CC BY
19
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ Том 7 N 4 2017
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ / CHEMICAL TECHNOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 66.012.43:66.084.8(045) DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-4-95-101
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ «ГАЗ-ЖИДКОСТЬ» МЕТОДАМИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
© В.Н. Хмелев, Г.А. Боброва, Р.Н. Голых
Бийский технологический институт,
Российская Федерация, 659305, г. Бийск, ул. им. Героя Советского Союза Трофимова, 27.
Цель исследования - определение способов повышения эффективности процессов, протекающих на межфазных границах «газ-жидкость» при воздействии ультразвуковыми колебаниями. Проанализированы существующие подходы к ультразвуковой интенсификации процессов, протекающих на межфазных границах «газ - жидкость» при реализации их в промышленных масштабах, позволяющих увеличить площадь раздела фаз и уменьшить толщину промежуточного слоя, такие как фокусировка колебаний, принцип суперпозиции волн, создание условий для возникновения резонансных явлений. В результате выполненного исследования предложены конструкции плоских волноводов и созданы специализированные технологические аппараты, которые обеспечат увеличенную площадь излучения, равномерность воздействия и отсутствие взаимной компенсации колебаний разных участков поверхности излучателя. Предложенные конструкции плоских волноводов обеспечат эффективную промышленную УЗ интенсификацию процессов в системах «газ-жидкость».
Ключевые слова: ультразвук, волновод, колебания, фокусировка, суперпозиция волн, стоячая волна.
Формат цитирования: Хмелев В.Н., Боброва Г.А., Голых Р.Н. Повышение производительности процессов в системах «газ-жидкость» методами высокоинтенсивных ультразвуковых воздействий // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. Т. 7, N 4. С. 95-101. DOI: 10.21285/2227-2925-20177-4-95-101
INCREASE OF PROCESS PRODUCTIVITY IN "GAS-LIQUID" SYSTEMS USING HIGH-INTENSITY ULTRASONIC IMPACT METHODS
© V.N. Khmelev, G.A. Bobrova, R.N. Golykh
Biysk technological Institute,
27, Street named after Hero of the Soviet Union Trofimova, Biysk, 659305, Russian Federation
The aim of the study was to determine ways for improving the efficiency of processes occurring at the gasliquid interface between phases when exposed to ultrasonic vibrations. Existing approaches to the ultrasonic intensification of the processes taking place at gas-liquid interfaces are analysed during their implementation on an industrial scale. These approaches include oscillation focusing, the principle of wave superposition, as well as creating conditions for the appearance of resonance phenomena, allowing the phase separation area to be increased and the thickness of the intermediate layer to be reduced. As a result of the research, designs for flat waveguides are proposed and specialised technological devices are created that provide an increased radiation area, uniformity of impact and the absence of mutual compensation for vibrations of different sections of the surface of the radiator. The proposed designs of planar waveguides will provide an efficient industrial ultrasonic intensification of processes in gas-liquid systems. Keywords: ultrasound, waveguide, oscillations, focus, superposition of waves, standing wave
For citation: Khmelev V.N., Bobrova G.A., Golykh R.N. Increase of process productivity in "gas-liquid" systems using high-intensity ultrasonic impact methods. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2017, vol. 7, no. 4, pp. 95-101. (in Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-4-95-101
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день востребованы химические технологии, в основе которых лежит реализация процессов, протекающих в гетерогенных системах на границе раздела двух и более фаз. Основная доля таких процессов реализуется в двухфазных системах «газ-жидкость».
В большинстве химико-технологических аппаратов данные процессы осуществляются путем взаимодействия газовой и жидкой фазы, движущихся в каналах аппарата параллельно друг другу (рис. 1). В результате взаимодействия происходит массоперенос целевого компонента от одной фазы к другой. При этом скорость массопереноса целевого компонента определяет производительность этих процессов. Очевидно, что скорость массопереноса прямо пропорциональна градиенту концентрации целевого компонента вблизи межфазной границы. В связи с невозможностью резкого скачка концентрации компонента между фазами возникает промежуточный слой, как показано на рис. 1.
В результате этого эффективность протекания процессов ограничена характеристиками промежуточного слоя: площадь поверхности взаимодействия и градиент концентрации целевого компонента, обратно пропорциональный толщине слоя.
