автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности ультразвукового кавитационного воздействия на химико-технологические процессы в гетерогенных системах с несущей высоковязкой или неньютоновской жидкой фазой

На правах рукописи

Голых Роман Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО

КАВИТАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ С НЕСУЩЕЙ ВЫСОКОВЯЗКОЙ ИЛИ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОЙ ФАЗОЙ

Специальность 05.17.08 — Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 да 2014

005550771

Бийск —2014

005550771

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель

Шалунов Андрей Викторович, доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Загидуллин Сафар Хабибуллович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и аппараты производственных процессов» Пермского национального исследовательского политехнического университета

Савин Игорь Игоревич, кандидат технических наук, заместитель генерального директора по НИОКР и качеству ЗАО «НЛП Аптик»

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН (ИПХЭТ СО РАН)

Защита диссертации состоится «25» сентября 2014 года в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», по адресу: 659305, Алтайский край, Бийск, ул. Трофимова, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.bti.secna.ru Бийского технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан «18» июля 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета, }

доктор технических наук, доцент - ''УШалунов А В

2 V ' "

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из перспективных подходов к решению различных технологических задач современных химических производств является ультразвуковое (УЗ) кавитационное воздействие на гетерогенные системы с жидкой фазой. Высокая эффективность и перспективность УЗ воздействия доказана многочисленными исследованиями для широкого спектра технологических сред (вода, органические растворители, масла, нефти, наполненные полимерные наноструктурированные материалы, лакокрасочные композиции, смолы и т. д.), которые в ряде случаев могут содержать твёрдую или жидкую дисперсную фазу микронного (1...100 мкм) или субмикронного (0.01...1 мкм) размера (эмульсии, суспензии). Уникальность и эффективность УЗ воздействия обусловлена формированием кавитационных парогазовых пузырьков, накапливающих энергию при их расширении в один полупериод УЗ колебаний и образующих ударные волны и кумулятивные струи при сжатии в другой полупериод. Ударные волны вызывают изменение структуры и свойств технологических сред, позволяют увеличивать межфазную поверхность взаимодействия, реали-зовывать процессы растворения, экстрагирования, эмульгирования и т. д. К сожалению, на сегодняшний день в промышленных масштабах успешно реализована только УЗ обработка маловязких сред (с вязкостью не более 30 мПа-с).

Очевидно, что ультразвуковая кавитационная обработка технологических сред (масла, нефти, полимеры и др.) большей вязкости (до 2 Па-с), и вязкость которых зависит от скорости сдвига (неньютоновских жидкостей), имеет для химической промышленности не меньшую значимость. Однако УЗ кавитационная обработка таких сред практически не применяется из-за:

- малого размера кавитационной зоны и её сосредоточенности вблизи излучающей поверхности;

- необходимости в высоких интенсивностях УЗ воздействия для формирования и поддержания кавитационного процесса;

- неоднородности распределения энергии кавитационного воздействия.

По этим причинам не обеспечивается достаточная для промышленного

использования производительность процессов, основанных на кавитационной обработке высоковязких сред. Кроме того, даже интенсивности УЗ излучения, близкие к пределу теоретической прочности волноводов-излучателей, не позволяют создавать кавитацию. А разработанные на сегодняшний день многозонные рабочие инструменты с развитой поверхностью излучения не обеспечивают решения проблемы сосредоточенности кавитационной зоны вблизи излучающей поверхности.

Таким образом, задача повышения эффективности химико-технологических процессов за счёт комплексной оптимизации режимов и условий распространения колебаний (геометрии технологического объёма) для реализации УЗ кавитационной обработки гетерогенных систем с высоковязкими и неньютоновских жидкими фазами в промышленных масштабах является актуальной.

Результаты диссертационной работы получены при проведении работ по Гранту РФФИ в рамках конкурса инициативных научных проектов, выполняе-

3

мых молодыми учёными, № 14-08-31716 «Исследование процесса формирования и развития кавитационной области вблизи границы раздела фаз для выявления эффективных режимов воздействия на различные среды» (руководитель); государственному контракту № 14.В37.21.1173 «Исследование кавитаци-онного процесса в неньютоновских жидкостях и создание аппаратов для обеспечения условий и режимов высокоинтенсивного ультразвукового воздействия на вязкие и дисперсные жидкие среды с целью получения новых материалов» (исполнитель)-, Гранту Президента для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук: МК-957.2014.8 «Разработка научно-технических основ повышения эффективности разрушения газодисперсных систем природного и техногенного происхождения ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности» (соисполнитель).

Цель работы: повышение эффективности процессов химических технологий, реализуемых в гетерогенных средах с высоковязкими или неньютоновскими жидкими фазами, за счет теоретического и экспериментального выявления режимов и условий УЗ воздействия, обеспечивающих увеличение объёма формируемой кавитационной области.

Задачи исследований:

1. Выявить причины, ограничивающие эффективность процессов химических технологий в гетерогенных средах с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами при их интенсификации УЗ колебаниями.

2. Разработать феноменологическую модель формирования кавитационной области в гетерогенной среде с неньютоновской жидкой фазой, основанную на комплексном рассмотрении кавитационной области с учётом эффектов и явлений, происходящих внутри самой области и позволяющую определять форму и размеры кавитационных зон в жидкой среде при различных режимах развития кавитации.

3. Установить значения интенсивности УЗ воздействия, обеспечивающие создание кавитационной области с увеличенной удельной мощностью ударных волн, образуемых при охлопывании кавитационных пузырьков.

4. Определить размеры и форму технологических объёмов, обеспечивающие увеличение объёма формируемой кавитационной области при ультразвуковой обработке гетерогенных сред с жидкой фазой.

5. Экспериментально исследовать условия и режимы формирования кавитационной области для подтверждения полученных теоретических результатов.

6. Предложить и разработать конструкции УЗ технологических аппаратов со специализированными технологическими объёмами, обеспечивающими реализацию выявленных оптимальных условий и режимов воздействия.

Научная новизна:

1. Получены уравнения динамики кавитационного пузырька, учитывающие зависимость вязкости жидкости от скорости сдвига и позволяющие определять мгновенный радиус пузырька в зависимости от времени для псевдопластических, дилатантных и линейно-вязких жидкостей.

2. Впервые разработана феноменологическая модель', позволяющая описать процесс формирования в ультразвуковом поле кавитационной области с

учётом эффектов и явлений, происходящих внутри самой области (коалесцен-ция и дробление пузырьков, влияние степени развитости кавитации на акустические свойства пузырьковой среды и распространение УЗ колебаний в ней).

3. Впервые теоретически определены форма и распределение кавитацион-ной области в обрабатываемом объёме с учётом характера распространения УЗ колебаний в технологическом объёме обрабатываемой среды.

Теоретическая значимость:

1. Установлены пороговые значения интенсивностей УЗ колебаний, необходимые для возникновения кавитации в гетерогенных системой с несущей неньютоновской жидкой фазой.

2. Установлены режимы (интенсивности) и условия (геометрические параметры технологических объёмов) УЗ воздействия, обеспечивающие захлопывание кавитационного пузырька с максимальной энергией, запасаемой при его расширении.

3. Выявлены геометрические характеристики обрабатываемой области жидкости с отражающими границами, обеспечивающие формирование максимальной по объёму кавитационной зоны.

Практическая значимость:

1. Установлены требования к мощностным режимам работы оборудования для УЗ кавитационного воздействия на различные гетерогенные системы с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами.

