Содержание к диссертации
Введение
1 Применение диспергирования жидкостей и необходимость использования новых перспективных способов диспергирования 13
1.1 Способы диспергирования жидкостей 13
1.1.1 Гидравлическое диспергирование 14
1.1.2 Механическое диспергирование 16
1.1.3 Пневматическое диспергирование 17
1.1.4 Электростатическое диспергирование 18
1.2 Анализ состояния процессов химических технологий, основанных на диспергировании жидкостей 19
1.2.1 Мокрая очистка газов от дисперсных примесей 19
1.2.2 Очистка газов от примесей 22
1.2.3 Распылительная сушка 25
1.2.4 Проблемы распылительной технологии, перспективные способы диспергирования жидкостей 26
1.3 Принцип и физический механизм ультразвукового диспергирования жидкостей 28
1.3.1 Классификация способов ультразвукового диспергирования жидкостей 29
1.3.2 Механизмы каплеобразования при диспергировании жидкости в слое : 34
1.3.3 Анализ факторов, влияющих на эффективность ультразвукового диспергирования 37
1.4 Практическая реализация и применение ультразвукового диспергирования 38
1.4.1 Существующие ультразвуковые аппараты для диспергирования жидкости 39
1.4.2 Структура ультразвукового оборудования для диспергирования жидкости 43
1.5 Постановка задач исследования 46
2 Теоретическое исследование процесса ультразвукового диспергирования жидкостей с целью установления оптимальных режимов ультразвукового воздействия 49
2.1 Анализ физического механизма процесса диспергирования жидкостей путем кавитационного возбуждения капиллярных волн... 49
2.1.1 Определение зависимости звукового давления в слое диспергируемой жидкости от толщины этого слоя 52
2.1.2 Определение радиуса кавитационного пузырька в зависимости от факторов, влияющих на процесс кавитации 56
2.1.3 Определение величины амплитуды давления во фронте ударной волны, возникающей при захлопывании кавитационного пузырька 66
2.1.4 Определение амплитуды капиллярных волн, возникающих на поверхности жидкости 71
2.2 Теоретические основы управления процессом ультразвукового диспергирования 75
2.2.1 Контроль толщины слоя диспергируемой жидкости 75
2.2.2 Определение вязкости диспергируемой жидкости 80
3 Исследование процесса и выявление оптимальных режимов ультразвукового диспергирования 82
3.1 Подтверждение кавитационной природы диспергирования жидкостей 82
3.2 Разработка экспериментального стенда для определения оптимальных условий диспергирования 90
3.2.1 Принцип электромеханических аналогий 92
3.2.2 Выбор материалов для проведения экспериментальных исследований 94
3.2.3 Методика проведения экспериментальных исследований 95
3.2.4 Определение собственных характеристик колебательной системы и коэффициентов пропорциональности между измеряемыми электрическими сигналами и соответствующими физическими величинами 96
3.2.5 Определение оптимальных условий ультразвукового диспергирования 103
Практическая реализация ультразвукового диспергирования жидкости 114
4.1 Разработка способа управления процессом ультразвукового диспергирования 114
4.2 Разработка структурной схемы ультразвукового аппарата для реализации предложенного способа управления процессом ультразвукового диспергирования 116
4.3 Создание ультразвуковых аппаратов, реализующих предложенный способ управления процессом диспергирования 118
4.3.1 Разработка схемы электрической принципиальной электронного генератора ультразвуковой частоты 118
4.3.2 Разработка ультразвуковых колебательных систем для диспергирования жидкости 122
4.3.3 Разработка рабочих инструментов для диспергирования жидкостей 124
4.4 Подтверждение эффективности разработанного способа управления процессом диспергирования в реальных технологических процессах 127
4.4.1 Нанесение фоточувствительного слоя на поверхность кремниевой пластины путем диспергирования фоторезиста 128
4.4.2 Применение ультразвукового диспергирования для химико-механического полирования полупроводниковых пластин 132
4.4.3 Применение ультразвукового диспергирования для оптимизации процесса тепловой сушки жидких растительных
экстрактов : 136
Заключение 140
Список использованных источников
- Анализ состояния процессов химических технологий, основанных на диспергировании жидкостей
- Определение зависимости звукового давления в слое диспергируемой жидкости от толщины этого слоя
- Выбор материалов для проведения экспериментальных исследований
- Разработка структурной схемы ультразвукового аппарата для реализации предложенного способа управления процессом ультразвукового диспергирования
Введение к работе
Большинство процессов химической технологии реализуется в гетерогенных системах, в частности, в двухфазных системах жидкость - газ.
