Моделирование процесса модифицирования битума в кавитационно-смесительном диспергаторе Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 665.775:66.063.622+001.891.57

БАЗУЕВ ВИКТОР ПАВЛОВИЧ, ст. науч. сотрудник, slab@mail. tomsknet. ru

МАТВИЕНКО ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ, докт. физ.-мат. наук, профессор, matvolegv@mail. ru

ВОРОНЕНКО ВЯЧЕСЛАВ ЛЕОНИДОВИЧ, аспирант, matvolegv@mail. ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ БИТУМА В КАВИТАЦИОННО-СМЕСИТЕЛЬНОМ ДИСПЕРГАТОРЕ

В статье приведены теоретические исследования по математическому моделированию процессов модифицирования битумов в кавитационно-смесительном диспергаторе с целью их практического применения, повышения качества нового вяжущего и снижения энергозатрат при его приготовлении. Показано, что способ кавитационно-смесительного диспергирования позволяет получить однородную смесь на выходе из кавитационно-смесительного диспергатора.

Ключевые слова: битум, модифицирование, математическая модель, вязкость, температура, смешение.

BAZUEV, VIKTOR PAVLOVICH, senior researcher, slab@mail. tomsknet. ru MATVIENKO, OLEG VIKTOROVICH, prof., matvolegv@mail. ru

VORONENKO, VYACHESLAV LEONIDOVICH, P.G., matvolegv@mail. ru

Tomsk State University of Architecture and Building,

2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia

SIMULATION OF THE PROCESS OF BITUMEN MODIFICATION IN CAVITATION-MIXING DISPERSANT

The article reviews the theoretical research of mathematical simulation of the process of bitumen modification in cavitation mixer dispersant for the purpose of their practical application, improvement of new binder quality, and decrease of power consumption at its preparation. It is shown that the way of cavitation mixer dispersion allows to receive a homogeneous mix at an exit from cavitation-mixing dispersant.

Keywords: bitumen, modification, mathematical model, viscosity, temperature, mixing.

Долговечность и надежность асфальтобетонного покрытий напрямую связаны с качеством битумного вяжущего, применяемого для приготовления асфальтобетонных смесей и других битумных дисперсных систем, используемых в дорожном строительстве.

Различные погодно-климатических условия строительства и эксплуатации покрытий автомобильных дорог в России накладывают определенные

© В.П. Базуев, О.В. Матвиенко, В. Л. Вороненко, 2010

требования к битумным вяжущим или битумным дисперсным системам, применяемым в определенном районе или объекте строительства.

В связи с тем, что в России нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) в основном выпускают окисленные битумы, они подвержены более интенсивному старению, вследствие чего происходит преждевременное разрушение асфальтобетонных покрытий.

Поэтому для повышения качественных показателей дорожных битумов приходится применять различные добавки: адгезионные присадки, пластификаторы, полимерные добавки и прочее для получения новых битумных вяжущих, отвечающих требованиям дорожной отрасли. С технологической точки зрения это приводит к усложнению технологического процесса подготовки битумного вяжущего, установке дополнительного оборудования и дополнительным затратам.

Еще одним очень важным фактором приготовления битумных вяжущих является получение его однородности. В настоящее время за рубежом и в России созданы эффективные установки с различной производительностью для приготовления битумных дисперсных систем: битумных эмульсий, модифицированных битумов, которые имеют ряд недостатков: высокую стоимость и сложное оборудование в эксплуатации.

Создание эффективного и простого оборудования для приготовления нового битумного вяжущего или битумных дисперсных систем на основе дорожных битумов, выпускаемых НПЗ, является приоритетной задачей.

В настоящей работе предложены новые эффективные принципы и технологии получения модифицированных дорожных битумов способом кавитационно-смесительного диспергирования с учетом математического моделирования для каждого определенного технологического процесса.

Для этих целей был разработан кавитационно-смесительный дисперга-тор (КСД) (рис. 1, а), содержащий корпус в виде полого цилиндра, входной патрубок ввода битума 1, выполненный в виде полого усеченного конуса и соединенный с улиточным завихрителем 2, патрубок ввода диспергируемого компонента 3 с обратным клапаном 4, и выходной патрубок 5, внутри которого установлено устройство для диспергирования 6. При этом ось выходного патрубка совпадает с осью патрубка подачи диспергируемого компонента и перпендикулярна оси входного патрубка.

При моделировании поля течения используются уравнения Рейнольдса, записанные относительно осредненных по времени осевой и, радиальной v, тангенциальной w составляющих скорости, а также давления p [1]:

дpu 1 фuvr о

(1)

дриу | 1 дру2г г

дх

1 д

г дг

Меггг

дг

ґ 2 ду 2 ( ди дг 3 і дх

др д

— + —

дг дх

ду ди

1 дуг ^ г дг

у

' М'еііГ _' г

pw

дри^1 | 1 дpvwг г

д дw 1 д МеГГ 3 д ( w )

дх МеіГ дх г2 дг 1 сі1 г °гф дг і г )

руw

(3)

(4)

дх г дг

Здесь г и х - осевая и радиальная координаты; це(Г = ц0 +ц4 - эффективное значение вязкости, равное сумме молекулярной ц0 и турбулентной ц4 = Сцрк2 / в вязкости; и , V , w , - осевая, радиальная и тангенциальная скорости, р - давление.

