Ультразвуковые устройства для интенсификации и модификации процессов в жидких средах.

Коломеец Н.П. к.т.н., Новик А.А. инж.

Ультразвуковые устройства для интенсификации и модификации процессов в жидких средах.

В статье проведен обзор разработанных авторами и практически используемых ультразвуковых установок для интенсификации физико-химических и других технологических процессов в жидких средах, включая ультразвуковую очистку, диспергирование, эмульгирование, получение аэрозолей и др. связанных с созданием кавитационных полей и течений.

Широко известен эффект интенсификации и модификации физико-химических и других технологических процессов происходящих в жидкостях при помощи акустических колебаний или ультразвуковых волн, например, ультразвуковая очистка, диспергирование,  эмульгирование, получение аэрозолей и др. связанных с созданием кавитационных полей и течений.

В настоящей работе проведен обзор разработанных и практически используемых ультразвуковых технологических устройств воздействующих на жидкие среды.

Лабораторные ультразвуковые установки серии ИЛ100-6/1, … /6 .

Для исследования воздействия ультразвуковых колебаний на различные процессы, происходящие в жидкостях  или на вещества и материалы, помещенные в жидкость, был разработан ряд ультразвуковых установок. Мощность установок, в зависимости от модификации, составляет от 630 Вт до 5 кВт, на рабочей частоте 22 ± 10% кГц. Установки были названы лабораторными, с целью подчеркнуть их применение на начальном этапе исследований для выявления необходимых амплитуд ультразвуковых колебаний и уровней удельной мощности ультразвука для реализации тех или иных технологических процессов.

Лабораторная ультразвуковая установка состоит из ультразвукового генератора, магнитострикционного ультразвукового преобразователя и штатива, см. Рис.1. Патент на полезную модель № 43785, «Ультразвуковая установка» [1].

Емкость с жидкостью размещается на столике штатива. Ввод ультразвуковых колебаний осуществляется сверху. Материал, из которого изготовлена емкость, определяется  пользователем ультразвуковой установки. Это, и то, что волноводы-излучатели выполнены из титана, позволяет подвергать ультразвуковому воздействию жидкости с различной степенью агрессивности. С целью повышения стойкости волноводов-излучателей на их поверхности может быть выращен слой нитрида титана.

Ультразвуковая установка оснащается уникальным магнитострикционным преобразователем. Амплитуда колебаний на частоте 22 кГц , на «холостом» ходу, составляет не менее 40 мкм. Магнитострикционный преобразователь закреплен на стойке с возможностью перемещения вдоль нее и с возможностью изменения угла ввода ультразвуковых колебаний в емкость с жидкостью.

С целью регулирования удельной мощности ультразвука, ультразвуковой генератор, входящий в комплект ультразвуковой установки, оснащен ступенчатой регулировкой выходной мощности. Набор из трех волноводов-излучателей, входящих в комплект ультразвуковой установки, позволяет получить различную амплитуду ультразвуковых колебаний в исследуемой жидкости. Для этого волноводы-излучатели изготавливаются как акустические трансформаторы амплитуды колебаний с коэффициентом трансформации 1:0.5, 1:1 и 1:2. Излучающая поверхность волноводов-излучателей изготавливается в виде «пятачка» и при незначительной кавитационной эрозии возможно механическое ( подрезка на токарном станке) исправление качества поверхности без изменения резонансной частоты волновода-излучателя.

Рис.1. Фото Лабораторной ультразвуковой установки ИЛ100-6/1

Высокая надежность ультразвуковой установки и возможность  непрерывной работы в течение 24 часов, позволяет использовать ее не только при проведении предварительных лабораторных исследований, но и использовать установку в качестве полупромышленной ультразвуковой установки при небольших объемах обрабатываемых жидкостей, при прерывистой загрузке обрабатываемых жидкостей в применяемые емкости. Для расширения возможностей применения ультразвуковых Лабораторных установок предприятие ООО «Ультразвуковая техника – ИНЛАБ» выпускает несколько модификаций подобного оборудования с различной выходной мощностью. Установки могут быть использованы в качестве:

• диспергатора;
  
• эмульгатора;
  
• системы ускоряющей и улучшающей экстрагирование активных веществ из растительного сырья;
  
• сонохимического оборудования;
  
• источника высокоамплитудных ультразвуковых колебаний;
  
• специальной технологической системы размешивания, коагулирования и т.д.

Переход от экспериментов к полномасштабным полупромышленным или промышленным установкам, при увеличении производительности, требует сохранения заданных уровней интенсивности колебаний ультразвука. Это можно решить несколькими способами:   увеличением числа комплектов применяемого ультразвукового оборудования и/или  созданием сложных волноводных излучающих систем.