Наиболее эффективным способом интенсификации рассматриваемых процессов является развитие поверхности контакта фаз между веществами, находящимися в жидкой и газообразной фазах, за счет увеличения свободной поверхности вещества, находящегося в жидкой фазе. Увеличение свободной поверхности жидкости может реализовываться различными способами: при помощи барботажа вспенивания жидкости, создания пленки жидкости, смачиванием жидкостью различных насадок, диспергированием жидкости.
Диспергирование представляет собой технически наиболее просто реализуемый способ увеличения свободной поверхности жидкости, а его совершенствование является одной из важнейших задач химической промышленности. Этот факт базируется на существовании широкого спектра технологических процессов, в которых используется диспергирование, или реализация которых вообще невозможна без применения диспергирования жидкостей.
Примером таких технологических процессов могут служить: в области химической технологии - мокрая очистка газов от различных дисперсных примесей, абсорбция газовых примесей, как для их очистки, так и для выделения целевых компонентов, сушка и одновременное гранулирование материалов; в области радиоэлектронной промышленности - нанесение паяльных флюсов при автоматическом изготовлении печатных плат, покрытие полупроводниковых пластин фоточувствительным слоем на стадии фотолитографии при производстве полупроводниковых схем и др. Все перечисленные технологические процессы являются базовыми в своих отраслях промышленности, поэтому эффективная реализация процесса диспергирования в этих технологиях является важной задачей.
Проведенный анализ показал, что наиболее широко используемые на практике способы диспергирования (так называемые традиционные
способы): гидравлическое, механическое, пневматическое и электростатическое диспергирование обладают большим количеством недостатков, которые значительно снижают эффективность технологических процессов, осуществляемых на их основе.
В этой связи перспективным направлением совершенствования технологических процессов является применение новых способов диспергирования жидкостей. К таким способам относится диспергирование за счет использования энергии механических колебаний ультразвуковой (УЗ) частоты высокой интенсивности - ультразвуковое диспергирование.
Ультразвуковое диспергирование имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными способами диспергирования:
низкая энергоемкость;
высокая производительность;
возможность получать мелкодисперсное диспергирование;
возможность получать монодисперсное диспергирование; -возможность диспергировать высоковязкие жидкости без
предварительного снижения их вязкостей при помощи различных растворителей.
Ультразвуковой способ пока не получил промышленного применения в широких масштабах. Это в первую очередь связано с сильной зависимостью производительности диспергирования от свойств диспергируемой жидкости, приводящей к необходимости подбора необходимой величины ультразвукового воздействия для каждой диспергируемой жидкости в зависимости от ее свойств, площади диспергирующей поверхности и требуемой производительности диспергирования. На сегодняшний день, ввиду недостаточности знаний о процессах, происходящих в диспергируемой жидкости, их взаимном влиянии, подбор требуемой величины ультразвукового воздействия осуществляется вручную, на основании субъективных ощущений оператора или по косвенным признакам. Это приводит к практической невозможности определения оптимальных условий
диспергирования, что вызывает ухудшение дисперсных характеристик образующихся капель жидкости, и невозможности обеспечения монодисперсного диспергирования (а в ряде случаев и к невозможности поддержания самого процесса диспергирования) жидкости при изменяющихся условиях течения технологического процесса (температура, вязкость жидкости, производительность диспергирования).
