автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование ультразвукового воздействия на технологические среды и повышение эффективности технологических аппаратов

Введение.

1 Анализ состояния ультразвуковой техники и технологий.

1.1 Анализ физических эффектов, обуславливающих интенсификацию технологических процессов в жидких средах.

1.2 Интенсификация технологических процессов в ультразвуковых полях.

1.2.1 Ультразвуковое эмульгирование и получение суспензий.

1.2.2 Экстракционные процессы.

1.2.3 Ультразвуковое диспергирование.

1.3 Ультразвуковые аппараты для интенсификации химико-технологических процессов, протекающих в жидких средах.

1.3.1 Общие сведения об ультразвуковых технологических аппаратах

1.3.2 Ультразвуковые технологические аппараты химических производств.

1.3.3 Структура ультразвукового технологического аппарата. Требования к ультразвуковым аппаратам.

1.3.4 Анализ недостатков ультразвуковых аппаратов химических технологий.

2 Теоретическое исследование ультразвуковых технологических аппаратов с целью выявления причин, снижающих эффективность их работы.

2.1 Характеристики обрабатываемых сред в технологических процессах.

2.2 Механический импеданс колебательной системы.

2.3 Эквивалентная электрическая схема ультразвуковой колебательной системы.

2.3.1 Выявление параметров модели, чувствительных к изменению свойств жидких сред подвергаемых воздействию ультразвуковой энергии.

2.3.2 Выявление причин снижающих точность настройки электронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковых колебательных систем.

2.3.3 Выявление причин снижающих точность косвенной оценки амплитуды механических колебаний ультразвуковых колебательных систем.

3 Исследование влияния свойств обрабатываемых технологических сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов.

3.1 Разработка измерительного стенда для исследования влияния свойств обрабатываемых сред на электрические параметры колебательных систем.

3.2 Выбор оборудования и материалов для проведения экспериментальных исследований.

3.3 Методика проведения экспериментов.

3.4 Исследование влияния свойств сред на частотные характеристики электрических параметров колебательных систем.

3.4.1 Результаты экспериментальных исследований влияния свойств сред на параметры ультразвуковых колебательных систем.

3.4.2 Исследование влияния свойств жидких сред при излучении ультразвуковых колебаний через цилиндрические рабочие инструменты.

3.4.3 Исследование влияния свойств сред при излучении ультразвуковых колебаний через грибовидные рабочие инструменты диаметром 25, 30,40 и 50 мм.

4 Разработка методов проектирования узлов ультразвуковых аппаратов и излучателей. i. 4.1 Методика определения основных параметров ультразвуковых генераторов.

4.2 Разработка узлов и элементов систем автоматической подстройки частоты и систем контроля амплитуды механических колебаний.

4.2.1 Разработка устройства выделения сигнала, пропорционального величине амплитуды механических колебаний.

4.2.2 Разработка устройства выделения сигнала с частотными характеристиками колебательной скорости ультразвуковой колебательной системы.

4.2.3 Обеспечения режима регулирования энергетического воздействия при реализации ультразвуковых технологических процессов.

4.3 Разработка электронных генераторов для реализации различных технологических процессов.

4.4 Анализ работы ультразвуковых аппаратов при обработке технологических сред с изменяющимися свойствами. г' 4.5 Исследование эффективности разработанных ультразвуковых аппаратов при реализации процесса диспергирования.

Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности является перспективным и прогрессивным направлением в развитии химических производств. Ультразвук оказывает влияние на все известные процессы химических производств. Это воздействие может носить различный характер:

- стимулирующий, в тех случаях, когда ультразвуковые колебания являются движущей силой процесса (например, при реализации звукохимических реакций, акустическом диспергировании и удалении отложений с теплообменных поверхностей);

- интенсифицирующий, в тех случаях, когда колебания лишь увеличивают скорость процесса (например, при акустическом растворении, эмульгировании, экстрагировании, дегазации);

- оптимизирующий, в тех случаях, когда акустические колебания упорядочивают течение процесса (например, при стимуляции роста бактерий, кристаллизации, акустической грануляции и акустическом центрифугировании, мелкодисперсном распылении).