Сложные волноводные излучающие системы.

Ультразвуковая активация - один из современных способов ускорения протекания химических реакций. Следует отметить, что применение ультразвука позволяет не только увеличить скорость химической реакции, но и увеличивает процент прореагировавших веществ. Подвергая ультразвуковой кавитационной обработке жидкую среду можно получить химические реакции невозможные в других случаях.

Эмульгирование и диспергирование реагентов в ультразвуковом поле значительно увеличивает поверхность прохождения химической реакции. Возможно применение ультразвуковой активации в двухфазных системах; в реакциях присоединения, замещения; в металлоорганической химии; в нефтехимии; в катализе; в химии полимеров; в различных химических технологиях.

В ультразвуковых установках могут быть использованы различные излучающие волноводы. В общем случае это могут быть и классические волноводы-излучатели, с одной излучающей поверхностью, как в, описанных выше, Лабораторных ультразвуковых установках, и специальные излучающие волноводные системы.

Известны трубчатые излучающие волноводные системы, см. Рис.2.

Рис.2. Фото трубчатого излучающего волновода с магнитострикционным преобразователем в охлаждающем корпусе.

Широкое использование трубчатых волноводов сдерживает недостаточная механическая прочность волновода. Волновод изготавливается минимум из трех деталей соединяемых между собой сваркой или иным способом. При возбуждении таких волноводов высокоамплитудным мощным ультразвуком прочность соединения оказывается недостаточной и происходит разрушение волновода-излучателя.

Разработан и выпускается каскадный волновод-излучатель для использования в высокоэффективных, высокоамплитудных ультразвуковых акустических системах, см. Рис.3. Патент на изобретение № 2248850, «Ультразвуковое устройство» [2].

Рис.3. Фото каскадного волновода-излучателя присоединенного к магнитострикционному преобразователю без охлаждающего корпуса.

Волновод монолитный, изготавливается из титанового сплава. Волновод-излучатель может быть изготовлен для присоединения к ультразвуковому преобразователю на мощность до 5кВт, на частоте 22 кГц. Отличительной особенностью этого волновода является наличие концентраторов с акустическими линзами колебаний, которые выполнены на волноводе через ?/4, геометрические параметры линз подобраны специальным образом и повышают интенсивность излучения. Множество излучающих поверхностей, значительная площадь излучения ультразвука, возможность выдерживать значительные амплитуды ультразвука без потери основных рабочих параметров – все эти качества волновода позволяют решать технологические задачи применения ультразвуковых технологий на новом уровне.

Проточные ультразвуковые диспергаторы серии ИЛ100-6/7 и ИЛ100-6/8 .

Разработаны и изготавливаются проточные ультразвуковые установки различного применения. Диапазон рабочих температур и давления, конструкция, материал реактора и ультразвукового излучателя могут быть различными и определяются по согласованию с Заказчиком. Мощность ультразвукового генератора и преобразователя определяется необходимым расходом реагентов, объемом реакционной среды. Реактор ультразвуковой установки имеет коаксиальную конструкцию, см. Рис.4. Патент на полезную модель № 44540, «Ультразвуковая установка для обработки жидких сред» [3].

Рис.4. Фото реактора ультразвуковой установки вместе с магнитострикционным преобразователем расположенном в части корпуса реактора.

Реактор оснащается различными типами волноводов-излучателей. Различаются  реакторы изменением марки установки. ИЛ100-6/7 и ИЛ100-6/8 – установки оснащены обычным волноводом-излучателем с одной излучающей поверхностью. ИЛ100-6/7-0.1 и ИЛ100-6/8-0.1  – установки оснащены каскадным волноводом-излучателем.

Данная конструкция ультразвуковой технологической установки позволяет встраивать ее  в существующее реакционное оборудование Заказчика.

Литература

1. А.А. Новик. Ультразвуковая установка / Патент на полезную модель РФ № 43785 с приоритетом от 11.10.04 // Бюллетень: Открытия. Изобретения. Пром. Образцы и товарные знаки. – 2004. - №31.
   
2. Н.П. Коломеец, А.А. Новик. Ультразвуковое устройство / Патент на изобретение РФ № 2248850 с приоритетом от 21.06.04 // Бюллетень: Открытия. Изобретения. Пром. Образцы и товарные знаки. – 2005. - №9.
   
3. А.А. Новик, Н.П. Коломеец, С.В. Вешняков, В.А. Федорченко, Г.В. Генин. Ультразвуковая установка для обработки жидких сред / Патент на полезную модель РФ № 44540 с приоритетом от 05.11.04 // Бюллетень: Открытия. Изобретения. Пром. Образцы и товарные знаки. – 2005. - №9.