Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния ультразвуковых технологических аппаратов 13
1.1 Процессы химических технологий, реализуемые или интенсифицируемые за счет ввода в технологические среды механических колебаний ультразвуковой частоты высокой интенсивности 13
1.1.1 Параметры эффективности ультразвукового воздействия на химико-технологические процессы 13
1.1.2 Эффекты второго порядка при распространении в жидкой среде ультразвуковых колебаний высокой интенсивности 14
1Л .3 Ультразвуковое отстаивание 20
1.1.4 Ультразвуковое центрифугирование 21
1.1.5 Ультразвуковое диспергирование 23
1.1.6 Ультразвуковое получение прямых и обратных эмульсий 26
1.1.7 Влияние ультразвука на сорбционные процессы 27
1.1.8 Ультразвуковая очистка 29
1.1.9 Ультразвуковая экстракция 31
1.1.10 Влияние ультразвуковых колебаний на химические процессы 33
1.2 Анализ современного состояния ультразвуковых технологических аппаратов 35
1.2.1 Энергетические характеристики ультразвукового технологического оборудования 36
1.2.2 Ультразвуковые технологические аппараты химических производств 40
1.2.3 Недостатки ультразвукового технологического оборудования... 45
1.3 Роль ультразвуковой колебательной системы в составе ультразвукового технологического аппарата , 46
1.3.1 Основные характеристики колебательной системы 46
1.3.2 Конструкций и составляющие колебательной системы 50
1.3.3 Недостатки колебательных систем 55
2 Инженерный расчет пьезоэлектрических полуволновых ультразвуковых колебательных систем 59
2.1 Определение размеров составляющих ультразвуковых колебательных систем 59
2.1.1 Обоснование выбора полуволновой конструкции ультразвуковой колебательной системы 59
2.1.2 Обоснование выбора ступенчато-экспоненциального концентратора 61
2.1.3 Обобщенный вид колебательной системы с основными геометрическими размерами 63
2.1.4 Методика расчета полуволновой пьезоэлектрической ультразвуковой колебательной системы 65
2.2 Расчет ультразвуковых колебательных систем методом конечных элементов 70
2.2.1 Проверка адекватности расчета ультразвуковой колебательной системы методом конечных элементов 71
2.2.2 Определение вида и формы плавного перехода ультразвуковой колебательной системы 73
2.2.3 Определение оптимального местоположения пьезоэлектрических элементов 75
2.2.4 Согласование с обрабатываемой средой 79
2.3 Практические конструкции ультразвуковых колебательных систем различного технологического назначения 80
3 Разработка и проектирование колебательных систем с различными рабочими инструментами для ультразвукового воздействия на эмульсии и суспензии 83
3.1 Проектирование и разработка рабочего инструмента с излучающей поверхностью заданной площади 84
3.2 Проектирование и разработка грибовидных рабочих инструментов ультразвуковой колебательной системы 89
3.3 Проектирование и разработка пассивных грибовидных рабочих инструментов 96
3.4 Проектирование и разработка активных рабочих инструментов... 98
3.5 Крепление рабочих инструментов к колебательной системе 99
4. Особенности применения пьезоэлектрических ультразвуковых систем на примере малогабаритных ультразвуковых технологических аппаратов 101
4.1 Методы измерения энергетических характеристик ультразвуковых технологических аппаратов 101
4.2 Исследование функциональных особенностей применения ультразвуковых реакторов на примере процессов экстрагирования растительных материалов 104
Заключение 113
Список литературы 114
Приложение А 126
- Параметры эффективности ультразвукового воздействия на химико-технологические процессы
- Обоснование выбора полуволновой конструкции ультразвуковой колебательной системы
- Проектирование и разработка грибовидных рабочих инструментов ультразвуковой колебательной системы
- Исследование функциональных особенностей применения ультразвуковых реакторов на примере процессов экстрагирования растительных материалов
Введение к работе
Для интенсификации процессов химических технологий применяют различные физические факторы воздействия, в частности ультразвуковые колебания. Изучением взаимодействия ультразвуковых колебаний высокой интенсивности с веществом и возникающих при этом химических и физико-химических эффектов занимается самостоятельная область науки - звукохимия.
Химическое действие ультразвуковых колебаний отличается большим разнообразием. Ультразвуковые колебания высокой интенсивности могут ускорять химические реакции за счет: эмульгирования жидких компонентов; диспергирования твердых компонентов реакции или катализаторов; дегазации, предотвращения осаждения или коагуляции продуктов реакции; интенсивного перемешивания и т.д.