2. Предложены и разработаны конструкции специализированных проточных технологических объёмов с кольцевыми пластинчатыми отражателями, которые повышают эффективность процессов за счёт 3-кратного увеличения объёма формируемой кавитационной области при равномерном энергетическом воздействии УЗ колебаниями во всей области обработки.

3. Предложены и реализованы на практике конструкции проточных УЗ технологических аппаратов, обеспечивающих улучшение показателей качества конечного продукта для широкого спектра технологических процессов, по сравнению с существующим УЗ оборудованием.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются кави-тационные явления, протекающие в гетерогенных системах с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами при реализации под действием УЗ колебаний процессов химических технологий.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы базировались на построении математических моделей, допускающих аналитические и численные решения. При экспериментальном исследовании применялись методы оценки эрозионной активности кавитационной области по разрушению тестовых образцов, дополненные измерениями вводимой в среду акустической энергии.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических исследований процесса формирования и эволюции кавитационной области в технологических объёмах, обеспечившие выбор режимов УЗ воздействия и геометрических размеров объёмов и позволившие обеспечить повышение эффективности обработки за счёт 1,5...3-кратного

увеличения объёма формируемой кавитационной области.

2. Зависимости оптимальных режимов УЗ воздействия и геометрических параметров технологического объёма от величин, характеризующих зависимость вязкости гетерогенной среды с несущей неньютоновской жидкой фазой от скорости сдвига.

3. Результаты экспериментальных исследований, подтвердившие оптимальность теоретически выявленных режимов ультразвукового воздействия и геометрических параметров технологических объёмов и показавшие эффективность УЗ кавитационной обработки высоковязких жидких сред.

4. Предложенные конструктивные схемы технологических объёмов, обеспечивающих формирование максимальных по размерам кавитационных зон.

Личный вклад автора состоит в выявлении причин низкой эффективности УЗ кавитационной обработки гетерогенных систем с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами; разработке математической модели возникновения и эволюции кавитационной области в вязкой неньютоновской жидкости, позволяющей выявлять оптимальные режимы и условия УЗ воздействия; проведении экспериментальных исследований условий и режимов формирования кавитационной области; разработке вариантов конструкций технологических объёмов, обеспечивающих увеличение размеров кавитационных зон для повышения эффективности обработки; подготовке публикаций по выполненной работе.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается строгостью математических выкладок, использованных при построении теоретических моделей, соответствием теоретических расчётов результатам экспериментальных работ, а также успешной практической реализацией разработанных методик и подходов к повышению эффективности химико-технологических процессов под воздействием УЗ колебаний в гетерогенных системах с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались: на Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН) 2011 г.; на конференциях EDM (Novosibirsk, 20112013 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2010-2014 гг.); VII-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2014 г.).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 21 печатной работе, в том числе 4 статьях в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка литературы из 120 наименований и содержит 193 страницы машинописного текста. '

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая значимость, излагается краткое содержание работы.

Первый раздел посвящен анализу причин, ограничивающих эффективность процессов химических технологий, основанных на высокоинтенсивном УЗ воздействии в гетерогенных системах с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами при использовании существующего УЗ технологического оборудования.

В первой части раздела показывается, что согласно анализу работ российских (Шебанов С.М., Толочко Н.К., Гуняев Г.М., Магсумова А.Ф., Хмелёв В.Н., Розенберг Л.Д. и др.) и зарубежных (Suslick K.S., HielscherT. (Германия),' Huang Y.D. (Республика Корея), Gedanken А. (Государство Израиль) и др.) исследователей УЗ кавитационное воздействие позволяет осуществлять множество практически важных физико-химических процессов в широком спектре жидких сред, вязкость которых находится в диапазоне от 1 до 3000 мПа-с и может зависеть от скорости сдвига.

Примерами могут служить как процессы в водных средах и органических растворителях (растворение, экстрагирование и т. д.) с малыми значениями вязкости (до 30 мПа-с), так и в средах, несущими фазами которых являются эпоксидные смолы, лакокрасочные материалы, нефтепродукты (снижение вязкости, диспергирование наноразмерных наполнителей в смолах и лакокрасочных материалах, разрушение С-С связей в молекулах нефтепродуктов, эмульгирование при производстве пищевых продуктов и т. д.). Вязкость таких сред может достигать 2 Пас.

Во второй части раздела показывается, что большинство современного УЗ оборудования позволяет реализовать (в промышленных масштабах) химико-технологические процессы лишь в средах с вязкостью до 30 мПа-с. Процессы в значительно более вязких средах (свыше 30 мПа-с) существующее УЗ оборудование позволяет осуществить только в лабораторных условиях в малых объёмах (не более 150 мл). Причины этого заключаются в следующем:

1. Ограничения по интенсивности (не более 10 Вт/см2), поверхности излучения (не более 15 см2) и т.д., присущие даже самым лучшим образцам современных ультразвуковых технологических аппаратов.

2. Существенная ограниченность активной обрабатываемой кавитацион-ной зоны (распространение на расстояние, как правило, не более 5 см от излучающей поверхности), обусловленная дифракционным расхождением и поглощением УЗ колебаний в кавитирующей среде, а также высоким пороговыми интенсивностями УЗ воздействия, требуемыми для возникновения кавитацион-ных пузырьков.

Попытки устранения указанных проблем, направленные на увеличение интенсивности ультразвукового излучения вплоть до достижения теоретического предела прочности волноводов-излучателей не дают требуемого результата, поскольку вся энергия кавитационного воздействия оказывается сосредоточенной вблизи излучающей поверхности.

Более перспективный подход, предложенный в диссертационной работе Хмелёва С.С., основан на создании ультразвуковых колебательных систем с увеличенной поверхностью излучения. Это позволило обрабатывать в промышленных масштабах жидко-дисперсные гетерогенные среды вязкостью до 200 мПа-с, однако из-за ограниченности кавитационной зоны, вызванной значительным затуханием энергии УЗ колебаний в кавитирующих вязких средах, возможность обработки высоковязких и неньютоновских сред (с вязкостью до 2 Па-с) не обеспечивается.

Поэтому решение задачи создания ультразвуковых технологических аппаратов, обеспечивающих формирование кавитационной области максимального суммарного объёма в высоковязких и неньютоновских средах возможно только за счет комплексной оптимизации режимов (по интенсивности вводимых УЗ колебаний) ультразвукового воздействия и условий распространения колебаний (форма технологического объёма, создающая резонансное усиление УЗ колебаний), которые обеспечат равномерность распределения энергии активного воздействия в неньютоновских средах.

Поскольку согласно обобщению известных результатов теоретических и экспериментальных исследований максимальная эффективность кавитации обеспечивается на частоте 20...25 кГц, в диссертационной работе основное внимание уделено оптимизации интенсивности и условий распространения ультразвуковых колебаний в данном частотном диапазоне.

Для установления оптимальных режимов и условий УЗ воздействия предлагается построение феноменологической модели, рассматривающей кавитаци-онную область как единое целое, но при этом учитывающей все основные эффекты и явления, происходящие внутри самой области.

Во втором разделе представлена разработанная феноменологическая модель формирования и эволюции кавитационной области под воздействием ультразвуковых колебаний, создаваемых с помощью твёрдотельного излучателя. В модели выделены три уровня детализации:

1. Нижний уровень включает анализ динамики одиночного пузырька в зависимости от свойств несущей жидкой фазы для выявления зависимости радиуса кавитационного пузырька Я = /(/,/,л) от времени г, интенсивности УЗ колебаний I и реологических свойств жидкости Л.