Несмотря на существенность обозначенной проблемы, в настоящее время существует крайне мало теоретических исследований и практических наработок, позволяющих ее решить. Таким образом, задача изучения степени влияния свойств жидкости на процесс ее диспергирования и определение необходимых параметров ультразвукового воздействия является актуальной.
Целью работы является совершенствование процесса ультразвукового диспергирования жидкостей за счет обеспечения автоматического поддержания оптимальных режимов ультразвукового воздействия при реализации различных процессов химической технологии.
Работа является продолжением исследований, проводимых в «Лаборатории акустических процессов и аппаратов» Бийского технологического института (филиала) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». Автор выражает глубокую благодарность коллективу лаборатории, а также Хмелеву Владимиру Николаевичу за полезные замечания и консультации, поддержку и помощь в работе.
Анализ состояния процессов химических технологий, основанных на диспергировании жидкостей
При реализации этого способа, жидкости еще до ее истечения или в момент истечения сообщают электростатический заряд [4]. Под действием кулоновских сил пленка жидкости распадается на капли таких размеров, при которых силы взаимного отталкивания капель уравновешиваются силами поверхностного натяжения. Электризация диспергируемой жидкости осуществляется путем подвода потенциала к штуцеру диспергатора, электростатической индукцией, коронным разрядом и другими способами, и осуществляется в специализированных форсунках.
Форсунки с искусственной электризацией диспергируемой жидкости можно условно разделить на три основные группы: для диспергирования жидкостей (в том числе и вязких), для нанесения покрытий и для диспергирования порошков (рисунок 1.5).
Недостатками электростатического диспергирования являются необходимость в дорогостоящем оборудовании, его высокая энергоемкость, малая производительность и сложность обслуживания. Главным образом этот метод находит применение в некоторых типах распылительных сушилок и при нанесении покрытий методом диспергирования.
Таким образом, рассмотренные «классические» методы диспергирования жидкостей имеют существенные недостатки, вызывают снижение эффективности химико-технологических процессов, их использующих, анализ современного состояния которых приведен далее.
Мокрую очистку применяют для очистки газов от пыли или тумана. В качестве промывочной жидкости обычно используют воду, реже - водные растворы соды, серной кислоты и других веществ.
Поверхностью контакта фаз между газом и жидкостью может являться поверхность стекающей жидкой пленки (насадочные и центробежные скрубберы), пузырьков газа (барботажные пылеуловители), поверхность капель (полые скрубберы, скрубберы Вентури) [2,10].
Мокрая очистка газов наиболее эффективна в случаях, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа. Охлаждение газа ниже температуры конденсации находящихся в нем паров жидкости способствует увеличению массы частиц, которые служат центрами конденсации, что облегчает их улавливание.
При мокром улавливании эффективно улавливаются частицы размером не менее 3-5 мкм. Частицы меньшего размера улавливаются плохо. Для улавливания частиц с размерами менее 3 мкм применяются скрубберы Вентури (рисунок 1.6).
В скрубберах Вентури газ движется с высокой скоростью, силы инерции, возникающие при разрушении вихрей, позволяют частицам преодолевать пограничный ламинарный слой. Поэтому в данных аппаратах возможно улавливание 95-99% твердых частиц размером 1 мкм и капелек тумана диаметром до 0,2 мкм. Запыленный газ вводится через конфузор в трубу Вентури 1. Через отверстия в стенке конфузора туда же впрыскивается вода с помощью диспергирующего устройства 2.
В горловине трубы скорость газа достигает порядка 100 м/с. Высокая степень турбулентности газового потока способствует коагуляции пылинок с каплями жидкости. Капли жидкости вместе с поглощенными частичками проходят через диффузор трубы Вентури, где их скорость снижается до 20-25 м/с, и попадают в циклонный сепаратор 3. Здесь капли под действием центробежной силы отделяются от газа и в виде суспензии удаляются из нижней конической части.