Повышение эффективности химических производств путем применения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности может быть обеспечено только за счет совершенствования существующих и создания новых технологических аппаратов, способных обеспечить максимально эффективное ультразвуковое воздействие на различные технологические среды.

К сожалению, используемые в настоящее время на химических производствах ультразвуковые аппараты, не обеспечивают автоматической оптимизации УЗ воздействия при изменении свойств технологических сред и не учитывают влияния этих сред и происходящих в них изменений на работу аппаратов. Это обусловлено отсутствием в используемых аппаратах систем, обеспечивающих изменение режимов работы электронного генератора при всех возможных статических и динамических явлениях, происходящих в обрабатываемых технологических средах.

В связи с этим, необходимость повышения эффективности химических производств и отсутствие пригодного для этого оборудования свидетельствуют об актуальности задачи дальнейшего совершенствования УЗ технологических аппаратов.

Цель работы - повышение эффективности ультразвуковых технологических процессов за счет создания ультразвуковых технологических аппаратов, построенных по новым конструктивным и принципиальным схемам, способных обеспечивать максимально эффективное воздействие на различные технологические процессы при минимальных энергетических затратах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать возможность повышения эффективности использования ультразвуковой аппаратуры для интенсификации технологических процессов, протекающих в жидких средах.

2. Разработать модель, описывающую свойства жидких технологических сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию и позволяющую определять волновое сопротивление технологических сред в зависимости от величины звукового давления и свойств обрабатываемой среды.

3. Экспериментально исследовать влияние обрабатываемых сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем (резонансную частоту, добротность, входное сопротивление, импеданс) и электронных генераторов для установления диапазонов необходимой перестройки параметров электронных генераторов при обработке различных технологических сред.

4. Предложить и разработать методику определения основных параметров УЗ технологических аппаратов, позволяющую осуществлять выбор, необходимой и достаточной для реализации в жидких технологических средах режима развитой кавитации, акустической и электрической мощности, а также определять диапазон изменения резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы при работе ультразвукового аппарата в различных

4 режимах (докавитационный режим, режим зарождения кавитации, режим развитой кавитации).

5. Разработать серию ультразвуковых технологических аппаратов для интенсификации различных технологических процессов.

6. Исследовать особенности использования разработанных ультразвуковых технологических аппаратов различной мощности, обеспечивающих повышение эффективности ультразвукового воздействия на различные жидкие среды.

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 и искреннюю признательность коллективу лаборатории, а также Хмелеву Владимиру Николаевичу за полезные замечания ** и консультации, поддержку и помощь в работе.

Заключение

В результате проведения исследовательской работы получены следующие результаты:

1. Показана возможность повышения эффективности использования ультразвуковой аппаратуры для интенсификации технологических процессов, протекающих в жидких средах за счет:

- введения нового критерия настройки электронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковой колебательной системы;

- возможности контроля импеданса излучению обрабатываемыми технологическими средами;

- введения критерия настройки ультразвукового аппарата на режим развитой кавитации, позволяющего поддерживать режим развитой кавитации при изменении свойств обрабатываемых технологических сред;

2. Разработана модель, описывающая свойства жидких технологических сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию. Модель позволяет выполнять расчет волнового сопротивления технологических сред в зависимости от величины звукового давления и свойств обрабатываемой среды.

3. Экспериментально исследовано влияние обрабатываемых сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем (резонансную частоту, добротность, входное сопротивление, импеданс) и электронных генераторов. Установлены диапазоны необходимой перестройки параметров электронных генераторов при работе в жидких средах, различных режимах работы.

