Особенности разогрева битума на АБЗ и интенсификация процесса

Основным оборудованием, применяемым для разогрева би­тумов, являются жаротрубные котлы, которые в настоящее время считаются наиболее экономичными. Они обеспечивают сравнительно быстрый разогрев битума. Теплоотдача от жа­ровых труб к битуму осуществляется, в основном свободной конвекцией и всецело определяется величиной действующего температурного напора и физическими свойствами (вязкостью) разогреваемого материала.
Для анализа эффективности использования тепловой энер­гии при разогреве битумов в котлах существующего типа было проведено обследование АБЗ. Установлено, что в зави­симости от количества битума и режима топки разогрев от 90°до 160—170°С длится 6—8 час.
Через 40—50 мин. после начала разогрева температура би­тума на расстоянии 30 см от стенки жаровой трубы подни­мается до 160°, тогда как на поверхности нагреваемого слоя температура поднимается только до 95—97°. Это значит, что в зоне жаровых труб вязкость битума понижается до 1,5— 2 пуаз, а на поверхности нагреваемого слоя она составляет 200—250 пуаз. Несмотря на перепад температур в 50—70° циркуляция крайне вялая, т. е. не обеспечивается интенсивный отвод горячего битума из зоны подогрева. В результате жаро­вые трубы оказываются как бы изолированными от основной массы нагреваемого битума прогретым слоем. Это приводит к падению температурного напора в 2—3 раза и, как следствие, к низкой теплоотдаче.
К моменту окончания разогрева, через 6—8 час., темпера­тура битума в зоне жаровых труб устанавливается 200— 225° (рис. 1). Интересно отметить, что температура битума, находящегося ниже жаровых труб, поднимается к этому времени всего до 110—130° и разогрев его заканчивается, как пра­вило, через 15—18 час.

Рис.1 Температурные поля битумоплавильных котлов

Проведенный анализ показал, что при разогреве битумов развитие конвективных потоков чрезвычайно затруднено и возможно лишь з состоянии истинно вязкой жидкости. При­чем, даже и в этом случае из-за высокой вязкости интенсивность теплообмена низкая — коэффициент теплоотдачи не превышает 50—100 вт/м²град. По данным обследования, ко­эффициент полезного действия котлов составляет 48—50%. Низкая теплоотдача приводит к замедлению процесса, не­оправданно большими потерям тепла и ухудшению свойств вя­жущего материала.
Одной из основных причин длительного разогрева является большая вязкость битума, обуславливаемая наличием струк­туры [I].
Физико-химическая механика дисперсных систем [5] указы­вает пути управления структуроосразованнем, одним из кото­рых является возможность предельного разрушения структу­ры и понижение вязкости действием не только температуры, но и градиента скорости и вибрации. Реологическими исследованиями свойств битумов [2; 6; 7] установлено, что предельное разрушение структуры обеспечивает понижение вязкости с наибольшего до наименьшего  значения, которые могут отличаться на несколько порядков.
Анализ условий теплообмена с учетом положений физико-химической механики показывает, что интенсификация разо­грева битумов возможна путем перехода со свободной кон­векции на вынужденную, причем наилучшие условия теплообмена будут в том случае, если вязкость битума близка к вязкости предельно разрушенной структуры.
На основания изложенных предпосылок было проведено ис­следование теплоотдачи от вибрирующего подогревателя к битумам. Эксперименты выполнены на установке, изображен­ной на рис. 2 (на рисунке справа вместо вибратора установлен эксцентриковый вал).