Для того чтобы скруббер Вентури работал эффективно, необходимо очищенный газ предварительно охладить и насытить водяными парами в распылительном полом скруббере. В противном случае в трубе Вентури будет происходить испарение самых мелких капель жидкости, которые наиболее активно участвуют во взаимодействии с частицами пыли.
Определение зависимости звукового давления в слое диспергируемой жидкости от толщины этого слоя
В силу конечности слоя диспергируемой жидкости и с учетом того, что рассматривается установившийся режим колебаний, время, в течение которого рассматривается процесс, больше времени прохождения возмущения до границ жидкости, необходимо рассматривать процесс колебаний слоя жидкости в виде стоячей волны. Так как в жидкости могут распространяться только продольные волны, то волновое уравнение для этого случая, с учетом потерь на вязкое трение, будет иметь следующий вид [39]: dt2 дх2 Ъ pdt v СІХ і (2.2)
Для случая гармонических колебаний имеющих место при ультразвуковом воздействии: = ( )sin(fltf). (2.3) Подстановка выражения (2.3) в (2.2) дает дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами, решение которого имеет вид [63]: 4{х) = (Acos{ypx)+ Bsm(ypx)), (2.4) где ур - комплексная постоянная распространения волны, которая с учетом влияния вязкого трения приближенно определяется выражением [57]: р с Ърс Тогда выражение для смещения будет иметь вид: Е, = (A COS( X) + В sm{ypx))sm(o)t). (2.6) Дифференцируя выражение (2.6) по времени, получим выражение для колебательной скорости: v = o)(Acos{ypx)+ Bsin(ypx))cos(a)t). (2.7)
После дифференцирования выражения (2.7) по времени, получим выражение для определения ускорения. Интеграл от ускорения по координате с учетом второго закона И. Ньютона будет равен давлению звуковой волны: Р(х) = - -(Asm(rpx)- Bcos(ypx)). (2.8)
Так как в рассматриваемом случае имеет место стоячая звуковая волна, то можно исключить из рассмотрения член, зависящий от времени. Постоянные интегрирования определяем из начальных и конечных условий распространения волны в слое жидкости. В качестве начального условия удобно использовать значения колебательной скорости на излучающей поверхности ультразвукового преобразователя. Этот выбор обусловлен простотой практической реализации устройства контроля колебательной скорости [64, 65]. Примем границу раздела преобразователь - слой жидкости за начало отчета, т.е. х = О и, таким образом, и = UQ . При x = h имеет место граница раздела жидкость - газ, на которой согласно принятым допущениям коэффициент отражения волны равен единице, и так как рс » рв0здсвозд то имеем на границе узел звукового давления, т.е. при x = h, Р(х) = 0.
Подставляя полученные граничные условия в уравнения (2.7) и (2.8), получаем выражения для постоянных интегрирования: со со cos(hx) Подставляя полученные граничные условия в уравнение (2.8), получаем выражение для звукового давления в слое жидкости в зависимости от толщины этого слоя: -sin(r,(A-x)) Л,) = _Ь . (2-1) cos( p)
Согласно работе [66], практический интерес представляет развитие кавитации в слое, непосредственно граничащем с поверхностью ультразвукового преобразователя. Поэтому с целью упрощения дальнейшего рассмотрения можно ограничиться анализом зависимости звукового давления от толщины слоя жидкости только в этом приграничном слое или амплитуды звукового давления от толщины слоя. Амплитуда звукового давления будет равна: sm(yph) ур cos(r И) Р = и0рсо р v/ р или с учетом формулы (2.5) (2.11) y](sin(kh) chjph))2 -(cosjkh) sh(j3hjf 4{к2+р2) V(cos(/2) ch(j3h)f+(sm(kh) sh(j3h)f (2Л2)
На основании полученного выражения можно определить амплитуду ультразвукового давления в зависимости от вязкости и толщины слоя жидкости для различных жидкостей. На рисунке 2.2 показана зависимость амплитуды звукового давления от толщины слоя жидкости, при постоянной амплитуде колебаний излучающей поверхности ультразвукового преобразователя. Параметром представленных кривых является вязкость жидкости. Амплитуда УЗ колебаний равна 12 мкм.