В настоящее время выделяют два типа ультразвуковых технологий. К первому относятся технологии, которые ускоряются ультразвуковыми колебаниями, но могут протекать и в их отсутствии, однако с меньшей скоростью. К этому типу технологий можно отнести разложение диаз о соединений, ускорение эмульсионной полимеризации, окисление альдегидов, изменение активности катализаторов, например, катализаторов Циглера в процессе полимеризации.
Ко второму типу относятся технологии, не реализуемые без воздействия ультразвуковых колебаний. Процессы этого типа в зависимости от механизма первичных и вторичных элементарных эффектов условно разделяют на шесть классов:
— окислительно-восстановительные реакции, которые идут в жидкой фазе
между растворенными веществами и продуктами ультразвукового
расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и
переходящими в раствор после их схлопывания;
- реакции между растворенными газами и веществами с высокой
упругостью пара внутри кавитационных пузырьков;
цепные реакции в растворе, которые индуцируются не радикальными продуктами расщепления, а каким-либо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости;
реакции с участием макромолекул, например, деструкция молекул полимера и инициирование его полимеризации, которые могут идти и при отсутствии кавитации. В этом случае значительную роль могут играть высокие градиенты скоростей и ускорения, возникающие под действием ультразвука, микропотоки;
инициирование взрыва в жидких или твердых взрывчатых веществах. Для этих процессов весьма важно возникновение ударных волн и высоких температур при схлопывании кавитационных пузырьков, а также возможных кумулятивных струй;
звукохимические реакции в неводных средах. Примерами таких реакций могут служить многие реакции с участием кремнийорганических соединений, используемые в технологии синтеза полупроводниковых материалов.
Источником ультразвуковых колебаний для реализации ультразвуковых технологий являются резонансные ультразвуковые колебательные системы (УЗКС), состоящие из одного или нескольких электромеханических преобразователей, усилителей упругих механических колебаний — концентраторов и рабочих инструментов различной формы, площади излучающей поверхности и назначения. Выбор типа и конструктивной схемы построения колебательной системы определяется реализуемой технологией, а также параметрами ультразвукового воздействия1 (частота, интенсивность, зона ультразвукового воздействия и т.д.).
Хотя и опубликовано большое количество работ, посвященных вопросам проектирования и разработки колебательных систем, все они до настоящего времени выполняются по классической двухполуволновой конструктивной схеме, объединяющей полуволновые преобразователь и концентратор. Несмотря на существующие недостатки, отсутствуют исследования,
направленные на создание новых конструктивных схем колебательных систем, нет достаточного систематизированного методологического подхода к проектированию и моделированию новых типов ультразвуковых колебательных систем, способных удовлетворить потребности современных химических технологий, отсутствуют практические конструкции таких колебательных систем. Цели исследования:
повышение эффективности химических технологий, осуществляемых или интенсифицируемых ультразвуковыми колебаниями путем увеличения ввода ультразвуковой энергии;
увеличение КПД преобразования и ввода энергии в обрабатываемые среды;
обеспечение ввода энергии ультразвуковых колебаний в режиме развитой кавитации и при интенсивностях до 500 Вт/см ;
создание новых конструктивных схем воздействия на технологические среды за счет совершенствования существующих и создания новых источников ультразвуковых колебаний, основанных на применении пьезоэлектрических колебательных систем, выполненных по полуволновой конструктивной схеме.
Для достижения поставленных целей необходимо решить частные задачи:
на основании моделирования процессов формирования и усиления ультразвуковых колебаний в полуволновых резонансных конструкциях различной формы предложить и разработать новые конструктивные схемы пьезоэлектрических колебательных систем с увеличенной площадью формирования ультразвуковых колебаний, увеличенной площадью излучающей поверхности, увеличенным коэффициентом электромеханического преобразования, увеличенным коэффициентом усиления ультразвуковых колебаний;
на основании теоретических и экспериментальных исследований предложить и разработать сменные рабочие инструменты различной
формы и назначения: многофункциональные для реализации различных технологий; оптимальные для ввода ультразвуковых колебаний в режиме развитой кавитации, обеспечивающие ввод в технологические среды ультразвуковых колебаний повышенной интенсивности (до 500 Вт/см ) и создающие кавитационные потоки в увеличенной зоне воздействия, способные сфокусировать и направить колебания в локальные зоны обработки, обеспечить введение ультразвуковых колебаний в труднодоступные участки и каналы, подачу и удаление реагирующих компонентов;
разработать колебательные системы, выполненные по полуволновой конструктивной схеме, объединяющей пьезоэлектрический преобразователь и ступенчато-экспоненциальный концентратор, имеющие массогабаритные характеристики, уменьшенные в 2 раза в сравнении с существующими; увеличенные прочностные характеристики применяемых элементов, имеющие электробезопасные системы охлаждения, обеспечивающие оптимальные температурные режимы работы; исследовать методические особенности применения созданных пьезоэлектрических колебательных систем в различных процессах и аппаратах химических технологий и выработать практические рекомендации по обеспечению условий максимального поглощения энергии УЗ колебаний в рабочих камерах технологических объемов и созданию условий для непрерывной проточной обработки технологических сред;
создать практические конструкции полуволновых пьезоэлектрических колебательных систем, сменных рабочих инструментов, рабочих камер технологических объемов для комплектации аппаратов химических технологий, экспериментально подтвердить повышение эффективности различных процессов при помощи созданных колебательных систем.