Исследованиями по выявлению влияния вибрации на кон­вективный теплообмен установлены зависимости параметров вибрирования на теплоотдачу (рис. 3). При разогреве биту­ма Б-5 неподвижным подогревателем при температурном на­поре dt=35° коэффициент теплоотдачи составил а= 65 вт/м²град, а при вибрировании подогревателя с частотой 16,7 гц и амплитудой 20 мм этот коэффициент возрос до 750 вт/м²град, т. е. почти в 12 раз. При разогреве вязкого битума БН-III неподвижным подогревателем при dt_ср=35° — а=40,5 вт/м²-град, а при вибрирующем — а возрастает до 415 вт/м²-град, т. е. более чем в 10 раз.
Из графиков видно, что влияние амплитуды и частоты ко­лебаний на теплоотдачу для исследованных битумов различ­но. Во всех случаях увеличение амплитуды колебаний при по­стоянной частоте приводит к резкому возрастанию теплоот­дачи, что следует объяснить увеличением зоны турбулентно­сти [8], а также интенсивным разрушением пограничного слоя в момент изменения направлений колебаний. Увеличение час­тоты колебаний при постоянной амплитуде также приводит к росту коэффициента теплоотдачи, но в значительно мень­шей степени. Это объясняется тем, что повышение частоты вызывает разрушение структуры, создавая при этом лучшие условия теплообмена. Однако интенсивность исследованных колебаний оказалась недостаточной для предельного разру­шения структуры. Чем прочнее структура, тем выше частоты колебаний, обеспечивающие предельное разрушение и наилуч­шие условия теплообмена. Более высокий эффект при одних и тех же частотах для жидкого битума объясняется наличием у него очень слабой структуры.
Применение вибрирующих подогревателей для разогрева битумов является мощным средством интенсификации про­цесса. Оптимальными параметрами вибрирования подогрева­теля, обеспечивающими теплообмен вынужденной конвекцией, являются низкие частоты и большие амплитуды [3; 4] (более 10 мм). Так, например, подогревателем, вибрирующим с час­тотой 10 гц и амплитудой 21 м.м, битум БН-III был нагрет на 76°(c 81 до 157°) за 2 часа. При этом средний темпера­турный напор составил 27,3°, удельная поверхность нагрева подогревателя 1,32 м²/м³, средний коэффициент теплоотдачи— 725 вт/м²град. Этим же подогревателем без вибрации при dt_ср=64,5° за 3 часа битум был нагрет только на 21°. Вибри­рующий с частотой 10 гц и амплитудой 21,5 мм подогрева­тель, удельная поверхность нагрева которого составила 3,64 м²/м³, позволил нагреть битум за 20 мин. на 25°. Темпе­ратурный напор при этом составил 13°. Без вибрации этим же подогревателем при dt_ср=32,5° битум был нагрет за 30 мин. только на 6,5°.
Следует напомнить, что в применяемых в настоящее вре­мя битумоплавильных котлах температурный напор в не­сколько раз выше, а удельные поверхности нагрева подогре­вателей составляют 1,3—2.5 м²/м³. Однако время разогрева битума от 90 до 150—170° составляет 6—8 час. Кстати ска­зать, циркулятор-нагреватель Д-226 имеет удельную поверх­ность нагрева 14,1 м²/м³.
Таким образом, вибрирующий подогреватель при меньших удельной поверхности нагрева и температурных напорах по­зволяет сократить время разогрева в 3—5 раз, увеличить ко­эффициент теплоотдачи в 10—12 раз. Его применение позво­лит коренным образом перестроить существующий техноло­гический процесс разогрева битума.

Список литературы:

1. Н.В. Михайлов, П.А. Ребиндер Коллоидный журнал. Т. 17. Вып. 2, 1955.
2. С.Я. Шалыт, Н.В. Михайлов. Коллоидный журнал. Т. 18. Вып. 2, 1956.
3. Н.В. Калашников, В.И. Черникин. Виброподогрев вязких нефтепродуктов, 1961.
4. F.K. Deaver, W.R. Penney, T.B. Jefferson. Trans. ASME, 7. 84. series «с». № 3. 1962.
5. П. А. Ребиндер. Физико-химическая механика Издатель­ство «Знание». 1958.
6. Н. В. Михайлов, А. М. Лихтгейм. Коллоидный жур­нал. Т. 17. Вып. 5. 1955.
7. Н. В Михайлов. Коллоидный журнал. Т. 17, Вып. 1.
8. П. А. Ребиндер. Труды совещания по вязкости жидкостей и коллоидных растворов. Часть I, ОТН АН СССР, 1941.