Реологические свойства жидкости характеризуются тремя параметрами: начальной вязкостью Цо (Па-с), показателями консистенции К (Па с ) и нелинейности N. При этом в зависимости от реологических свойств жидкости подразделяются на линейно-вязкие (вязкость не зависит от скорости сдвига), псевдопластические (вязкость уменьшается с ростом скорости сдвига) и дилатант-ные (вязкость увеличивается с ростом скорости сдвига). Полученные далее результаты приведены для всех трех типов жидкостей.

2. Средний уровень включает анализ совокупности кавитационных пузырьков в области с характерными размерами Ь, много меньшими длины УЗ волны X, но много большими радиуса кавитационного пузырька Я (к»Ь»Я).

В рамках среднего уровня модели осуществляется определение удельной мощности ударных волн в единице объёма кавитационной области, волнового

сопротивления жидкости и коэффициента поглощения. Установленное максимальное значение суммарной мощности создаваемых ударных волн будет служить мерой эффективности кавитационного воздействия.

3. Верхний уровень. На верхнем уровне рассмотрения модели проводится масштабирование полученных результатов на весь обрабатываемый объем гетерогенной среды. Это позволяет определить объем и форму кавитационной области, установить интенсивность УЗ воздействия и определить размеры и форму технологического объема (для заданной геометрии УЗ излучателя), обеспечивающие формирование кавитационной области наибольшего объёма.

Далее во втором разделе рассматриваются подробно нижний и средний уровни детализации модели.

На нижнем уровне детализации модели искомая функциональная зависимость радиуса кавитационного пузырька от времени определялась на основании полученного уравнения динамики одиночного пузырька для стадии расширения (1) и известного уравнения Кирквуда-Бете для стадии схлопывания:

3 (ЭдУ 4ц,

(I)'

Э/ , | р„-р, + 72^/5^2^/)4-^(1)

где Я - мгновенный радиус кавитационного пузырька, м; р0 -плотность несущей жидкой фазы, кг/м3; /?0 - радиус кавитационного зародыша, м; у - показатель адиабаты в газовой среде; о - поверхностное натяжение несущей жидкой фазы, Н/м; р - плотность кавитирующей гетерогенной среды, кг/м3; с - скорость звука в кавитирующей среде, м/с; / -интенсивность УЗ колебаний в окрестности кавитационного пузырька, Вт/м2; р0 - статическое давление в обрабатываемой среде, Па;/- частота УЗ колебаний, Гц; функция, характеризующая нелинейно-вязкие свойства жидкой фазы, окружающей кавитационный пузырёк, кг/(м-с2).

В зависимости от класса жидкой фазы (по реологическим свойствам) слагаемое определяется следующим образом:

Р=о — для линейно-вязких-,

(Ш

М»'

м

]

- для псевдопластических;

«(,+1)

И + \ 81

—- для дилатантных.

л

Нижний уровень детализации модели позволил выявить допустимый диапазон интенсивностей, в котором необходимо осуществлять УЗ воздействие, в зависимости от начальной вязкости, показателя консистенции К и нелинейности N жидкой фазы. В этом диапазоне интенсивностей реализуется схлопыва-ние пузырьков. О наличии схлопывания свидетельствует факт движения стенок пузырька со скоростью, большей скорости звука в сплошной жидкости. При

этом происходит образование ударных волн без вырождения пузырьков в дол-гоживущие, совершающие радиальные колебания в окрестности среднего радиуса. Образование долгоживущих пузырьков наблюдается при интенсивности, превышающей максимум выявленного допустимого диапазона.

Согласно проведённым в диссертационной работе расчётам, ширина диапазона допустимых интенсивностей воздействия может превышать 100 Вт/см2. Однако при граничных интенсивностях диапазона мощность ударных волн, создаваемых совокупностью пузырьков, оказывается близкой к нулю (схлопы-вание пузырьков не происходит), и, следовательно, эффективность обработки будет ничтожной.

Очевидно, что в данном диапазоне существует более узкий диапазон оптимальных интенсивностей, при которых эффективность кавитации будет максимальна. Чтобы выявить этот диапазон, необходимо исследование формирования ансамбля кавитационных пузырьков, которое осуществляется в рамках среднего уровня детализации модели. На основании анализа среднего уровня модели были выявлены зависимости коэффициента поглощения УЗ колебаний в обрабатываемой среде от интенсивности УЗ воздействия и реологических свойств жидкости. Коэффициент поглощения, определяемый согласно выражению (2) — важнейшая характеристика формируемой кавитационной области, поскольку он пропорционален суммарной мощности ударных волн кавитационных пузырьков и служит мерой эффективности кавитационного воздействия.

к. -

1 Росо

, и2.-1 = '—^-, р, 2рс

\Р\ \е

-д1

(2)

где I - интенсивность УЗ колебаний, Вт/м ; р -плотность кавитирующей среды, кг/м3; с - скорость звука в кавитирующей среде, м/с; ср — фазовый сдвиг звукового давления р,, рад; I - время, с; р0 - плотность жидкой фазы, кг/м3; с0 - скорость звука в жидкой фазе, м/с; со — круговая частота УЗ колебаний, с"1; 5(0 - мгновенное значение объёмного содержания пузырьков в жидкости.

Зависимости коэффициента поглощения от интенсивности воздействия для гетерогенных сред с различными реологическими свойствами несущих жидких фаз приведены на рисунке 1.

1.4

и ? 1=8 1 5 £ 0 8 I- 5 0,6

|| 0.4

й 5 0.2 % о

4......1 1—| '—]

1 Л"^

I V 1/ л

р-г-Н

б 1.4

5 Л 1

1&0.6 I Iм

А 5 од ■ о

\

¿-¿¿•с! — • -

0 15 }0 45 60 75 Интенсивность, Вт ом'

-0мПа-с -----бООмПа-с

-200мПа-с-- 800мПа-с

•400мПа'С----1000мПа-с

О 1.5 30 45 60 75 Интенсивность, Вт;см:

-К-ЗПа-с^1 -К-МПя-с-44

.....К=3 Па-е**1----К=; Пя-с*4

• • - К—1

и 0 15 50 45 60 75 Интенсивность, Вг/см-

-К=0,4 Па-с**1 -КЮ.ЭПас-^1

• К=0,2 Па-с1^1----К=0,1 Па-с^1

а) б) в)

Рисунок 1 - Зависимости коэффициента поглощения от реологических свойств несущих жидких фаз: линейно-вязких (а); псевдопластических (И = -0,1) (б); дилатантных (#=0,1) (в) 10

Максимальная интенсивность

Зависимость коэффициента поглощения от интенсивности воздействия имеет экстремальный характер, и положение максимума определяет оптимальную интенсивность УЗ воздействия, поскольку в данном случае достигается

максимальная степень трансформации энергии первичной УЗ волны в энергию ударных волн, создаваемых кави-тационными пузырьками.

Зависимости оптимальной интенсивности УЗ воздействия и граничных интенсивностей (при которых происходит схлопывание пузырьков) от вязкости для линейно-вязких жидких фаз приведены на рисунке 2.