Работа является продолжением исследований, проводимых в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бииского технологического института
(филиала) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им, И.И. Ползунова». Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность коллективу лаборатории, а также Хмелеву Владимиру Николаевичу за полезные замечания и консультации, поддержку и помощь в работе.
Параметры эффективности ультразвукового воздействия на химико-технологические процессы
Воздействие ультразвуковых (УЗ) колебаний на химико-технологические процессы может иметь следующий характер [1]: стимулирующий - в тех случаях, когда они являются движущей силой процесса (например, при УЗ диспергировании и УЗ очистке); интенсифицирующий — в тех случаях, когда УЗ колебания лишь увеличивают скорость процесса (например, при УЗ растворении, УЗ кристаллизации и УЗ сушке); оптимизирующий - в тех случаях, когда УЗ колебания лишь упорядочивают течение процесса (например, при УЗ грануляции и УЗ центрифугировании).
Ультразвуковые колебания воздействуют на химико-технологические процессы через эффекты первого порядка [2] (частота, интенсивность и скорость акустических колебаний) и эффекты второго порядка [3-6], т.е. нелинейные эффекты, развивающиеся в жидкости при распространении мощных УЗ волн. К эффектам второго порядка относятся кавитация (разрыв сплошности жидкости), акустические течения (звуковой ветер), пульсации газовых пузырьков и т.п.
Интенсивность ультразвукового воздействия лучше всего характеризуется [7] произведением плотности акустической энергии на частоту УЗ колебаний Ef (Вт/м с"). Эта величина показывает, какая акустическая мощность приходится на единицу технологического объема, и ее можно измерить калориметрическим методом [8]. В целом ряде случаев эффективность УЗ воздействия хорошо характеризуется такой величиной, как индекс кавитации (отношение объема кавитационных пузырьков к объему жидкости).
В предположении, что звуковое давление меняется ступенчатым образом, т.е. остается постоянным в течение отрицательного полупериода, число кавитационных пузырьков в жидкости, содержащей растворенный газ, определяется выражением [9] . где pi — коэффициент, зависящий от частоты ультразвука, массы молекул и межмолекулярного расстояния Хм в жидкости.
При распространении ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, используемых при воздействии на химико-технологические процессы, в жидкости возникают нелинейные эффекты (рисунок 1.1). Под влиянием этих эффектов возникают вторичные явления (флотационный эффект, выпрямленная диффузия, ударная волна и другие), которые оказывают воздействие на химико-технологические процессы в ультразвуковом поле.
Акустическими течениями называют стационарные вихревые потоки жидкости, возникающие в ультразвуковом поле, как в свободном пространстве, так и вблизи препятствий различного рода, помещенных в УЗ поле. Причина возникновения всего многообразия акустических течений одна - необратимые потери в среде энергии импульса ультразвуковых колебаний.
Первая группа акустических течений — это течения, возникающие в свободном неоднородном пространстве ограниченного объема, в котором масштаб неоднородиостей ультразвукового поля значительно больше длины волны УЗ колебаний. Этот тип течений получил название Эккартовских течений. Масштаб вихрей, возникающих в этом потоке, определяется величиной объема, в котором распространяются УЗ колебания, и они являются крупномасштабными вихрями, т.е. существенно превышают дли ну волны [10].
Вторая группа акустических течений - это течения, возникающие вне акустического пограничного слоя. Это двухмерное течение между двумя плоскостями (или в цилиндрической трубе), возникающее под действием стоячих волн [2]. Масштаб вихрей в этом случае равен длине УЗ волны.
Третья группа акустических течений - это течения, возникающие в вязком пограничном слое вблизи препятствий, помещенных в ультразвуковом поле, - так называемые течения Шлихтинга. Масштаб этих пограничных вихрей определяется толщиной акустического пограничного слоя; по размерам этот слой намного меньше длины УЗ волны. Таким образом, эти вихри мелкомасштабные [11].