Выбор материалов для проведения экспериментальных исследований
В качестве исследуемых сред для проведения экспериментов были использованы: дистиллированная вода, 96%-ный раствор этилового спирта, трансформаторное масло, оливковое масло, физические свойства [87, 88] которых представлены в таблице 3.4 (при температуре 20 С, давлении 0,1 МПа). В качестве базы для отсчета использовалась воздушная среда.
Выбор указанного ряда жидкостей обусловлен необходимостью реализации максимально широкого диапазона вязкостей, с целью установления предельных режимов диспергирования.
Измерение электрических параметров колебательной системы в воздушной среде необходимо для определения собственных характеристик ультразвуковых колебательных систем (собственная резонансная частота, сопротивление собственных механических потерь), которые учитываются при определении оптимальных условий ультразвукового диспергирования.
Проведение эксперимента осуществлялось в три этапа. Первый этап заключался в определении собственных характеристик колебательной системы при ее работе в холостом режиме, т.е. при излучении УЗКС в воздушную среду. Этот этап необходим для исключения влияния собственных характеристик УЗКС (зависимость резонансной частоты от амплитуды колебаний, сопротивление потерь) при проведении дальнейших экспериментов.
Второй этап заключался в определении коэффициентов пропорциональности между измеряемыми электрическими сигналами и физическими величинами, которые они характеризуют (коэффициента пропорциональности между током, протекающим через элементы LM, СМ И RM, и амплитудой механических колебаний УЗКС, изменением собственной резонансной частоты колебательной системы и толщиной слоя жидкости находящегося на излучающей поверхности УЗКС, величиной мощности потерь в слое жидкости и коэффициентом динамической вязкости этой жидкости).
Третий этап заключался в определении оптимальных условий ультразвукового диспергирования. Для этого на излучающей поверхности УЗКС обеспечивалось наличие слоя жидкости толщиной в 1,5-2 раза большей оптимальной, определенной на основании выражений, полученных во второй главе. Затем на электроды УЗКС подавалось напряжение ультразвуковой частоты, и осуществлялась генерация механических колебаний с заданной амплитудой. Амплитуда механических колебаний выбиралась на основе выражений, полученных во второй главе, в зависимости от вида жидкости.
Эффективность процесса ультразвукового диспергирования оценивалась по высоте факела диспергирования и фиксировалась видеорегистратором (видеокамерой). Одновременно с этим производилось измерение основных параметров УЗКС и диспергируемой жидкости (собственной резонансной частоты для определения толщины слоя жидкости, амплитуды ультразвуковых колебаний, полного сопротивления колебательной системы для определения индекса кавитации в слое жидкости). Измерения проводились синхронно с кадрами видеосъемки, причем в качестве импульсов синхронизации выступали импульсы кадровой развертки видеосигнала камеры. Полученные данные вместе с видеосигналом поступали на ЭВМ для последующей обработки.
Определение собственных характеристик колебательной системы, ее резонансной частоты, сопротивления внутренних потерь осуществлялось при ее работе на воздушную среду [91]. Излучение ультразвуковых колебаний в воздушную среду составляет менее 0,1%, поэтому можно считать, что выход ультразвуковой энергии отсутствует, т.е. коэффициент бегущей волны равен нулю, и все потери обусловлены только внутренними потерями на внутренние трение (LCP, ССР. RH3JI равны нулю).