Следует отметить, что в случае неньютоновских жидких фаз зависимость оптимальной интенсивности от

400 600 Вязкость, мШ-с

Рисунок 2 - Зависимости оптимальной и граничных интенсивностей воздействия от вязкости для сред с линейно-

<Мласт> долгыш»)«ца

вязкими жидкими фазами

реологических свойств представляет собой некоторый диапазон (рисунок 3). Это обусловлено изменением реологических свойств жидких фаз в процессе обработки за счёт релаксации вязкости.

Как следует из рисунка 3, в процессе воздействия оптимальная интенсивность снижается на 5...20 Вт/см2 для псевдопластических жидких фаз, в то время как для дилатантных — возрастает на 5...15 Вт/см2. Это обуславливает необходимость подстройки выходной мощности УЗ аппарата в процессе обработки сред. Значения оптимальных интенсивностей для сред с различными жидкими фазами, используемыми на практике, сведены в таблицу 1.

Таблица 1 — Значения оптимальных интенсивностей (ОИ) воздействия для

Рисунок 3 - Зависимости оптимальной и граничных интенсивностей воздействия от реологических свойств неньютоновских

жидкостей: псевдопластических (/V = —0,1) (а) и дилатантных (N=0,1) (б)

Наименование жидкости Но, Па-с К, Пах™ N ОИ, Вт/см2

Вода 8,2-10"4 0 0 1,7

Моторное масло ПМС-400 410"' 0 0 19,3

Глицерин 6-10"' 0 0 34,4

Эпоксидная смола ЭД-5 3-Ю"1 5 -0,15 19,9... 24,8

Водоугольная суспензия (массовая конц. 20 %) 1-Ю"1 од ОД 13,7... 18,7

Представленные результаты могут быть в непосредственном виде использованы для определения интенсивности УЗ колебаний, необходимой для воз-

действия на объём обрабатываемой среды при реологических свойствах жидкой фазы, чтобы обеспечить наибольшую энергию кавитационных ударных волн. Эти результаты служат основой для анализа формирования кавитационных зон в технологических камерах и выявления оптимальных условий воздействия, представленного в следующем разделе диссертационной работы.

Третий раздел посвящен выявлению оптимальных условий ультразвукового воздействия с целью максимизации объёма формируемой кавитационной области. Выявление оптимальных условий УЗ воздействия осуществляется в рамках анализа верхнего уровня детализации феноменологической модели формирования кавитационной области, который основывается на волновом уравнении для интенсивности УЗ колебаний в кавитирующей среде:

= (3)

где /- интенсивность УЗ колебаний, Вт/м2; ср - фазовый сдвиг колебаний звукового давления в среде; со - круговая частота первичного УЗ поля, с4; с0 - скорость звука в сплошной жидкости, м/с; р0 - плотность жидкой фазы, кг/м3; р - плотность кавитирующей среды, кг/м3; с - скорость звука в кавитирующей среде, м/с; 6, -комплексная амплитуда изменения объёмного содержания кавитационных пузырьков относительно среднего значения.

Распределение интенсивности УЗ колебаний, найденное на основании уравнения (3) при заданной геометрии УЗ излучателя и технологического объёма, позволяет однозначно установить распределение кавитационных зон, соответствующих следующим режимам:

1) режиму отсутствия кавитации, в котором схлопывание пузырьков не происходит и интенсивность УЗ воздействия меньше порогового значения /ь определяемого на основании анализа нижнего уровня модели (см. рисунки 2,3);

2)режиму зарождающейся кавитации (!л < / < /2), в котором схлопывание пузырьков происходит с малыми амплитудами давления ударных волн (менее 20-10 Па), и ускорение физико-химических процессов в средах под воздействием УЗ является ничтожно малым;

3)режиму развитой кавитации (12 < I < /3), в котором схлопывание пузырьков происходит с максимальными амплитудами давления ударных волн (20-105... 80-105 Па); при этом физико-химические процессы в средах с жидкой фазой, интенсифицируемые под воздействием УЗ колебаний, протекают наиболее эффективно; в качестве критерия режима развитой кавитации (определяющего границы диапазона интенсивностей /2 и /3) в работе принято наличие разрушения алюминиевой фольги толщиной 9 мкм под воздействием кавитации;

4) режиму вырождающейся кавитации (/3 < / < Д), в котором интенсивность схлопывания пузырьков существенно снижена по сравнению с режимом развитой кавитации, и пузырьки, как правило, совершают радиальные колебания без схлопывания в течение 2-х периодов первичной УЗ волны и более с момента начального расширения;

5)режиму вырожденной кавитации (/ > Д, где Д определяется из зависимостей, приведённых на рисунках 2, 3), в котором схлопывание пузырьков от-

сутствует, и они совершают радиальные колебания в окрестности среднего радиуса.

На рисунках 4а-в приведены формы и положения кавитационных зон в плоскости симметрии УЗ излучателя, соответствующие пяти выше обозначенным режимам развития кавитации, для различных интенсивностей УЗ воздействия в неограниченном объёме без отражателей. Вязкость модельной жидкости - 100 мПа-с, модельный УЗ излучатель - поршневого типа (диаметр рабочего инструмента - 40 мм). Как следует из представленных рисунков 4а-в, с ростом интенсивности воздействия происходит увеличение протяжённости

зарождающаяся кавитация

УЗ излучатель

зоны развитой кавитации вдоль акустиче-

б) 16,25 Вт/см2

г, 10"2м

в) 25 Вт/см2

г, 10"2м

г) 5 Вт/см2

д) 16,25 Вт/см2

щаяся кавита- Деннаяка- ской оси излучателя

Однако, начиная с 16,25 Вт/см2 для модельной жидкости возрастания зоны развитой кавитации не происходит. Поэтому необходимо создавать условия для оптимального распределения УЗ давления, например, путем создания рабочих объёмов с отражающими поверхностями (рисунки 4г-д). Как следует из рисунков 4г-д, зона развитой кавитации, при наличии отражающей стенки, увеличивается в объёме до 1,4 раз за

счёт сложения падающей и отражённой волны.

Очевидно, что существует оптимальное расстояние, при котором объём зоны развитой кавитации будет максимальным. Наличие оптимального расстояния объясняется тем, что при малых расстояниях между излучателем и отражающей стенкой становится незначительным и полный объём обрабатываемой жидкости, а при больших расстояниях зона развитой кавитации оказывается сосредоточенной вблизи излучающей поверхности (рисунки 4а-в). Сосредоточенность зоны развитой кавитации вблизи излучающей поверхности обусловлена высоким коэффициентом поглощения УЗ волн в кавитирующей среде с жидкой фазой, превышающим 20 дБ/м. На рисунке 5 приведены зависимости оптимального расстояния от реологических свойств жидкой фазы.

Однако весь полезней обрабатываемый объём (в котором присутствует развитая кавитация) заключен между излучателем и отражающей поверхностью

а) 5 Вт/ом2

Рисунок 4 - Распределение кавитационых зон в жидкости с вязкостью 100 мПа с для различных интенсивностей УЗ воздействия, создаваемых вблизи

излучающей поверхности (г - расстояние от акустической оси излучателя, г - протяжённость кавитационной зоны)

и не превышает 0,08 л в случае классического поршневого излучателя. Такое значение объёма свидетельствует о недостаточной эффективности поршневых рабочих инструментов для промышленного использования.