Например, эффективность таких процессов, как сушка, дегазация ограничены площадью поверхностного слоя, которая не превышает площадь растекания пленки жидкости (не более 2 м ). Скорость поглощения абсорбируемого газа жидкой фазой прямо пропорциональна градиенту концентрации и обратно пропорциональна толщине слоя, на котором реализуется резкое изменение концентрации. В процессах, в которых жидкая фаза обладает малым поверхностным натяжением, промежуточный слой имеет пенообразную структуру толщиной до 50 см, которая сокращает долю полезного объема жидкости.Все это приводит к недостаточной эффективности протекания процессов из-за малой площади промежуточного слоя, и в ряде процессов (например, пе-ногашение) большой толщины слоя. Из-за большой толщины промежуточного слоя доля полезного объема жидкой фазы может составлять менее 50%, в результате чего возрастают энергозатраты и КПД не превышает 40%. Таким образом, для повышения эффективности процессов в системах «газ-жидкость» необходимо решить следующие задачи:
- увеличить площадь раздела фаз;
- уменьшить толщину промежуточного более чем на 5%, что в большинстве случаев является экономически не целесообразным
слоя.
Один из перспективных способов полного или частичного решения этих задач - воздействие высокоинтенсивными ультразвуковыми (УЗ) колебаниями.
Существующие подходы к реализации ультразвукового воздействия описаны в следующем разделе.
Анализ существующих подходов к реализации ультразвукового воздействия для интенсификации процессов в системах «газ-жидкость»
При воздействии ультразвука на обрабатываемую среду возникает ряд эффектов, позволяющих ускорить как процессы массопере-носа, так и протекающие химические реакции.
Возникновение в процессах различных эффектов под воздействием УЗ колебаний позволяют увеличить площадь поверхности раздела фаз и снизить толщину промежуточного слоя, тем самым увеличив скорость массопереноса за счет возрастания доли полезного объема жидкой фазы и градиента концентрации целевого компонента. Кроме того, ультразвуковые колебания способствуют возникновению «звукового ветра», благодаря которому происходит дополнительное ускорение переноса целевого компонента (например, абсорбируемого газа при абсорбционном разделении газовых смесей). Возникновение волнообразных возмущений границы «газ-жидкость», позволяет разрушать поверхностные пленки, что способствует разделению неоднородных систем «газ-жидкость» при реализации процесса пеногашения. Когда жидкая фаза неразрывно связана с твердым веществом, представляющим собой, как правило, капиллярно-пористое тело, УЗ колебания способствуют разрыву этих связей и переносу влаги в газовую фазу. Тем самым ускоряется процесс сушки материала [1].
На сегодняшний день положительные эффекты от применения ультразвукового воздействия получены лишь в лабораторных и полупромышленных условиях, поскольку в промышленных установках для успешной реализации процессов необходимо озвучивать площадь более 3 м2 и объем промежуточного слоя до 1,5 м3 при его толщине до 50 см.
Современные УЗ излучатели без создания специальных условий распространения, отражения и усиления колебаний позволяют озвучивать поверхности площадью до 1 м2 и объемы промежуточного слоя до 0,5 м3.
Поэтому УЗ воздействие позволяет обеспечить увеличение эффективности не при использовании УЗ в промышленности [2].
Различными исследователями [3-6] до се-
годняшнего дня предлагалось несколько подходов для промышленного масштабирования ультразвуковой интенсификации процессов на границе «газ-жидкость». Все они основывались на интерференции акустических пучков, испускаемых с разных участков излучателя и проходящих различные пути переотражения.
Наибольшее распространение получили подходы, основанные на фокусировке ультразвуковых колебаний, суперпозиции плоских волн и создании стоячих волн.
Фокусировка колебаний обеспечивает усиление интенсивности колебаний более чем в 10 раз, позволяя достичь интенсивностей воздействия более 155 дБ в газовой фазе или более 20 Вт/см2 в жидкой фазе. Однако объем, в котором достигаются столь высокие интенсивности, не превышает 1 см3. В работе [3] предложено частичное решение данной проблемы путем механического перемещения или вращения излучателя, что позволяет увеличить объем среды до 10 раз. Однако механическое перемещение сокращает суммарное время УЗ воздействия для каждого участка поверхности взаимодействия фаз, также реализация механического перемещения излучателя в жидкой фазе изменит условия течения жидкости и, следовательно, снизит эффективность процессов.
Поэтому далее рассматривается принцип суперпозиции волн, заключающийся в том, что при распространении в среде нескольких волн каждая из них распространяется так как будто
другие волны отсутствуют, а результирующее смещение частиц среды суммируется. Использование суперпозиции волн позволяет усиливать ультразвуковые колебания до 4-х раз. Однако недостаток данного метода в том, что интерферирующие волны должны иметь строго одинаковую частоту и заранее определенную разность фаз, иначе происходит взаимная компенсация колебаний.
