Введение к работе
Актуальность темы. Среди процессов химических технологий, протекающих в гетерогенных системах, особое значение имеют процессы образования и разделения газодисперсных систем. Так, перевод жидкости в дисперсное состояние является наиболее эффективным способом увеличения поверхности межфазного взаимодействия для получения новых материалов. Процессы разделения газодисперсных систем являются основой технологических систем газоочистки, выделения наноразмерных материалов, разрушения пен для исключения потерь производимого продукта, сушки материалов - заключительной стадии большинства технологических процессов, определяющей качество конечного продукта.
Применение ультразвуковых (УЗ) колебаний, передаваемых в гетерогенные системы для интенсифицирующего воздействия на различные технологические процессы, обеспечивает не только значительное ускорение этих процессов, увеличение выхода производимого продукта, но и придает уникальные особенности получаемым продуктам.
Известно, что УЗ воздействие на тонкий слой жидкости обеспечивает мелкодисперсное и монодисперсное распыление, формирование факела распыления заданной формы, исключает необходимость в распыливающем агенте, позволяет распылять высоковязкие жидкости без использования растворителей.
Коагуляция газодисперсных систем при УЗ воздействии обеспечивает укрупнение и ускоренное осаждение дисперсных частиц различного происхождения и дисперсности, применяется во взрывоопасных и агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях. Основное достоинство сушки с применением интенсифицирующего ультразвукового воздействия заключается в обеспечении качественной (без разрушения структуры) сушки при низких температурах или без существенного повышения температуры при сушке горючих, взрывоопасных и легкоокисляемых материалов. Разрушение пен УЗ колебаниями позволяет исключить нарушение стерильности конечного продукта, возможность воспламенения специальных жидкостей, не требует применения дополнительных расходных материалов (в сравнении с химическими способами).
Однако, несмотря на указанные преимущества, процессы распыления, коагуляции, сушки и разрушения пен, основанные на интенсифицирующем УЗ воздействии, не нашли повсеместного распространения в промышленности.
Причина заключается в том, что нет специализированного оборудования, способного обеспечить максимальную эффективность (т.е. скорость протекания процесса и/или качество конечного продукта) процессов. Это обусловлено:
отсутствием теоретических и экспериментальных исследований, способных предоставить достоверные данные, объясняющие механизмы протекания рассматриваемых процессов под действием УЗ колебаний высокой интенсивности с учетом различных влияющих факторов, и позволяющих определить необходимые и достаточные режимы и условия воздействия (уровень звукового давления, частоту, время воздействия, размеры областей воздействия, толщины распыляемых слоев);
недостаточной эффективностью излучателей, предназначенных для распыления жидкостей различной вязкости с заданной дисперсностью и произво-
дительностью при условии формирования факела распыления заданной формы, отсутствием высокочастотных распылителей вязких жидкостей;
- несовершенством излучателей для формирования УЗ колебаний высокой интенсивности в газовых и газодисперсных средах, отсутствием исследований их технических характеристик и возможностей применительно к реализации процессов коагуляции, сушки и разрушения пен.
Таким образом, задача теоретического и экспериментального определения оптимальных режимов и условий УЗ воздействия и создания технологического оборудования, обеспечивающего повышение эффективности химико-технологических процессов в гетерогенных системах методами высокоинтенсивных УЗ воздействий, является актуальной.
Диссертационная работа выполнена в рамках двух Грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук: МК-383.2008.8 «Разработка и исследование новых технологий генерации и коагуляции мелкодисперсных аэрозолей ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности для получения перспективных материалов и подавления вредных техногенных выбросов» и МК-369.2011.8 «Разработка и исследование мелкодисперсных распылителей вязких жидкостей на основе новых физических принципов многократного поверхностного и высокочастотного ультразвукового воздействия»; двух Государственных контрактов № 02.515.11.5100 «Разработка и испытания экспериментального образца установки электрофизического воздействия на природные и техногенные воздушно-капельные дисперсии» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» {ответственный исполнитель) и № П2518 «Разработка и создание высокоэффективных электроакустических преобразователей для интенсификации процессов в газовых средах» в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» {руководитель работы); при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 9278р/15064 и 11094р/15064 «Разработка и организация производства серии ультразвуковых мелкодисперсных распылителей для оснащения высокотехнологичных отраслей промышленности» {руководитель работ); НИОКР - регистрационный номер № 01.02.0509063 {ответственный исполнитель) и ряда хоздоговорных НИР.