4. Предложена методика определения основных параметров УЗ технологических аппаратов. Методика позволяет осуществлять расчет акустической и электрической мощности электронного генератора, необходимой и достаточной для реализации в жидкой технологической среде режима развитой кавитации. Методика так же позволяет определять диапазон изменения резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы при работе ультразвукового аппарата в различных режимах (докавитационный режим, режим зарождения кавитации, режим развитой кавитации), что является важным при проектировании систем автоматической подстройки частоты электронных ультразвуковых генераторов.

5. Предложенные метод определения импеданса излучению обрабатываемыми средами, критерий оптимальной работы ультразвуковых аппаратов и способ определения режима развитой кавитации позволили разработать серию ультразвуковых технологических аппаратов для интенсификации различных технологических процессов.

6. Исследованы особенности применения разработанных ультразвуковых технологических аппаратов различной мощности, обеспечивающих ультразвуковое воздействие на различные жидкие среды.

1. Применение ультразвука в промышленности / Под ред. А.И. Маркова. М.: Машиностроение, 1975. - 366 с.

2. Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970. - 688 с.

3. Ультразвуковая технология / Под ред. Б.А. Аграната. М.: Металлургия, 1974. - 505 с.

4. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О., Яхимович Д.Ф. Ультразвуковое резание. М.: Изд. АН СССР, 1962. - 274 с.

5. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. Барнаул: АлтГТУ, 1997. - 160 с.

6. Ботаки A.A., Ульянов В.Л., Шаро A.B. Ультразвуковой контроль. -М.: Машиностроение, 1983. 196 с.

7. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. М.: Гос. изд. физ-мат. лит., 1963. - 206 с.

8. Физика и техника мощного ультразвука / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968. - 270 с.

9. Носов В.А. Ультразвук в химической промышленности. Киев: Наука, 1963.- 156 с.

10. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. Л.: Машиностроение, 1988.-288 с.

11. Уразовский С.С., Полоцкий И.Г. О диспергировании ультразвуком // Коллоидный журнал. 1940. -№9. - С. 350-356.

12. Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968.-266 с.

13. Фридман В.М. Физико-химическое действие ультразвука на гетерогенные процессы жидкостной обработки материалов // Применение ультразвука в химико-технологических процессах. — М.:Наука, 1960. 280 с.

14. Заяс Ю.Ф. Интенсификация технологических процессов при помощи ультразвука // Пищевая промышленность. М.: ЦИНТИпищепром, 1960.-№3.-С. 21-28.

15. Дьяченко П.Е., Мизрохи Ю.Н., Аверьянова В.Г. Некоторые вопросы ультразвуковой обработки // Применение ультразвука в промышленности. — М.:Наука, 1959.-С. 139-143.

16. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. Л.: Машиностроение, 1988. - 314 с.

17. Лубе В.М. Опыт промышленных исследований низкочастотных упругих колебаний для получения эмульсии для сахарного печенья // Хлебопекарная и кондитерская промышленность. — М.: ЦИНТИпищепром, 1967. — №2. С.23-24.

18. Рогов И.А., Горбатов A.B. Физические методы обработки пищевых продуктов // Пищевая промышленность. — М.: ЦИНТИпищепром, 1974. -№13.-С. 38-41.

19. Попов К.И. Получение маргариновых эмульсий ультразвуком // Маслобойно-жировое дело. М.: ЦИНТИпищепром, 1936. - №6. - С.397-399.

20. Твердохлеб Т.Г. Эмульгирование молочного жира ультразвуком // Молочная промышленность. М.: ЦИНТИпищепром, 1958. - Т.З. - С. 30-34.

21. Rajagapal E.S. Partacle size distributions in ultrasonic emulsification // Proc. Ind. Acad. Sei. 1957. - V. 17. - №4. - P. 333-339.

22. Китайгородский Ю.И., Яхимович Д.Ф. Инженерный расчет ультразвуковых колебательных систем. М.: Машиностроение, 1982. — 56 с.