Возникновение этих течений вызвано тем, что колебательная скорость УЗ волны на абсолютно жесткой поверхности обращается в нуль, поэтому в пограничном слое резко меняется импульс УЗ волны. В зависимости от конфигурации твердой поверхности, направления движения волны относительно ее формы течений в пограничном слое могут быть весьма разнообразными.
При распространении в жидкости ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в результате волнового процесса возникают силы, действующие на тела, находящиеся в ней. В жидкости при распространении УЗ колебаний в качестве второго высокоамплитудного источника выступает пульсирующий кавитационный пузырек, и поэтому в его окрестностях также возникают пондеромоторные силы.
При распространении ультразвуковых колебаний в жидкости газовые пузырьки взаимодействуют с УЗ колебаниями. При этом изменяется траектория и скорость всплывания и даже может меняться направление движения [14]. При повышении ультразвукового давления выше определенного порога движущие поступательно пузырьки начинают совершать поперечные колебания и прыгающие движения.
При увеличении амплитуды ультразвуковых колебаний и превышении определенного порога сплошность жидкости нарушается, и в ней появляются кавитационные пузырьки. Это качественно меняет колебательный процесс в жидкости, так как изменяются свойства среды, и характеристики среды становятся нелинейными. Кроме того, при развитой кавитации происходит процесс периодического распространения гидродинамического разрыва в виде фронта захлопывающихся пузырьков [15].
При звуковом давлении, соответствующем структурной неустойчивости пузырька, время захлопывания определяется из соотношения t3ax/0,5T \ [7].
Б.Г. Новицким в работе [7] показано, что кавитационное разрушение металла, зависящее от скорости захлопывания кавитационного пузырька, максимально именно при таком соотношении. Также было показано, что при увеличении гидростатического давления скорость захлопывания пузырька достигает определенного максимума, а потом падает. Наибольшая скорость захлопывания наблюдается при соотношении гидростатического и акустического давления равно Ря/Р,( 0»4-0,6 [16].
Источники акустических турбулентных вихрей в ультразвуковом поле -акустические течения различных видов и микротечения, возникающие у поверхности пульсирующих пузырьков. Возникновение турбулентности связано с неоднородностью ультразвукового поля в акустическом пучке, где образуются высокие продольные и поперечные градиенты акустических давлений. Поток турбулизируется также на границе взаимодействия прямого и обратного акустического течения [19-22].
Обоснование выбора полуволновой конструкции ультразвуковой колебательной системы
Выявленные в результате анализа, проведенного в первой главе, недостатки двухполуволновых и трехполуволновых систем позволили предложить и разработать полуволновую конструктивную схему УЗКС (рисунок 2.1), предназначенную для интенсификации технологических процессов, протекающих в эмульсиях и суспензиях. Такая конструктивная схема совмещает электромеханический преобразователь, трансформатор упругих колебаний - концентратор, оканчивающийся рабочим инструментом с излучающей поверхностью, характеризующейся определенной, заданной формой и площадью.
Выбор полуволновой конструктивной схемы позволяет адекватно реагировать на изменение параметров обрабатываемой технологической среды и параметров самой колебательной системы — изменение резонансной частоты - за счет изменения частоты подаваемого электрического напряжения от электронного генератора.
УЗКС содержит корпус 1, в котором посредством крепежных элементов через опору 2, выполняющую функцию акустической развязки, в узле смещений закреплена ультразвуковая колебательная система, состоящая из отражающей металлической накладки 3, пьезоэлектрических элементов 4, к электродам которых через соединительный кабель подается электрическое возбуждающее напряжение, излучающей металлической накладки 5. К последней присоединяется рабочий инструмент 6, который может выполняться сменным.
Уменьшение концентрации механических напряжений в узле колебаний ступенчатых и составных концентраторов достигается применением плавных переходов (галтелей). Наиболее выгодными в отношении возможности получения значительных амплитуд колебаний на излучающей поверхности при малой нагрузке являются ступенчатые концентраторы, у которых коэффициент Мр усиления амплитуды колебаний равен отношению площади входного и выходного сечений. Но в отношении способности передачи колебательной энергии в нагрузку такие концентраторы значительно уступают коническим и экспоненциальным.
Ультразвуковые колебательные системы со ступенчатыми концентраторами характеризуются узкой полосой рабочих частот и, следовательно, весьма ограниченной возможностью подстройки по частоте при изменении нагрузки. Даже небольшое отличие частоты в системе от резонансной частоты концентратора приводит к резкому возрастанию входного сопротивления последнего, вызывая снижение эффективности работы системы. Большие напряжения, возникающие в зоне перехода между ступенями при работе с амплитудами свыше 20 мкм, обусловливают сильный нагрев и, как следствие, значительное изменение частоты колебаний в системе. Ступенчатые концентраторы из-за высоких механических напряжений быстро выходят из строя вследствие появления усталостных трещин. Эти недостатки исключают возможность использования ступенчатых концентраторов в случаях, когда излучающая поверхность рабочего инструмента имеет площадь свыше 5 см2 и амплитуду колебаний порядка 30-50 мкм.