Рис. 1. Кавитационный смеситель-диспергатор

Характеристики турбулентности рассчитывались на основе двупараметрической модели с использованием балансных уравнений для кинетической энергии турбулентности к и скорости ее диссипации в с поправкой на число Ричардсона Ш [2]. Эта модель получена при допущении неизотропности турбулентной вязкости (с , = 2,5) и при коррекции константы С2 в уравнении

для в с помощью Ш =

к w2 д(wг)

в2 г

дг

с целью более корректного описания

влияния закрутки на процессы генерации/диссипации турбулентности:

дрик + 1 друкг дх г дг

д " дк" + 1 д " дк ~

дх МеіГ -_ дх _ г дг МеіГ г^ _ дг _

О-рв,

(5)

дрые + 1 друке д Це^ де + 1 д Це^

дх г дг дх се дх г дг се

^^е е

г— +(СО - С2 ре)-. (6)

дг У к

Диссипативная функция в случае осесимметричного течения может быть определена как

( ды V ' ду У ( у У ( ' ды У 'д* V 'дм У ( д (мV

1 — 1+1 — + — + 1 — 1 +1 — 1 +1 \ + г—\ — \

{дх \ 1 5^ У 1 удг ) ,дх ) ,дх ) { дг{г ))

Значения констант и функций в этой модели следующие: С1 = 1,44,

Вследствие эллиптичности системы дифференциальных уравнений для замыкания задачи ставятся необходимые граничные условия на всех границах расчетной области.

Зависимость молекулярной вязкости, теплопроводности и диффузии от температуры определялась таким образом:

с использованием параметров цг = 1,5-108Па-с, Е = 49100 КДж/Кмоль.

На основе представленной выше математической модели было проведено численное исследование структуры течения в смесителе (рис. 1, в). Расчетные параметры аппарата имели следующие значения: = 7, Я2 =12, Л3 = 17,

Я4 = 27 мм; Ь\ = 120, Ь2 = 10, Ь3 = 250 мм; = 240 мм2.

Рассмотрим сначала особенности структуры течения и характеристик турбулентности в отсутствие центральной струи. На рис. 2, 3 показаны соответственно поля тангенциальной и осевой составляющей скорости.

Радиальное распределение тангенциальной составляющей скорости в приосевой области носит квазитвердый характер, а в пристеночной - квази-потенциальный. Между этими областями реализуется промежуточный режим течения. Максимальные значения тангенциальной скорости наблюдаются в области, непосредственно примыкающей к завихрителю. Вниз по течению интенсивность вращательного движения в результате действия вязких сил существенно уменьшается. Закрутка потока приводит к появлению тангенциальной составляющей скорости м и формированию поля центробежных сил, пропорциональных рw2/г , которые интенсифицируют движение жидкости в радиальном направлении. При малой интенсивности закрутки (ср < 50°) градиент давления, вызванный наличием центробежных сил, приводит лишь к уменьшению значений и в приосевой области. При большей закрутке в окрестности оси течения возникает большее разрежение, которое приводит к образованию центральной зоны возвратных течений. Чем больше интенсивность закрутки потока, тем больше становится рециркуляционная зона и тем большее количество жидкости рециркулирует к торцевой поверхности камеры. Вблизи торца, а также по мере удаления от завихрителя особенности течения, вызванные закруткой потока, становятся менее выраженными. Профиль осевой скорости становится монотонным с максимумом на оси течения.

С2 = 1,92 (1 - С3Ш), С^= 0,09, ск = 1, се = 1,3, С3 = 0,001.

Х0 = 1,744-10-2 -1,493 • 10-5Т , £>0 = 4,2-10-9Т

г х=0.005 м х=0.048 м х=0.062 м

I

_,1Й^ *-—'■ я

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020

Радиальная координата г, м

Рис. 2. Радиальное распределение тангенциальной скорости

Радиальная координата г, м

Рис. 3. Радиальное распределение осевой скорости

Введение в поток центральной струи модификатора существенно изменяет структуру течения. Подача центральной струи модификатора осуществляется без ее закрутки, в то же время подвод потока битума через улиточный завихри-тель осуществляется без осевой составляющей скорости. Таким образом, структура течения определяется взаимодействием этих потоков, Для осевой составляющей скорости характерно наличие ядра, в котором осевая скорость и остается практически постоянной и равной скорости истечения пограничного слоя, в котором происходит падение скорости до скорости спутного потока. При этом профиль осевой составляющей скорости имеет вид кривой Гаусса:

( ( V ^

г

і (г) = и + (и* - и)ехр

-а

г

\ * У

где и - скорость спутного потока; ы* - скорость на оси потока; г* - радиальная координата точки, где выполняется условие ы (г)- и = 0,5 (ы* - и) ; а -

некоторая константа, зависящая от режима течения и геометрии потока.