23. Khmelev V.N., Barsukov R.V., Tchyganok S.N. Ultrasonic Installation for Regeneration of Cutting Emulsion // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2004: Workshop Proceedings. -Novosibirsk: NSTU, 2004. P.194-196.

24. Хмелев B.H., Барсуков P.B., Цыганок C.H. Ультразвуковая установка для регенерации смазочно-охлаждающих жидкостей // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: материалы 4-ой

25. Всероссийской научно-практической конференции. Бийск: АлтГТУ, 2004.-С. 173-178.

26. Sollner К. Experiements to demonstrate vavitation caused by ultrasonic waves//Trans. Faraday Soc., 1936.- P.1537-1540.

27. Соловьева Л.П. Диспергирование металлов и жидкостей под влиянием ультразвукового поля // Коллоидный журнал. — 1939. — Т.5. — №4. — С. 289-291.

28. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М.: Химия, 1983. - 192 с.

29. Молчанов Г.И., Лубе В.М. Получение лекарственных форм ультразвуком в аптечных условиях // Материалы третьего Всероссийского съезда фармацевтов. М.: Наука, 1975. - С.136-137.

30. Брух М.М., Казарновский Л.С., Каравай Н.Я. Получение лекарственных препаратов из растительного сырья под действием ультразвука // Ультразвук в физиологии и медицине. М.: Наука, 1972. -Т.1. - С.115-116.

31. Литвинова Т.П., Шилов Г.Г., Севастьянов Б.А. Использование ультразвуковых колебаний для интенсификации процессов экстракции лекарственного животного сырья // Современные аспекты исследований в области фармации. Л.: Химия, 1977. - С.96-97.

32. Пономарев В.Д. Экстрагирование лекарственного сырья. М.: Медицина, 1976. - 160 с.

33. Аксельруд Г.А., Лысянский В.М. Экстрагирование (система твердое тело жидкость). - Л.: Химия, 1974. - 180 с.

34. Вайсман Г.А., Гуревич М.И., Сквирская Е.С. Применение ультразвука для получения настоек и экстрактов из растительного сырья // Аптечное дело. 1962. - №6. - С. 17-21.

35. Романков П.Г., Курочкина М.И. Экстрагирование из твердых материалов. Л.: Химия, 1983.-410 с.

36. Гончаренко Г.К. Экстракция лекарственных веществ израстительного сырья. М.: Наука, 1972. - 120 с.

37. Кортнев A.B. Термодинамические и статистические методы исследования ультразвуковой кавитации: Диссертация д-ра техн. наук: ГПС-528; -: Защищена 25.03.1969; Утв. 3.02.69; 04820016743. Одесса, 1969. -314 с .: ил - Библиогр.: с. 100 - 109.

38. Кардашов Г.А., Михайлов П.Е. Тепломассобменные акустические процессы и аппараты. М.: Машиностроение, 1973. — 223 с.

39. Багдасаров Х.С. Применения ультразвука для диспергирования // Кристаллография.-М.: Наука, 1958.-Т.З.-С. 110-111.

40. Кубанский П.Н. Коагулирующее действие акустических течений // ЖТФ. 1954. - №6. - С. 350 - 357.

41. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. -М.: Химия, 1986.-300 с.

42. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. М.: Энергия, 1974. - 260 с.

43. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н. Развитие ультразвуковых технологий, разработка исследование многофункциональных и специализированных ультразвуковых аппаратов // Ползуновский альманах. Барнаул: АлтГТУ. - 2000. - №3. - С. 193-200.

44. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н. Ультразвуковой интенсификатор пропитки // Материалы и технологии XXI века: тезисы докладов I Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. М.: ЦЭИ «Химмаш», 2000. - С.224-227.

45. Фридман В.М. Ультразвуковая химическая аппаратура. М.: Машиностроение, 1967.-300 с.

46. Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980. - 44 с.

47. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1959. - 331 с.