130 ' 120 : но

0 250 500 750 1000 Начальная вязкость. мПа-с

0,1 0,2 0,3 0,4

Показатель консистенции, Пас*"1

\ * •

—N = -0,2 ••N= -0,15 —N = -0.1

12 3 4 5 Показатель консистенции,йа'С-4*

а) б) в)

Рисунок 5 - Зависимость оптимального расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей от показателей, характеризующих реологические свойства несущих жидких фаз: а) - линейно-вязкие; б) - дилатантные; в) - псевдопластические Поэтому для дальнейшего увеличения суммарного объёма зоны развитой кавитации необходимы многозонные излучатели с развитой поверхностью излучения (рисунок 6), разработанные в Бийском технологическом институте, которые представляют собой несколько последовательно соединённых цилиндрических волноводов ступенчато-переменного сечения.

Проведённый анализ полученных в диссертационной работе распределений кавитационных зон показал, что использование многозонного излучателя (длиной 400 мм и диаметрами участков волноводов 70/45 мм) в цилиндрической камере (диаметром 208 мм) без внутренних отражателей позволяет достичь объёма зон развитой кавитации 3,92 л для модельной среды с неньютоновской жидкой фазой (показатель консистенции - 0,2 Па с^, нелинейности -0,15), в то время как при использовании рабочих инструментов поршневого типа этот объём не превышает 0,08 л. Диаметр камеры выбирался исходя из полученных зависимостей оптимального расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей (см. рисунок 5). Однако степень однородности уз обработки в цилиндрической камере без внутренних отражателей является

крайне низкой для промышленного использования (доля объёма зон развитой кавитации не превышает 35 % от полного объёма 12,61 л).

Дальнейший анализ распределений кавитационных зон в технологических камерах различной геометрии позволил установить, что наиболее эффективной является конструкция с кольцевыми пластинчатыми отражателями (рисунок 6), содержащими отверстия малого диаметра (3...6 мм) по сравнению с длиной УЗ волны в кавитирующей жидкости. В такой конструкции объём зоны развитой кавитации увеличивается до 5,8 л (46 % от полного объёма) при оптимизации геометрических параметров пластинчатых отражателей методом градиентного спуска. Необходимо отметить, что при такой конструкции объём зоны развитой кавитации 2-3-кратно пре-

Рисунок 6 - Распределения кавитационных зон в продольном сечении технологической камеры с кольцевыми пластинчатыми отражателями

Рисунок 7 — Эскиз многокаскадной конструкции проточного реактора с кольцевыми отражателями

вышает объём, достигаемый в простом цилиндре произвольного (неоптимального) диаметра.

С целью снижения гидравлического сопротивления проточного реактора (рисунок 6) с отражающими пластинами на порядок (с 2... 10 кПа до 50...200 Па) и уменьшения дисперсии времени пребывания, обусловленной возможным образованием зон застоя для высоковязких сред, предложена модификация данной конструкции (рисунок 7), в которой реализуется проток гетерогенной среды с жидкой фазой перпендикулярно оси симметрии излучателя.

Таким образом, предложенная модель формирования кавитационной области позволила исследовать влияние условий распространения и отражения УЗ колебаний на совокупный объём, занимаемый зоной наиболее эффективного кавитационного воздействия, и разработать конструкции технологических камер, обеспечивающих повышение эффективности УЗ обработки. Дальнейшие исследования направлены на экспериментальное подтверждение полученных результатов.

В четвёртом разделе приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность установления оптимальных режимов и условий УЗ воздействия, обеспечивающих максимальную эффективность технологических процессов в гетерогенных средах с жидкой фазой.

На первом этапе экспериментальных исследований выявлялась зависимость объёма зоны развитой кавитации от интенсивности УЗ воздействия путём определения размеров области кавитационной эрозии металлической фольги, погружённой в жидкость, находящуюся под воздействием УЗ колебаний. Обрабатываемая жидкость - масло, УЗ излучатель - пьезоэлектрический поршневого типа с диаметром рабочего инструмента 40 мм, время воздействия - 2 мин.

Фотографии зон кавитационной эрозии фольги при различных интенсив-ностях воздействия представлены на рисунках 8а-в.

а) 3,75 Вт/см2 б)10Вт/см^ в) 15 Вт/см2 г) 50 мм д)90мм е) 130 мм (0,0984%) (6,38-%) (6,6864%) (6,7148%) (8,088%) (6,2172%) Рисунок 8 - Распределения зон развитой кавитации при различных интенсивностях УЗ воздействия (а-в) и расстояниях между излучателем и отражающей границей (г-е) (в скобках указаны полученные значения доли объёмов зон развитой кавитации)

Представленные фото подтверждают теоретически установленную ограниченность формируемой зоны развитой кавитации (не более 6,7 % от полного объёма обрабатываемой жидкости) даже при многократном повышении интен-

сивности по сравнению с пороговой, необходимой для образования зоны развитой кавитации.

Поэтому на следующем этапе исследований производилось подтверждение возможности увеличения объёма зоны развитой кавитации за счет применения отражающих границ. Фотографии распределений зон кавитационной эрозии фольги (зон развитой кавитации) для различных расстояний между излучающей поверхностью и отражающей границей приведены на рисунках 8г -е (интенсивность воздействия 7,5 Вт/см2).

Полученные экспериментальные зависимости доли объёма обрабатываемой жидкости, занимаемой зоной развитой кавитации, от расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей для различных сред (по вязкости жидких фаз) приведены на рисунке 9.

£* 5

120 160 200 Расстояние между излучателем и отражающей поверхностью, мм

а)

|| -Ю 60 80 100 120 1« 160 180 200 « Расстояние между излучателем к (лрмаю шей 2. поверхностно, мм

¿Г\ покрягасшо.мм \

о) В)

Рисунок 9 - Зависимости доли объёма, занимаемого зоной развитой кавитации, от расстояния между излучателем и отражающей границей для гетерогенных

сред с различными жидкими фазами: а) - вода (интенсивность 3 Вт/см2); б) подсолнечное масло - (7,5 Вт/см2); в) - эпоксидная смола ЭД-5 (25 Вт/см2)

Экспериментальные значения максимально достигаемой доли объёма, занимаемого зоной развитой кавитации, и оптимальных расстояний между излучателем и отражающей поверхностью для различных по реологическим свойствам несущих жидких фаз сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Экспериментальные значения долей объёмов зоны развитой кавитации и оптимальных расстояний между излучателем и отражающей

Наименование несущей жидкой фазы Экспериментальные значения доли объёма жидкости, занимаемого зоной развитой кавитации, % Значения оптимальных расстояний между излучающей поверхностью и отражающей границей

При оптимальном расстоянии между излучателем и отражателем Без отражателя Теоретические, Ьт, 10~3 м Экспериментальные, Le, Ю"3 м Относительная погрешность, \Lr-L¿-miLE,%

Вода 12,51514 11,44543 123 120 2,5

Подсолнечное масло 8,08803 5,254 102 90 13,3

Эпоксидная смола ЭД-5 6,442366 3,190952 71 60 18,3

— х ----------------^хи I а дод

ждают возможность увеличения доли объёма зоны развитой кавитации до 1,5 раз (например, для эпоксидной смолы ЭД-5 с начальной вязкостью не менее 0,8 Па-с) путём оптимизации расстояния между излучателем и отражающей границей Лри неизменной интенсивности воздействия. Такйм образом, экспериментально подтверждается, что установка отражающей границы увели-

чивает степень однородности УЗ обработки. Погрешность между теоретическими и экспериментальными значениями оптимального расстояния не превышает 15%, что свидетельствует об адекватности предложенной модели.