В результате обмена импульсом в тангенциальном направлении происходит вовлечение центрального потока во вращательное движение. При этом, если на начальном участке течения центральная струя сохраняет незакручен-ность, то уже на расстоянии, равном примерно одному диаметру струи, весь поток вращается как единое целое.

На рис. 4 представлены линии тока, характеризующие структуру течения в техническом устройстве. Видно, что основная часть потока, подаваемая через улиточный завихритель, движется сначала в радиальном направлении вдоль торцевой крышки. Затем в области пережима канала происходит разворот потока, и движение осуществляется преимущественно в осевом направлении. При этом частицы жидкости также осуществляют движение в тангенциальном направлении.

После прохождения участка, характеризуемого минимальным сечением, происходит расширение потока. В пристеночной области отчетливо видна пристеночная зона возвратных течений.

50

40

О 30

ь 20

Рис. 4. Линии тока

Изменение температуры в диапазоне от 350 до 450 К качественно не изменяет структуру течения, хотя количественно различия присутствуют. Также не влияет на картину течения изменение давления на входе от 1 до

2 атмосфер. Использование различных моделей турбулентности также дает качественную совпадающую картину.

Распределение давления в КСД показано на рис. 5. Максимальные значения давления реализуются на периферии потока, что связано с действием поля центробежных сил. В приосевой области давление близко к атмосферному, при этом в области сужения канала наблюдается зона разрежений. Действительно, соответственно с теоремой Бернулли уменьшение площади проходного сечения означает увеличение скорости прокачки вещества и как следствие этого увеличение давления. При этом, чем больше интенсивность закрутки, тем больше разрежение. Отметим, что в случае, когда давление в центральной части улиточного завихрителя КСД становится меньше атмосферного, в потоке может наблюдаться явление кавитации, которое в рамках настоящего исследования не учитывается.

Максимальное значение энергии турбулентных пульсаций локализуется в областях, где поток осуществляет резкий разворот, а также в области пережима канала. На достаточном удалении от входа по мере гидродинамических стабилизации потока происходит ослабление энергии турбулентных пульсаций.

г, м

Рис. 5. Поле давления Т = 400 К

Основной интерес представляет распределение концентрации модификатора в выходном патрубке КСД для различных значений температуры

и давления. Как видно из рис. 6-8, при низкой температуре (Т = 350 К) смешение битума со струей модификатора практически отсутствует.

0,030 -0,025 -0,020 -0,015 -0,010 -0,005 -

ц

0,000 -

Рис. 6. Концентрация модификатора в выходном патрубке КСД: Т = 350 К

0,030 -0,025 -0,020 -0,015 -0,010 -0,005 -0,000

Рис. 7. Концентрация модификатора в выходном патрубке КСД: Т = 400 К

г, м

0,030 -0,025 -0,020 -0,015 -0,010 -0,005 0,000

г, м

Рис. 8. Концентрация модификатора в выходном патрубке КСД: Т = 450 К

С повышением температуры происходит уменьшение молекулярной вязкости в потоке, с одной стороны, и увеличение коэффициента диффузии, с другой стороны. Это способствует улучшению качества смешения. В результате этого полное смешение происходит в выходном патрубке КСД. При этом при температуре 400 К смешение происходит в области от 0,12 до 0,17 м. Повышение температуры до 450 К обеспечивает полное смешение на длинах 0,04 и 0,12 м.

Отметим, однако, что использование таких высоких температур (450 К) является нежелательным с точки зрения технологии, так как при таких темпе-

ратурах происходит процесс окисления битума, изменяющий его технические характеристики. Кроме этого, разогрев битума до высоких температур требует дополнительных необоснованных энергетических затрат. Таким образом, в качестве оптимальной температуры принимается 400 К.

На рис. 9 представлены данные об однородности смешения модификатора с битумом на выходе из КСД. Из рисунка видно, что при низких температурах Т = 350 К смешения практически не происходит. С увеличением температуры в приосевой области формируется зона однородного смешения, которая тем больше, чем выше температура. И при Т = 400 К однородность смешения наблюдается во всем объеме КСД.

С, %

Рис. 9. Качество смешения

Таким образом, математическое моделирование процессов модифицирования дорожных битумов жидкими или разогретыми до жидкого состояния добавками способом кавитационно-смесительного диспергирования позволяет получить однородный модифицированный битум при оптимальных низких температурах с минимальными энергетическими затратами.

Способ кавитационно-смесительного диспергирования позволяет получить однородную смесь на выходе из кавитационно-смесительного дисперга-тора с последующим ее транспортированием по битумопроводам к потребительским устройствам без изменения ее свойств. Низкие температуры при модифицировании битумов не создают условий для их преждевременного старения и изменения свойств нового вяжущего.

Библиографический список

1. Гупта, А. Закрученные потоки / А. Гупта, Д. Лилли, Н. Сайред. - М. : Мир, 1987.

2. Launder, В.Е. The numerical computationof turbulent flows / В.Е. Launder, D.B. Spalding // Computational Methods of Applied Mechanical Engineering. - 1974. - Vol. 3. - P. 269-289.