Трансформаторы колебательной скорости, характеризующиеся переменным сечением, которое описывается определенным математическим законом, например, конической или экспоненциальной формой, обеспечивают более благоприятные условия для передачи колебательной энергии в нагрузку и для получения необходимых прочностных характеристик инструмента. Однако при значительных площадях поверхности рабочего инструмента для получения достаточно высоких значений коэффициента Мр от 12 до 15 необходимы такие размеры входного сечения (диаметром от 120 мм до 150 мм), которые практически предопределяют невозможность применения подобных концентраторов [70].
Как и обычные ступенчатые концентраторы, они позволяют при относительно небольших размерах входного сечения получать выходные значения коэффициента Мр, соответствующие ступенчатым концентраторам. Однако наличие переходного экспоненциального участка уменьшает концентрацию напряжений и обеспечивает более благоприятные условия для распространения колебаний, улучшает их прочностные свойства и способность трансформировать нагрузку без существенного изменения резонансного режима в колебательной системе.
Выше рассмотрены свойства различных типов концентраторов при работе их на холостом ходу. В ультразвуковых технологических установках концентраторы работают, как правило, с нагрузкой. Характер нагрузки (активный, инерционный, упругий) зависит от конструктивных и технологических особенностей процесса. Реакция на технологическую нагрузку и полоса частот его эффективной работы зависят от типа применяемого концентратора и определяются скоростью изменения входного сопротивления при изменении частоты [74], Вблизи резонанса скорость изменения входного сопротивления от частоты для всех типов концентраторов примерно одинакова за исключением ступенчатого, у которого отношение ZKS/Z(t резко зависит от частоты, что является его существенным недостатком. Это затрудняет также надежное закрепление ступенчатого концентратора в узловой плоскости, так как узел колебаний под влиянием нагрузки резко смещается по оси трансформатора колебательной скорости [67, 75].
По уменьшению отношения zRX/Zo с частотой концентраторы располагаются в следующем порядке [76]: ступенчатый, экспоненциальный, конический, катеноидальный, стержень постоянного сечения. Установлено также, что с увеличением коэффициента усиления концентраторов растет скорость изменения входного сопротивления. Нагрузка оказывает существенное влияние на работу концентратора как с точки зрения расстройки его по частоте, так и изменения его коэффициента усиления и резонансного режима работы колебательной системы. Активная составляющая нагрузки уменьшает коэффициент усиления и амплитуду колебаний, особенно при использовании ступенчатого концентратора [77].
Ультразвуковая колебательная система представляет собой тело вращения, образующая которого является кусочно-непрерывной кривой, состоящей из трех основных участков: двух цилиндрических (длиной // и /і) и одного экспоненциального (длиной 4). Пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным участком и торцом отражающей накладки [78, 79]. Выбор такой конструктивной схемы обусловлен необходимостью получения большого коэффициента усиления (как у ступенчатого концентратора) и наилучшего согласования с обрабатываемой средой (как у экспоненциального концентратора),
На основании предложенной пол у вол новой конструктивной схемы разработаны и созданы различные практические конструкции ультразвуковых колебательных систем, предназначенные для комплектации разнообразных аппаратов и характеризующиеся разными пьезокерамическими элементами (внутренний и внешний диаметр, толщина, тип пьезоматериала), разными сечениями цилиндрического участка концентратора, разными типами рабочих инструментов.
Для практических расчетов схемы ультразвуковых колебательных систем идеализируют, сложные уравнения упрощают, применяя линеаризацию параметров в области резонансных режимов работы, пренебрегая неосновными модами колебаний и обертонами. При расчете резонансных частот, как правило, не учитывают внутренние потери в системе. Если основная цель -достижение больших амплитуд колебаний при небольшой активной нагрузке, то иногда при расчете эту нагрузку не учитывают, считая режим работы системы близким к режиму холостого хода. Если при этом собственные частоты составляющих элементов колебательной системы равны или близки, то эти элементы рассчитываются отдельно [60, 61].
В связи с изложенным практические расчеты являются приближенными, часто имеют характер оценки, а ряд рекомендаций установлен на основе экспериментальных данных. Характеристики колебательных систем обычно окончательно уточняются при испытаниях и настройке.