Полученные теоретические результаты, подтверждённые экспериментально, позволили создать УЗ технологические аппараты с проточными объёмами, содержащими кольцевые отражатели (рисунок 10).

Далее было произведено определение КПД УЗ навигационного воздействия, создаваемого данными аппаратами, с помощью калориметрического метода. КПД определялся как отношение количества теплоты, переданного жидкости, в результате УЗ воздействия к потреблённой электрической энергии. Было установлено, что использование разработанных технологических объёмов с кольцевыми отражателями обеспечивает повышение КПД с 28 до 37 % для сред с жидкими фазами, обладающими вязкостью свыше 500 мПа-с (рисунок 10в).

-Объём с отражателями

-Объем без отражателей

а) УЗ электронные генераторы с многозонными излучателями

О 200 400 600 воо Начяльнаявшкосгь. КИПа-с

б) разработанный технологический объём с отражателями

в) зависимости КПД УЗ аппарата мощностью 8 кВт от вязкости жидкости при использовании различных технологических объёмов

Рисунок 10 - Разработанное УЗ технологическое оборудование для навигационной обработки сред с высоковязкими и неньютоновскими

жидкими фазами

В заключительной части четвёртого раздела приведены результаты исследований функциональных возможностей и эффективности применения разработанных ультразвуковых технологических аппаратов при реализации различных процессов химической технологии. Установлено, что в ходе реализации процессов УЗ диспергирования суспензий использование разработанных технологических объёмов с кольцевыми отражателями приводит к заметному уменьшению размера образуемых дисперсных частиц (за счёт их разрушения под воздействием навигационных ударных волн) по сравнению с использованием ранее разработанных объёмов без отражателей при неизменной производительности. Например, при УЗ диспергировании суспензий волластонита достигнуто уменьшение среднего размера частиц «¿ю с 51 до 42 мкм, катализатора крекинга нефти - увеличение площади поверхности катализатора с 1600 до 2200 м2/г, наноглин (монтмориллонита) в полимерах на предприятии ООО «Га-лен» (Чебоксары) -2,8-кратное повышение прочности материала по сравнению с отсутствием УЗ воздействия и т. д.

Таким образом, созданные ультразвуковые аппараты со социализированными технологическими камерами, обеспечивающие увеличение объёма кави-

тационных зон за счёт использования кольцевых отражателей и выбора оптимального (резонансного) диаметра внутренней области камеры, позволят значительно повысить эффективность отраслей химической промышленности, использующих высоковязкие и неньютоновские жидкие материалы в производственных процессах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлено, что основной причиной недостаточной эффективности процессов химических технологий в гетерогенных системах с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами при их интенсификации УЗ колебаниями является ограниченность объёма формируемой кавитационной области.

2. Впервые разработана феноменологическая модель формирования кавитационной области в неньютоновской среде, основанная на комплексном рассмотрении кавитационной области как единого целого с учётом всех эффектов и явлений, происходящих внутри самой области, позволившая определить форму и размеры кавитационных зон в гетерогенной среде с жидкой фазой при различных режимах развития кавитации.

3. На основании анализа разработанной модели установлены оптимальные интенсивности УЗ колебаний, обеспечивающие наибольшую удельную мощность ударных волн, образующихся при захлопывании кавитационных пузырьков, которая определяет эффективность технологических процессов. Выявлено, что для сред с линейно-вязкими жидкими фазами оптимальные интенсивности составляют от 1,6 до 80 Вт/см2. При этом для нелинейно-вязких сред оптимальные интенсивности воздействия в процессе обработки изменяются в пределах диапазона шириной до 20 Вт/см2 за счёт релаксации вязкости.

4. Впервые установлены оптимальные расстояния между границей технологического объёма и излучателем, обеспечивающие увеличение объёма зоны развитой кавитации более чем на 50 %. Показано, что оптимальные расстояния находятся в диапазоне от 60 до 125 см и уменьшаются при увеличении вязкости жидкой фазы.

5. Проведены экспериментальные условия, подтвердившие теоретически выявленные условия и режимы формирования кавитационной области. Экспериментально установлено, что использование разработанных на основании полученных результатов технологических объёмов, содержащих кольцевые отражатели, позволяет существенно повысить КПД УЗ технологического аппарата (с 42 до 61 % при обработке сред с жидкими фазами вязкостью до 800 мПа-с).

6. На основании полученных научных результатов разработаны специализированные УЗ технологические аппараты и новые конструкции проточных технологических камер с кольцевыми пластинчатыми отражателями, позволяющими увеличить объём зоны развитой кавитации до 3-х раз. Практическое применение созданных УЗ аппаратов с разработанными технологическими объёмами в различньк процессах химической технологии позволило: уменьшить диаметр частиц волластонита, образующихся в результате УЗ диспергирования в полимерном наполнителе с 51 до 42 мкм, обеспечить увеличение площади поверхности катализатора крекинга нефти с 1600 до 2200 м2/г, до 3 раз повысить

прочность нанокомпозита, основанного на использовании монтмориллонита (наноглин) в качестве наполнителя и т. д.

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Голых, P.II. Моделирование процесса формирования кавитационной области в вязких жидкостях для определения оптимального обрабатываемого технологического объема и режимов воздействия / Р.Н. Голых, В.Н. Хмелев, С.С. Хмелев, Р.В. Барсуков, A.B. Шалунов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2010. - № 4 (22). - С. 5S-62.

2. Голых, Р.Н. Повышение эффективности ультразвуковой кавитационной обработки вязких и дисперсных жидких сред / Р.Н. Голых, В.Н. Хмелев, С.С. Хмелев, Р.В. Барсуков // Ползуновскии вестник № 3/2010. -С. 321-325.

3. Хмелев, В.Н. Разработка и исследование новых принципов построения мелкодисперсных ультразвуковых распылителей вязких жидкостей / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, Д.В. Ген не, A.B. Шалунова, Р.Н. Голых // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т. 319. - № 4. - С. 158-163.

4. Хмелёв, В.Н. Выявление оптимальных режимов и условий ультразвуковой кавитационной обработки высоковязкнх жидкостей / В.Н. Хмелёв, Р.Н. Голых, С.С.Хмелёв, К.А. Карзакова // Научпо-технический вестник Поволжья. - 2013. - V» 2 -С. 249-251.

5. Голых, Р.Н. Выявление режимов ультразвукового воздействия, обеспечивающих формирование кавитационной области в высоковязких и неньютоновских жидкостях / Р.Н. Голых, A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, С.С. Хмелёв // Электронный журнал «ЮжноСибирский научный вестник». - 2014. - № 1. - С. 22-27.

6. Ультразвуковой распылитель, пат. на изобретение № 2481160 Российская Федерация: МПК В05В17/06 / Хмелев В Н., Шалунов A.B., Генне Д.В., Шалунова A.B., Голых Р.Н. (РФ); патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлгГТУ» (ООО «ЦУТ АлтГТУ») (РФ) заявка: 2011146974/05 от 18 11 2011 опубл. 10.05.2013 - 8 е.: ил.

7. Golykh, R.N Modes and conditions of efficient ultrasonic influence on high-viscosity media in the technological volumes / R.N. Golykh, A.V. Shalunov, V.N. Khmelev, S.S. Khme-lev // International Conference and Seminar on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices. EDM'2013: Conference Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2013. - P. 128-133.