48. Казанцев В.Ф. Ультразвуковые преобразователи для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980. - 60 с.

49. Электронный фитомиксер (Многофункциональный ультразвуковой аппарат): Инструкция по эксплуатации. Бийск: Алтаймедприбор, 1995.-15 с.

50. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н. Ультразвуковая колебательная система // Материалы и технологии XX I века: тезисы докладов I Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. М.: ЦЭИ «Химмаш», 2000. - С.230-232.

51. ГОСТ 9865-76. Установки ультразвуковые. Ряд номинальных электрических мощностей. Введ. 1977-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 1976.-II, 5 с.

52. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н., Шалунов A.B. Аппарат для ультразвуковой липосакции // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях: межвузовский сборник. Бийск: АлтГТУ, 2002. - С. 196-202.

53. Физические основы ультразвуковой технологии: сборник работ. — М.: Изд-во АН СССР, 1969.-688с.

54. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. — 800 с.

55. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. — М.: Химия, 1987. — 467 с.

56. Баранов Д.А., Вязьмин А.В., Гухман А.А. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Логос, 2001. — Т.1. — 254с.

57. Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. Л.: Энергоиздат, 1982. - 276 с.

58. Ультразвуковые технологии и оборудование. «Александра-Плюс». - Режим доступа: http://www.alexplus.ru/.

59. Всероссийский Научно-исследовательский институт токов высокой частоты им. В.П. Вологдина (ВНИИ ТВЧ). Режим доступа: http://vniitvch.spb.ru//.

60. Разработка и выпуск УЗ оборудования. ООО «Ультразвуковая техника - ИНЛАБ». - Режим доступа: http://www.itinlab.ru/.

61. Ультразвуковое оборудование. ПКФ ООО «Сапфир». — Режим доступа: http://www.sapphire.ru/.

62. Ultrasound company. BANDELIN electronic GmbH & Co. - Режим доступа: http://www.bandelin.com/.

63. Ultrasound Technology. Hielscher Gmbh. - Режим доступа: https://www.hielscher.com/.

64. Active ULTRASONICS. Innovative & Unique Ultrasonic Solutions. -Режим доступа: http://activeultrasonics.com/.

65. Пьезокерамические преобразователи. Методы измерения и расчета параметров: Справочник / Под ред. С.И. Пугачева. JL: Судостроение, 1984.-226 с.

66. ГОСТ 12.1.002-84. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах. -М.: Изд-во стандартов, 1984. 10 с.

67. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Шутов В.В. Измеритель параметров ультразвуковых колебательных систем // Общие проблемы естественных и точных наук: региональный аспект: межвузовский сборник научных статей. Бийск: НИЦБиГПИ, 1998. - с.87-91.

68. Holtingk E. A., Neppiras E.A. Cavitation produced by ultrasonics. -Proc. Phys. Soc., 1051. 200 p.

69. Flynn H. G. Physics of acoustic cavitation in liquids // Физическая акустика. М.:Мир, 1967. - 400 с.

70. Воротникова М. И., Солоухин Р. И. Расчет пульсаций газовых пузырьков в несжимаемой жидкости под действием периодически изменяющегося давления // Акустический журнал. — 1964. №10. - С.34-36.

71. Minnaret М. On musical air-bubbles and the sounds of running water // Philos.Mag.- 1933.-V.16.- p.235-240.

72. Гутин Л.Я. Пьезокерамические излучатели и приемники // ЖТФ. —1945. №5. - с.17-21.

73. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979. — 250 с.

74. Физические величины. Справочник /Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

75. Келлер O.K., Кротыш Г.С., Лубяницкий Г.Д. Ультразвуковаяочистка. JI.: Машиностроение, 1977. - 325 с.

76. Семенкин С. А. Ультразвуковая очистка // Сборник статей центрального института научно-технической информации электротехнической промышленности и приборостроения. М.: ЦИНТИЭЛЕКТРОПРОМ, 1964. - с.230-233.