Цель работы - создание специализированного УЗ оборудования для повышения эффективности химико-технологических процессов в гетерогенных системах за счет реализации оптимальных режимов и условий УЗ воздействия, выявленных в результате математического моделирования и экспериментального исследования влияния на процессы не изученных ранее факторов.
Задачи исследований:
1. Выявить причины, ограничивающие эффективность процессов, происходящих при формировании и распространении УЗ колебаний в газодисперсных системах на примерах наиболее представительных технологических процессов распыления жидкостей, коагуляции аэрозолей, сушки и разрушения пен.
-
Установить основные закономерности процессов, происходящих на границе раздела жидкость - газовая среда при воздействии УЗ колебаниями высокой интенсивности, методами математического моделирования с учетом не изученных ранее влияющих факторов, выявить режимы и условия УЗ воздействия, способные обеспечить формирование капель жидкости с заданными размерами и производительностью.
-
Исследовать, методами математического моделирования, физические явления, происходящие в газовых средах с дисперсными частицами под действием акустических колебаний высокой интенсивности расширенного частотного диапазона для выявления режимов воздействия (по частоте и уровню звукового давления), способных обеспечить максимальное повышение эффективности процесса коагуляции.
-
Разработать колебательные системы ультразвуковых аппаратов для воздействия на химико-технологические процессы в гетерогенных системах, способные обеспечить ультразвуковое воздействие (по частоте и уровню звукового давления) в теоретически выявленных оптимальных режимах.
-
Экспериментально подтвердить возможность повышения эффективности процессов распыления жидкостей, коагуляции дисперсных частиц, сушки и разрушения пен при помощи разработанных УЗ колебательных систем.
-
Предложить способы УЗ воздействия, обеспечивающие повышение эффективности процессов, протекающих в гетерогенных системах, за счет установления теоретически выявленных оптимальных режимов УЗ воздействия.
-
Разработать практические конструкции УЗ оборудования, способного обеспечивать повышение эффективности химико-технологических процессов за счет воздействия в выявленных оптимальных режимах на примере процессов распыления жидкостей, коагуляции газодисперсных систем, сушки капиллярно-пористых материалов и разрушения пен.
Объект и методы исследования. Объектом исследования являются процессы распыления, коагуляции, разрушения пены и сушки материалов, протекающие в гетерогенных системах под воздействием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, направленные на решение поставленных задач. Исследования проводились путем построения теоретических моделей, допускающих аналитические и численные решения.
Научная новизна:
-
Предложена математическая модель процесса ультразвукового кавита-ционного распыления, основанная на учете взаимодействия ударных волн, образующихся при захлопывании кавитационных пузырьков со свободной поверхностью жидкости, позволившая впервые установить значения частоты и амплитуды УЗ воздействия, необходимые для формирования капель жидкости с требуемыми характеристиками по дисперсности и производительности.
-
Разработаны новые критерии формирования управляющих воздействий для автоматического установления и поддержания требуемой амплитуды колебаний распылительной поверхности для обеспечения заданной производительности распыления.
-
Разработана методика расчета размеров распылительной поверхности,
обеспечивающей формирование факела распыла с заданными характеристиками по форме и производительности.
-
Предложена математическая модель процесса УЗ коагуляции аэрозолей, учитывающая влияние вязкости газовой среды и позволившая впервые определить оптимальные режимы УЗ воздействия в зависимости от характеристик газодисперсной системы (концентрация, дисперсный состав).
-
Впервые теоретически установлена и экспериментально подтверждена необходимость применения УЗ диапазона частот (выше 20 кГц) для коагуляции мелкодисперсного аэрозоля, даны обоснования возможных вариантов практического применения процессов ультразвуковой коагуляции.
-
Предложены новые способы управления процессами распыления жидкостей, коагуляции аэрозолей, основанные на практической реализации выявленных оптимальных режимах УЗ воздействия.
Практическая значимость: заключается в дальнейшем совершенствовании и открытии новых направлений развития химических технологий, включающих процессы УЗ распыления жидкостей, коагуляции аэрозолей, сушки материалов и разрушения пен за счет:
-
Получения новых знаний о процессах, протекающих под воздействием УЗ колебаний высокой интенсивности на границе раздела жидкость - газовая среда, в газовых средах с мелкодисперсными частицами, путем разработки математических моделей процессов распыления и коагуляции аэрозолей, позволяющих определять оптимальные значения частоты и уровня звукового давления в зависимости от характеристик газодисперсной системы.