Работа ультразвуковой колебательной системы эффективна только на частоте механического резонанса [89], что согласно эквивалентной схеме, представленной на рисунке 3.7, соответствует взаимной компенсации элементов Ьми См. Таким образом, значение сопротивления внутренних потерь может быть определено как частное от деления напряжения, приложенного к УЗКС, и тока, протекающего через механическую ветвь колебательной системы, т.е. через элемент RM!J. Для выделения тока протекающего через элементRMn, может быть использована разработанная схема дифференциального трансформатора [64, 90], вычитающая значение емкостного тока, протекающего по емкости пьезокерамики С%, из полного тока, потребляемого УЗКС.
Разработка структурной схемы ультразвукового аппарата для реализации предложенного способа управления процессом ультразвукового диспергирования
На основе предложенного способа автоматического управления процессом ультразвукового диспергирования жидкостей была разработана структурная схема УЗ генератора, представленная на рисунке 4.1.
Узлы 1, 2, 3, 4 составляют электроакустический тракт преобразования электрической энергии промышленной сети в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты. Блок 1 представляет собой источник постоянного напряжения, которое поступает на транзисторный инвертор 2. Частота преобразования инвертора задается управляемым генератором ультразвуковой частоты 6.
На выходе инвертора 2 формируется напряжение прямоугольной формы с амплитудой, определяемой управляемым широтно-импульсным модулятором 5. Это напряжение поступает на согласующую цепь 3, где происходит выделение его первой гармоники и усиление. С выхода цепи согласования напряжение поступает на пьезоэлементы колебательной системы 4. Элементы блок-схемы 9, 10, 11 выделяют амплитудные значения напряжения на пьезоэлементах УЗКС, тока механической ветви, сигнала, частота которого соответствует текущей резонансной частоте ультразвуковой колебательной системы.
Элементы 7, 8 представляют собой узел подачи диспергируемой жидкости. Блок 8 представляет собой регулируемый жидкостный насос, производительность которого контролируется измерителем расхода жидкости 7, управляющий сигнал с которого подается на устройство управления 12.
В качестве узла 12 используется однокристальный микроконтроллер, который работает по специальной программе и координирует работу всех 117 остальных узлов ультразвукового генератора. Узел 7 реализует алгоритмы определения собственный параметров УЗКС, осуществляет контроль толщины слоя диспергируемой жидкости, на основании данных, поступающих с расходомера 7, определяет производительность диспергирования, осуществляет управление амплитудой механических колебаний УЗКС, осуществляет общее управление работой ультразвукового диспергатора на основе предложенного способа установления оптимальных режимов ультразвукового диспергирования и зависимостей, представленных на рисунке 3.16, рисунке 3.19 и рисунке 3.20, занесенных в ПЗУ микроконтроллера.
Создание ультразвуковых аппаратов для диспергирования жидкости включает в себя несколько этапов: -разработка принципиальной схемы электронного генератора ультразвуковой частоты; -разработка ультразвуковой колебательной системы, собственная резонансная частота которой выбирается исходя из требуемого среднего диаметра капель и необходимых геометрических размеров; -создание рабочих инструментов с требуемой формой поверхности диспергирования; -выбор оборудования для создания системы подачи диспергируемой жидкости.
Для практической реализации предложенного способа схема электронного генератора [94], была дополнена узлами, позволяющими реализовать измерение основных величин, необходимых для установления оптимальных режимов ультразвукового диспергирования, а именно: толщины слоя жидкости, амплитуды колебаний излучающей поверхности УЗКС, вязкости жидкости. Для этого, как было показано в третьей главе, необходимо измерять следующие параметры УЗКС: текущую резонансную частоту, ток механической ветви (рисунок 3.9) и напряжение, прикладываемое к УЗКС.
Для измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности УЗКС была предложена и разработана принципиальная схема (рисунок 4.2) и создано устройство выделения электрического сигнала, значение амплитуды которого пропорционально текущему значению колебательной скорости (амплитуде механических колебаний).