8. Голых, Р.Н. Выявление оптимальных условий и режимов акустического воздействия на вязкие и дисперсные среды / Р.Н. Голых, В.Н. Хмелёв, С.С. Хмелёв, Р.В. Барсуков, A.B. Шалунов // Тезисы докладов IV Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» - Новосибирск: ИГиЛ СО РАН, 2011. - С. 93.

9. Голых, Р.Н. Моделирование процесса формирования кавитационной области в высоковязких и высокодисперсных жидких средах / Р.Н. Голых, В.Н. Хмелёв, С.С. Хмелёв// ИАМП-2011 - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. - С. 22-26.

10. Голых, Р.Н. Выявление режимов ультразвукового воздействия, обеспечивающих формирование кавитационной области в высоковязких и неньютоновских жидкостях [Текст] /Р.Н. Голых, В.Н. Хмелёв, A.B. Шалунов, В.А. Нестеров, A.B. Шалунова //ТОХБПП: Материалы VII всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием. - Бийск: Изд-во АлтГТУ - С. 12-16.

Подписано в печать 11.07.2014 г. Печать - ризография. Заказ 2014-63 Объем 1,19 п.л. Тираж 100 экз.

- Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27 19

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Бийский технологический институт (филиал) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

04201469587 На правах рукописи

Голых Роман Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО

КАВИТАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ С НЕСУЩЕЙ ВЫСОКОВЯЗКОЙ ИЛИ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОЙ ФАЗОЙ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., доцент Шалунов A.B. Бийск - 2014

К f BE I

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ С НЕСУЩЕЙ ЖИДКОЙ ФАЗОЙ...............12

1.1 Физические эффекты, возникающие в гетерогенных системах с несущей жидкой фазой под действием УЗ колебаний и обеспечивающие интенсификацию технологических процессов........................................;......12

1.1.1 Режимы развития кавитации в гетерогенной среде с жидкой фазой...............................................................................................................13

1.1.2 Физические эффекты, возникающие в жидкости при режиме развитой кавитации.......................................................................................16

1.2 Процессы химической технологии, интенсифицируемые в гетерогенных средах с жидкой фазой под действием УЗ колебаний..........21

1.2.1 Диспергирование твёрдых тел в жидкости........................................21

1.2.2 Снижение вязкости смол и нефтепродуктов.....................................24

1.2.3 Эмульгирование............................................................................;......25

1.2.4 Растворение...........................................................................................26

1.2.5 Гомогенизация высокомолекулярных соединений и получение низкомолекулярных веществ.......................................................................27

1.2.6 Дегазация...............................................................................................29

1.2.7 Экстрагирование...................................................................................30

1.3 Формирование кавитационной области в гетерогенных средах с различными реологическими свойствами....................................................34

1.3.1 Режимы ультразвукового воздействия необходимые для создания кавитационной области в линейно-вязких средах..............................:......36

1.3.2 Создание кавитационной области в нелинейно-вязких средах.......39

1.4 Существующее промышленное ультразвуковое оборудование для создания кавитации в гетерогенных средах с несущей жидкой фазой.......43

1.4.1 Отечественное ультразвуковое оборудование для кавитационной обработки гетерогенных сред с несущей жидкой фазой..........................43

1.4.2 Зарубежное ультразвуковое оборудование для кавитационной обработки гетерогенных сред с несущей жидкой фазой..........................45

1.5 Перспективная конструкция излучателя ультразвукового аппарата для обработки высоковязких сред..........................................................................48

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ВЫЯВЛЕНИЕ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ОБЛАСТИ В РАЗЛИЧНЫХ ПО СВОЙСТВАМ ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕДАХ С ЖИДКОЙ ФАЗОЙ................52

2.1 Основные этапы теоретического рассмотрения процесса формирования кавитационной области и принятые допущения............................................53

2.2 Анализ динамики одиночного кавитационного пузырька в нелинейно-вязкой среде.......................................................................................................57

2.3 Анализ локального формирования и эволюции ансамбля кавитационных пузырьков для выявления их концентрации и объёмного содержания.........................................................................................................74

2.4 Анализ распространения УЗ колебаний в кавитирующей среде с целью определения эффективных акустических свойств кавитационной области85

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН В ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕДАХ С ВЫСОКОВЯЗКОЙ И НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОЙ ФАЗОЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЁМАХ.....100

3.1 Определение размеров формируемой кавитационной области...........101

3.2 Выявление условий, обеспечивающих формирование кавитационной области максимального объема при использовании рабочих инструментов поршневого типа..............................................................................................105

3.3 Выявление оптимальных условий формирования кавитационной области при использовании многозонных рабочих инструментов............121

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЗА СЧЁТ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ И УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ И СОЗДАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТОВ.......................................................................135

4.1 Экспериментальный стенд для выявления оптимальных условий реализации процесса ультразвуковой кавитационной обработки.............135

4.2 Определение зависимости объёма зоны развитой кавитации от режимов и условий воздействия....................................................................................138

4.3 Определение зависимости удельной мощности кавитационного воздействия от условий распространения ультразвуковых колебаний.....149

4.4 Практические конструкции ультразвуковых технологических аппаратов, реализующие выявленные оптимальные режимы и условия воздействия......................................................................................................154

4.4.1 Определение совокупной энергии кавитационной области, формируемой в разработанных технологическими объёмах.................156

4.5 Исследование функциональных возможностей и эффективности применения разработанных ультразвуковых технологических аппаратов при реализации различных процессов химической технологии................159

4.5.1 Ультразвуковое диспергирование суспензии катализатора для крекинга нефти.....................................................................................159

4.5.2 Ультразвуковое диспергирование наноглин для производства полимерных композитов.............................................................................163

4.5.3 Технология ультразвукового кавитационного преобразования углеводородного сырья...............................................................................166

4.5.4 Ультразвуковое диспергирование волластонита............................169

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................173

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................190

ВВЕДЕНИЕ

Одним из перспективных подходов к решению различных технологических задач современных химических производств является ультразвуковое (УЗ) кавитационное воздействие на гетерогенные системы с жидкой фазой. Высокая эффективность и перспективность УЗ воздействия доказана многочисленными исследованиями для широкого спектра технологических сред (вода, органические растворители, масла, нефти, наполненные полимерные наноструктурированные материалы, лакокрасочные композиции, смолы и т. д.), которые в ряде случаев.могут содержать твёрдую или жидкую дисперсную фазу микронного (1...100 мкм) или субмикронного (0,01...1 мкм) размера (эмульсии, суспензии). Уникальность и эффективность УЗ воздействия обусловлена формированием кавитационных парогазовых пузырьков, накапливающих энергию при их расширении в один полупериод УЗ колебаний и образующих ударные волны и кумулятивные струи при сжатии в другой полупериод. Ударные волны вызывают изменение структуры и свойств технологических сред, позволяют увеличивать межфазную поверхность взаимодействия, реализовывать процессы растворения, экстрагирования, эмульгирования и т. . д. К сожалению, на сегодняшний день в промышленных масштабах успешно реализована только УЗ обработка маловязких сред (с вязкостью не более 30 мПа-с).