-
Разработки новых конструктивных схем УЗ колебательных систем для распыления жидкостей: во всем низкочастотном УЗ диапазоне (22-80 кГц), с излучающими поверхностями для формирования факела заданной формы; высокочастотных (130 кГц и более), для высокопроизводительного распыления в ранее не доступном диапазоне частот; для распыления высоковязких жидкостей (до 80 мПас) с двукратным УЗ воздействием.
-
Разработки нового класса излучателей различного диаметра (от 100 мм до 420 мм) для воздействия на гетерогенные системы с частотами более 20 кГц и уровнем звукового давления до 166 дБ, основанного на преобразовании продольных колебаний пьезопреобразователей в изгибные колебания дисков ступенчато-переменной формы.
-
Создания ультразвуковых аппаратов для интенсификации процессов распыления жидкостей, коагуляции, разрушения пены и сушки материалов, нашедших широкое практическое применение.
Созданное оборудование прошло успешную эксплуатацию на предприятиях страны и зарубежья: Sudo Premium Engineering (подразделение корпорации Samsung, Республика Корея); LG Electronics (Республика Корея); Dooson со., Ltd (Республика Корея); PHARMATECH A.S (Норвегия); Сибирский научно-исследовательский, проектный институт рационального природопользования (г. Нижневартовск); ЗАО «НЛП «Электронное, специальное технологическое оборудование» (г. Зеленоград); ЗАО «Электронсервис» (г. Зеленоград); ООО «Диагностические технологии» (г. Иркутск); ФГУП «Государственный Научный Центр Российской Федерации - Институт Физики Высоких Энергий»
(г. Протвино); ООО «Ангиолайн (г. Новосибирск); ООО «ДРЕКО» (г. Дрезна); ООО «СУАЛ-ПМ» (г. Шелехов); ООО НІЖ «Тихоокеанские биотехнологии» (г. Владивосток); ООО «Аналитхимавтоматика» (г. Москва); Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук»; Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН (г. Казань) и др.
Личный вклад автора: формулировка основных научных положений и идей работы, разработка теоретических моделей ультразвукового распыления и коагуляции аэрозолей, позволяющих определять оптимальные режимы и условия ультразвукового воздействия; разработка и создание экспериментальных стендов; планирование и обработка результатов экспериментальных исследований; создание конструкций ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов для их питания; создание практических конструкций распылителей, коагуляторов, сушильных установок, аппаратов для разрушения пен.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались: на Всероссийской научно-технической и методической конференции «Современные проблемы технической химии» (г. Казань, 2009 г.); Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН) 2005, 2011 гг.; Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» (г. Бийск, 2009 г.); Второй международной конференции «Пылегазоочистка-2009» (г. Москва, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2002-2012 гг.); на конференциях Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials (Novosibirsk, 2004-2012 гг.); Второй международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника» (Тула, 2003, 2004 гг.); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2008, 2009, 2011 гг.); Всероссийской научно-технической конференция с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2005, 2009 гг.).
На защиту выносятся:
-
Установленные на основании анализа предложенной модели распыления зависимости производительности процесса и размеров формируемых капель от физических свойств и толщины слоя распыляемой жидкости, амплитуды и частоты ультразвукового воздействия.
-
Результаты теоретических исследований процесса коагуляции аэрозоля акустическими колебаниями высокой интенсивности, обеспечившие выбор оптимальных режимов и условий воздействия, позволившие установить необходимость использования для коагуляции мелкодисперсных (менее 10 мкм) аэрозолей колебаний УЗ частоты (более 20 кГц).
3. Результаты экспериментальных исследований, подтвердившие опти
мальность теоретически выявленных режимов ультразвукового воздействия для
распыления жидкостей и коагуляции аэрозолей и позволившие разработать
способы управления указанными процессами.
-
Методики проектирования предложенных и разработанных ультразвуковых колебательных систем, обеспечивающих воздействия в установленных оптимальных режимах при реализации процессов распыления, коагуляции аэрозолей, сушки материалов и разрушения пен.
-
Предложенные способы реализации процессов, конструктивные решения колебательных систем и рабочих инструментов (излучателей), позволившие создать практические конструкции УЗ аппаратов.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 159 печатных работах, в том числе в 4 монографиях, 25 статьях в изданиях, входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий (в том числе 1 статья в зарубежном журнале, входящем в системы цитирования Web of Science, Scopus), 10 патентах РФ, 1 патенте на полезную модель РФ, 1 патенте Германии, 4 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов и результатов, списка литературы из 284 наименований, приложения и содержит 357 страниц машинописного текста.
Похожие диссертации на Повышение эффективности химико-технологических процессов в гетерогенных системах методами высокоинтенсивных ультразвуковых воздействий