На первом этапе исходя из результатов предварительных экспериментов и литературных данных об аналогичных процессах, определяются необходимые параметры ультразвукового воздействия: резонансная частота/и максимальная амплитуда колебаний излучающей поверхности cfra, количество вводимой акустической мощности Ра, необходимой и достаточной для осуществления технологического процесса. По этим параметрам выбирается интенсивность излучения / на поверхности рабочего инструмента. Для эффективного воздействия на различные технологические среды (водные, спиртовые, водно-спиртовые, масляные, органических растворителей) в режиме развитой кавитации интенсивность должна лежать в пределах от 10 Вт/см до 15 Вт/см2. Далее определяется коэффициент усиления MF колебательной системы при условии, что максимальная величина смещений поверхности пьезокерамических элементов в предварительно напряженном состоянии, ограниченная прочностью материала, не может превышать 5 мкм [63].
Проектирование и разработка грибовидных рабочих инструментов ультразвуковой колебательной системы
Эффективность ультразвукового воздействия на жидкую среду определяется степенью приближения излучаемой волны к плоской и значением активной составляющей его сопротивления излучения. Активная составляющая сопротивления излучения круглого поршневого рабочего инструмента увеличивается с ростом значения —-ат при условии, что —ат 2. В технологических установках это условие почти всегда выполняется. Как правило, с увеличением излучающей поверхности S# улучшается также согласование колебательной системы с нагрузкой, т.е. с рабочей средой.
С другой стороны, при увеличении линейных размеров излучающей поверхности нарушается однородность колебаний, т.е. наряду с продольными колебаниями инструмента, создающими плоскую волну, при которой все точки излучающей поверхности колеблются синфазно с одинаковой амплитудой, дополнительно возникают сложные изгибные колебания. Это обстоятельство приводит к снижению излучаемой энергии и к появлению дополнительных потерь в колебательной системе.
Для того чтобы рассматривать излучатель как поршневой, необходимо выполнение условия 0,l h 0,15. Однако уменьшение И приводит к снижению изгибной жесткости рабочего инструмента, благодаря чему уменьшается скорость Си и длина изгибной волны Ли при заданной частоте . При заданном значении ат его волновой размер (выраженный в ЛИ) увеличивается, и на длине ат может уложиться заметная часть изгибной волны, т.е. появляются условия, благоприятствующие изгибным колебаниям. Если ат Л,И12 то это соответствует условию резонанса изгибных колебаний (для диафрагмы прямоугольной формы) и амплитуда изгибных колебаний будет существенно превышать амплитуду продольных. Увеличение И приведет к уменьшению амплитуды. Этому уменьшению будет также способствовать увеличение изгибной жесткости. Таким образом, следует обеспечить условия, при которых собственная частота изгибных колебаний излучателя была бы больше частоты вынужденных колебаний, а именно при этом обеспечивается режим излучения плоской волны.
Из вышеизложенного следует, что чем больше величина ат, тем больше должно быть h. Более точный выбор размеров рабочего инструмента должен быть сделан с учетом определения резонансных значений его изгибных колебаний (при выбранных или заданных размерах h и ат).
При реализации химико-технологических процессов в ультразвуковых полях, в ряде случаев, необходимо оказывать высокоинтенсивное воздействие. Например, при высокоамшштудной очистке деталей излучающая поверхность должна создавать колебания амплитудой не менее 20-25 мкм на ультразвуковой частоте. Это соответствует интенсивности колебаний 28-32 Вт/см (для водной среды). При таком ультразвуковом воздействии возле излучающей поверхности локализуется кав итацио иное парогазовое облако, которое препятствует нормальному выходу акустической энергии, т.е. снижает эффективность воздействия. Для устранения этого недостатка необходимо применять либо цилиндрические излучатели, либо фокусирующие рабочие инструменты. Первые не используются в технологии УЗ очистки в силу своих конструктивных особенностей, а для проектирования рабочего инструмента необходимо, чтобы фокусирующая поверхность имела размеры, многократно превышающие длину волны, либо значительно увеличивать частоту УЗ воздействия (свыше 1 МГц), т.е. не выполняются условия (ЗЛО, 3.11).
Диаметр излучающей поверхности выбирается из соображения обеспечения равномерного поршневого движения излучающей поверхности. Необходимыми и достаточными условиями для создания поршневых колебаний (соответственно и для создания высокой интенсивности УЗ воздействия) на излучающей поверхности является соблюдение условий (ЗЛО, 3.11).
Для определения оптимального угла раскрытия конуса 2а, при котором обеспечивается максимальный вывод ультразвуковой энергии при наибольшем электроакустическом КПД ультразвуковой колебательной системы, был проведен ряд экспериментов. Результаты показаны на рисунке 3.5.