Очевидно, что ультразвуковая кавитационная обработка технологических сред (масла, нефти, полимеры и др.) большей вязкости (до 2 Па-с), и вязкость которых зависит от скорости сдвига (неньютоновских жидкостей), имеет для химической промышленности не меньшую значимость. Однако УЗ кавитационная обработка таких сред практически не применяется из-за:

- малого размера кавитационной зоны и её сосредоточенности вблизи излучающей поверхности;

- необходимости в высоких интенсивностях УЗ воздействия для формирования и поддержания кавитационного процесса;

- неоднородности распределения энергии кавитационного воздействия.

По этим причинам не обеспечивается достаточная для промышленного

использования производительность процессов, основанных на кавитационной обработке высоковязких сред. Кроме того, даже интенсивности УЗ излучения, близкие к пределу теоретической прочности волноводов-излучателей, не позволяют создавать кавитацию. А разработанные на сегодняшний день многозонные рабочие инструменты с развитой поверхностью излучения не обеспечивают решения проблемы сосредоточенности кавитационной зоны вблизи излучающей поверхности.

Таким образом, задача повышения эффективности химико-технологических процессов за счёт комплексной оптимизации режимов и условий распространения колебаний (геометрии технологического объёма) для реализации УЗ кавитационной обработки гетерогенных систем с высоковязкими и неньютоновских жидкими фазами в промышленных масштабах является актуальной.

Результаты диссертационной работы получены при проведении работ по Гранту РФФИ в рамках конкурса инициативных научных проектов, выполняемых молодыми учёными, № 14-08-31716 «Исследование процесса формирования и развития кавитационной области вблизи границы раздела фаз для выявления эффективных режимов воздействия на различные среды» (руководитель)-, государственному контракту № 14.В37.21.1173 «Исследование кавитационного процесса в неньютоновских жидкостях и создание аппаратов для обеспечения условий и режимов высокоинтенсивного ультразвукового воздействия на вязкие и дисперсные жидкие среды с целью получения новых материалов» (исполнитель)', Гранту Президента для государственной поддержки молодых российских ученых -кандидатов наук: МК-957.2014.8 «Разработка научно-технических ' основ повышения эффективности разрушения газодисперсных систем природного

и техногенного происхождения ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности» (соисполнитель).

Цель работы: повышение эффективности процессов химических технологий, реализуемых в гетерогенных средах с высоковязкими или неньютоновскими жидкими фазами, за счет теоретического и экспериментального выявления режимов и условий УЗ воздействия, обеспечивающих увеличение объёма формируемой кавитационной области.

Задачи исследований:

1. Выявить причины, ограничивающие эффективность процессов химических технологий в гетерогенных средах с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами при их интенсификации УЗ колебаниями.

2. Разработать феноменологическую модель формирования кавитационной области в гетерогенной среде с неньютоновской жидкой фазой, основанную на комплексном рассмотрении кавитационной области с учётом эффектов и явлений, происходящих внутри самой области и позволяющую определять форму и размеры кавитационных зон в жидкой среде при различных режимах развития кавитации.

3. Установить значения интенсивности УЗ воздействия, обеспечивающие создание кавитационной области с увеличенной удельной мощностью ударных волн, образуемых при схлопывании кавитационных пузырьков.

4. Определить размеры и форму технологических объёмов, обеспечивающие увеличение объёма формируемой кавитационной области при ультразвуковой обработке гетерогенных сред с жидкой фазой.

5. Экспериментально исследовать условия и режимы формирования кавитационной области для подтверждения полученных теоретических результатов.

6. Предложить и разработать конструкции УЗ технологических аппаратов со специализированными технологическими объёмами,

обеспечивающими реализацию выявленных оптимальных условий и режимов воздействия.

Научная новизна:

1. Получены уравнения динамики кавитационного пузырька, учитывающие зависимость вязкости жидкости от скорости сдвига и позволяющие определять мгновенный радиус пузырька в зависимости от времени для псевдопластических, дилатантных и линейно-вязких жидкостей.

2. Впервые разработана феноменологическая модель, позволяющая описать процесс формирования в ультразвуковом поле кавитационной области с учётом эффектов и явлений, происходящих внутри самой области (коалесценция и дробление пузырьков, влияние степени развитости кавитации на акустические свойства пузырьковой среды и распространение УЗ колебаний в ней).

3. Впервые теоретически определены форма и распределение кавитационной области в обрабатываемом объёме с учётом характера распространения УЗ колебаний в технологическом объёме обрабатываемой среды.

Теоретическая значимость:

1. Установлены пороговые значения интенсивностей УЗ колебаний, необходимые для возникновения кавитации в гетерогенных системой с несущей неньютоновской жидкой фазой.

2. Установлены режимы (интенсивности) и условия (геометрические параметры технологических объёмов) УЗ воздействия, обеспечивающие захлопывание кавитационного пузырька с максимальной энергией, запасаемой при его расширении.

3. Выявлены геометрические характеристики обрабатываемой области жидкости с отражающими границами, обеспечивающие формирование максимальной по объёму кавитационной зоны.

Практическая значимость:

1. Установлены требования к мощностным режимам работы

оборудования для УЗ кавитационного воздействия на различные гетерогенные системы с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами.

2. Предложены и разработаны конструкции специализированных проточных технологических объёмов с кольцевыми пластинчатыми отражателями, которые повышают эффективность процессов за счёт 3-кратного увеличения объёма формируемой кавитационной области при равномерном энергетическом воздействии УЗ колебаниями во всей области обработки.

3. Предложены и реализованы на практике конструкции проточных УЗ технологических аппаратов, обеспечивающих улучшение показателей качества конечного продукта для широкого спектра технологических процессов, по сравнению с существующим УЗ оборудованием.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются кавитационные явления, протекающие в гетерогенных системах с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами при реализации под действием УЗ колебаний процессов химических технологий.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы базировались на построении математических моделей, допускающих аналитические и численные решения. При экспериментальном исследовании применялись методы оценки эрозионной активности кавитационной области по разрушению тестовых образцов, дополненные измерениями вводимой в среду акустической энергии.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических исследований процесса формирования и эволюции кавитационной области в технологических объёмах, обеспечившие выбор режимов УЗ воздействия и геометрических размеров объёмов и позволившие обеспечить повышение эффективности обработки за счёт 1,5...3-кратного увеличения объёма формируемой кавитационной области.

2. Зависимости оптимальных режимов УЗ воздействия и геометрических параметров технологического объёма от величин, характеризующих зависимость вязкости гетерогенной среды с несущей неньютоновской жидкой фазой от скорости сдвига.

3. Результаты экспериментальных исследований, подтвердившие оптимальность теоретически выявленных режимов ультразвукового воздействия и геометрических параметров технологических объёмов и показавшие эффективность УЗ кавитационной обработки высоковязких жидких сред.

4. Предложенные конструктивные схемы технологических объёмов, обеспечивающих формирование максимальных по размерам кавитационных зон.

Личный вклад автора состоит в выявлении причин низкой эффективности УЗ кавитационной обработки гетерогенных систем с высоковязкими и неньютоновскими жидкими фазами; разработке математической модели возникновения и эволюции кавитационной области в вязкой неньютоновской жидкости, позволяющей выявлять оптимальные режимы и условия УЗ воздействия; проведении экспериментальных исследований условий и режимов формирования кавитационной области; разработке вариантов конструкций технологических объёмов, обеспечивающих увеличение размеров кавитационных зон для повышения эффективности обработки; подготовке публикаций по выполненной работе.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается строгостью математических выкладок, использованных при построении теоретических моделей, соответствием теоретических расчётов резу