекции

Таблица 1.  Изменение качества битума с обводненностью 1% при обезвоживании в физической модели котла при свободной конвекции

Битум БНД 60/90Исходный Обезвоженный
Мощность нагревателей, Вт-56108180240
Время обезвоживания, ча010,02,92,01,8
Время работы нагревателей, час010,02,61,51,0
Энергозатраты, Вт0560280,8270264
Начальная температура, °С-95959595
Конечная температура, °С-150150150150
По, 0,1 мм23,722,222,423,323,6
П25, 0,1 мм82,479,280,082,082,2
Температура размягчения по КиШ, °С48,749,148,948,948,7
Температура хрупкости, °С-19,5-18,3-18,8-19,1-19,2
Интервал пластичности, 0,1 мм68,267,467,767,967,9

 Рис. 4. Изменения пенетрации при 0°С при обезвоживании битума с обводненностью 1% в физической модели котла при мощностях нагревателей 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт, 240 Вт и при свободной конвекции

 Рис. 5. Изменения пенетрации при 25°С при обезвоживании битума с обводненностью 1% в физической модели котла при мощностях нагревателей 56 Вт, 108 Вт, 180 Вт, 240 Вт и при свободной конвекции

 

Таблица 2. Изменение качества битума с обводненностью 5% при обезвоживании в физической модели котла при свободной конвекции

Битум БНД 60/90Исходный Обезвоженный
Мощность нагревателей, Вт-56108180240
Время обезвоживания, ча015,04,63,02,1
Время работы нагревателей, час015,04,62,31,6
Энергозатраты, Вт0840464,4414384
Начальная температура, °С-95959595
Конечная температура, °С-150150150150
По, 0,1 мм23,721,922,222,723,5
П25, 0,1 мм82,478,179,380,682
Температура размягчения по КиШ, °С48,749,349,149,048,7
Температура хрупкости, °С-19,5-17,8-18,4-18,8-19,1
Интервал пластичности, 0,1 мм68,267,167,567,867,8

Как следует из результатов экспериментальных исследований по обезвоживанию битума в статическом режиме нагрева (при свободной конвекции), увеличение влагосодержания в битуме приводит к существенному увеличению энергозатрат, а также снижению качества битума. При этом минимизировать энергозатраты возможно за счет увеличения мощности нагревателей в котле, что особенно выражено при обезвоживании битума с высокой (7%) обводненностью. Так при увеличении мощности нагревателей в котле обезвоживания в 2—4 раза энергозатраты снижаются на 50-60%, при этом существенно сокращается время обезвоживания, минимизируются изменения пенетрации при 0°С и 25°С на 1-7%, температуры размягчения по «КиШ» на 0,5-1% и температуры хрупкости на 2-4%.

Однако реализовать метод минимизации энергозатрат при сохранении качества битума за счет увеличения мощностей нагревателей в условиях производства затруднительно, что для большинства АБЗ обусловлено ограничением единовременно потребляемой мощности.

Поэтому снижать энергозатраты при обезвоживании битума на производственных предприятиях необходимо за счет интенсификации процесса обезвоживания без повышения мощности существующих нагревателей.

Гипотеза - минимизация энергозатрат при сохранении качества битума в процессе обезвоживания может быть достигнута за счет повышения коэффициента теплоотдачи от нагревателей к битуму при динамическом режиме нагрева (вынужденной конвекции).