В качестве объектов исследования выступали различные полуволновые колебательные системы с грибовидными рабочими инструментами. Рабочие инструменты отличались разными диаметрами ат, удовлетворяющими условию (ЗЛО) и различным углом раскрытия 2а.
Высокое значение (не менее 80%) электроакустического КПД объясняется перемещением парогазового облака от излучающей поверхности рабочего инструмента в глубь обрабатываемого технологического объема. Это обусловлено распределением колебаний излучающей поверхности (рисунок 3.6). Диаметр излучающей поверхности изменялся от 20 до 35 мм (показано различными графиками на рисунке 3.6).
В случаях УЗ воздействия на водную и масляную среды проводились измерения пьезоэлектрическим щупом при питании полуволновой ультразвуковой колебательной системы напряжением 15В от низковольтного генератора. В случае УЗ воздействия на воздушную среду измерения осуществлялись посредством стробоскопического метода при питании колебательной системы напряжением от 1,2 кВ до 1,4 кВ непосредственно от генератора электрических колебаний, входящего в состав УЗ технологического оборудования [108].
Результаты измерений, проведенные для различных обрабатываемых жидких сред (водно-спиртовые, масляные, органические растворители) на разных колебательных системах, показали, что амплитуда колебаний к периферии грибовидного рабочего инструмента относительно его центра увеличивается в два-три раза. Изгибные колебания периферийной части рабочего инструмента препятствовали образованию парогазового облака у излучающей поверхности и способствовали распространению кавитационного облака в глубь рабочей камеры. Таким образом, грибовидный рабочий инструмент представляет собой такое устройство ввода ультразвуковой энергии, в котором сочетаются достоинства плоских и цилиндрических излучателей ультразвуковых колебаний. Это позволило вводить в обрабатываемую жидкую среду большую ультразвуковую энергию и, соответственно, увеличивать эффективность воздействия.
Исследование функциональных особенностей применения ультразвуковых реакторов на примере процессов экстрагирования растительных материалов
Для повышения эффективности ультразвукового технологического оборудования спроектированы и разработаны специальные рабочие камеры, учитывающие распространение ультразвуковых колебаний в обрабатываемой среде [113]. Этот принцип реализуется в ультразвуковых реакторах. Более подробно рассмотрим влияние ультразвуковых колебаний на процесс экстрагирования полезных веществ из растительного сырья.
Конструктивные размеры рабочей камеры определяются параметрами дальнего звукового поля; области расстояний, сравнимых с размерами рабочего инструмента и длиной волны, ближнего поля. В основу конструирования положен следующий принцип конструирования: внутренняя поверхность рабочей камеры является поверхностью постоянного минимального ослабления.
Для подтверждения целесообразности и эффективности использования ультразвука в качестве интенсифицирующего фактора были проведены экспериментальные исследования совместно с кафедрой биотехнологии БТИ по экстракции альфа-кислоты из хмеля общепринятым способом - мацерацией, а также кипячением, и способом, предусматривающим обработку смеси экстрагент- сырье механическими колебаниями ультразвуковой частоты [114].
Используемое сырье представляло сухой хмель с размерами частиц от 0,5 до 1 мм. Соотношение сырье — экстрагент варьировалось в пределах от 1:4 до 1:10 на 70%-ном этиловом спирте. Количество экстрагента принималось равным 100 мл и 500 мл (с первого по пятый опыт - 100 мл, в остальных случаях, кроме девятого, — 500 мл).
Контрольным образцом явился экстракт хмеля, полученный методом мацерации в течение 7 суток при температуре от 30С до 40С. Другие образцы обрабатывались ультразвуком в течение 30 минут при помощи ряда ультразвуковых технологических аппаратов, мощность которых составляла 40, 120, 160, 250 и 400 Вт, соответственно. Процесс экстракции в ультразвуковом поле проводился как в реакционных стеклянных емкостях, так и в специально разработанных рабочих камерах. После ультразвукового воздействия немедленно проводилось отделение жидкой фазы фильтрацией.
Предварительный анализ результатов показывает, что использование ультразвука увеличивает выход сухих веществ по сравнению с традиционными методами экстрагирования.
Как видно из опыта, для настойки и экстракта время ультразвуковой обработки в пределах 30 минут достаточно для получения таких же (или превышающих норму ГФК) показателей по сухому остатку и содержанию альфа-кислоты, как и при мацерации в течение 7 суток, т.е., используя ультразвуковые колебания, можно ускорить процесс экстракции примерно в 400-600 раз. Также очевиден и тот факт, что подъем мощности генераторов ультразвуковой частоты, увеличивает выход сухих веществ. Применение специальных разработанных рабочих камер также дает преимущества по сравнению с использованием стандартных технологических объемов, т.е. более рационально используется энергия ультразвуковых колебаний.
Для подтверждения возможности и целесообразности применения ультразвука в условиях ЗЛО «Эвалар» были проведены исследования по экстракции валериановой кислоты из корней валерианы общепринятым способом мацерации (или настаиванием) и способом, предусматривающим обработку смеси сырье - экстрагент с помощью ультразвуковых колебаний. Используемое сырье представляло собой дробленные сухие корни и корневища валерианы с размерами частиц от 7 мм до 10 мм стандартной поставки.
Образцы экстракта валерианы готовились из расчета соотношения сырье — экстрагент (1:5) на 40%-ном этиловом спирте (20 г корня на 100 мл спирта) и из расчета соотношения сырье - экстрагент (1:2) на 70%-ном этиловом спирте (50 г корня на 100 мл спирта). Поскольку при таком соотношении (1:2) смесь оказалась слишком густой (не был учтен коэффициент поглощения экстрагента сухим сырьем), то к каждому образцу было добавлено еще по 100 мл этилового спирта соответствующей крепости. Таким образом, соотношение сырье — экстрагент составило 1:10 для 40%-ного этилового спирта и 1:4 для 70%-ного этилового спирта. После ультразвуковой обработки немедленно производилось отделение жидкой фракции.
Контрольным образцом являлся экстракт, полученный методом мацерации в течение 7 суток. Образцы, обрабатываемые ультразвуком, предварительно замачивались в течение 30 мин, а затем подвергались озвучиванию в следующем режиме: 5 минут воздействия, затем перерыв от 40 минут до 50 минут и повторное озвучивание.
Предварительный анализ результатов показывает, что, используя ультразвуковые колебания в процессе экстрагирования, выход сухих веществ увеличивается по сравнению с традиционным методом (мацерацией),
Как видно из опыта, для соотношений сырье - экстрагент (1:10) и (1:4) время ультразвуковой обработки в пределах 10-20 минут достаточно для получения таких же (или превышающих норму Госфармокопеи) показателей по сухому остатку и содержанию изовалериановой кислоты, как и при мацерации в течение 7 суток, т.е., используя ультразвуковые колебания, ускорило процесс экстракции примерно в 500-900 раз.
Исходя из экспериментальных данных, отраженных в таблицах 4.3 и 4.4, можно сделать вывод об эффективном воздействии ультразвуковых колебаний на процесс экстракции по сравнению с традиционными методами э кстрагиро вания.
Так, воздействие ультразвуковых колебаний увеличило скорость протекания процесса, как уже отмечалось ранее, в сотни раз. Например, в случае экстракции валериановой кислоты из корня валерианы скорость возросла в среднем в 500 раз, а в случае экстракции альфа-кислоты из хмеля возросла в среднем в 350 раз,
Необходимое и достаточное время протекания процесса экстракции в ультразвуковом поле составило порядка 20 минут, Анализ результатов (в частности анализ по сухому остатку) показал, что использование ультразвукового воздействия в течение данного временного интервала позволило исключить практически полностью процесс замачивания сырья из технологической схемы производства.
Для обеспечения равномерной обработки всего объема смеси сырье -экстрагент и предотвращения ее локального нагрева ультразвуком требуется механическое ее перемешивание в процессе озвучивания и, если это необходимо, отвод тепла. Наиболее целесообразным с точки зрения технической реализации вариантом применения ультразвука является создание поточной линии экстрагирования лекарственного сырья, содержащей ряд резервуаров небольшой емкости (от 3 литров до 10 литров) для смеси, в которые на время от 15 до 25 минут вводятся лопастная малооборотная мешалка и ультразвуковая колебательная система. После окончания озвучивания указанные узлы вводятся в следующий резервуар, а обработанная смесь подвергается отделению экстрагента, его фильтрации и выводу из рабочей камеры для дальнейшего применения.
Достоинствами такой технологической схемы экстрагирования являются высокая производительность, возможность прекращения и корректировки цикла обработки в любой момент производственного процесса, возможность оперативного изготовления препарата небольшими партиями, возможность одновременного экстрагирования сразу нескольких видов растительного и/или животного сырья.
На основании предварительного анализа и экспериментальной проверки возможностей использования ультразвуковых колебаний на примере экстрагирования растительного сырья показано, что ультразвук является перспективным технологическим фактором, позволяющим при необходимости резко интенсифицировать производственные процессы, применяемые в химической технологии.