Иногда чтобы избежать данной ситуации используют сложение волн различных частот, кратных друг другу. Однако использование излучателей разной частоты требует значительных издержек на производство, так как для питания излучателей необходимо несколько генераторов (отдельный генератор для каждой частоты) и эффективность большинства химико-технологических процессов обладает существенной частотной зависимостью [4, 5].
Поэтому в некоторых случаях возникает необходимость создания стоячей волны и условий для возникновения резонансных явлений в ней с целью усиления моночастотных колебаний.
Использование данного подхода позволяет, как увеличить интенсивность воздействия, так и объем зоны, в которой интенсивность воздействие превышает пороговое значение, необходимое для интенсификации процессов в системах «газ-жидкость» (например, пороговую интенсивность, необходимую для возник-нове-
Рис. 1. Схема реализации процесса в системе «газ - жидкость» Fig. 1. The scheme of realization of the process in the system "gas - liquid" ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
c
Рис. 2. Ультразвуковые аппараты для интенсификации процессов в системах «газ-жидкость» с излучателями в виде плоских волноводов: a - распределение колебаний плоского волновода; b - ультразвуковой аппарат с плоским волноводом и одной УЗКС; c - ультразвуковой аппарат с плоским волноводом и двумя УЗКС
Fig. 2. Ultrasonic devices for intensification of processes in systems "gas-liquid" with emitters in the form of flat waveguides: a - distribution of oscillations of a flat waveguide; b - ultrasound machine with flat waveguide and a single transducer; c - ultrasound machine with flat waveguide and two UOS
Рис. 3. Схема реализации процесса с использованием плоского волновода Fig. 3. The scheme of realization of the process with the planar waveguide
ния кавитации в жидкой фазе) [6]. Однако из-за поглощения и дифракционного расхождения колебаний в среде, интенсивность отраженной волны оказывается более чем в 2 раза меньше интенсивности первичной. Это не позволяет путем создания стоячей волны усилить колебания и увеличить объем озвучиваемой зоны более чем на 50 %.
Таким образом, существующее УЗ оборудование даже при создании специальных условий распространения, отражения и усиления колебаний неспособно обеспечить промышленную интенсификацию химико-технологических процессов в системах «газ-жидкость» из-за достигаемых объемов и площадей зон озвучивания в 6-10 раз меньших по сравнению с требуемыми.
Это главным образом связано с недостатками существующих конструкций ультразвуковых излучателей, такими как:
- наличие участков поверхности излучателя, колеблющихся в противофазе;
- недостаточные линейные размеры излучателя, приводящие к дифракционному расхождению колебаний;
- неравномерность распределения амплитуды колебаний излучателя;
- недостаточность вводимой УЗ энергии из-за большой разницы волновых сопротивлений газовой и жидкой фазы.
Поэтому следующий раздел посвящен
перспективным конструкциям волноводов, предназначенным для устранения данных недостатков.
Разработка и исследование функциональных возможностей ультразвуковых аппаратов на базе составных плоских волноводов для промышленного масштабирования процессов в системах «газ-жидкость»
Для устранения недостатков, представленных выше и обеспечения промышленной интенсификации процессов на границе «газ-жидкость» предложены констконструкции излучателей (рис. 2) в виде составных плоских волноводов, обладающих рядом преимуществ:
- равномерное распределение интенсивности ультразвукового воздействия по всей ширине излучающей поверхности, так как отсутствуют участки, колеблющиеся в противофазе, согласно рис. 1, а;
- снижение дифракционного расхождения за счет увеличенной ширины излучающей поверхности, в 3 раза превышающей диаметр, например, дискового излучателя;
- увеличение энергии акустических колебаний за счет использования нескольких ультразвуковых колебательных систем (УЗКС).
Распределение колебаний плоского волновода, полученное путем конечно-элементного моделирования, представлено на рис. 2, а. Далее на рис. 2, Ь и с представлены
аппараты с излучателями, которые предназначены для реализации таких процессов как сушка листовых материалов, поглощение газовой фазы жидкостью, пропитка [7].
Аппараты с плоским волноводом и одной УЗКС (рис. 2, Ь) позволяют озвучивать поверхность шириной до 0,15 м. Возбуждение колебаний в волноводе с помощью двух УЗКС позволяет увеличить ширину озвучиваемой поверхности до 0,36 м (рис. 2, о) [8].
На рис. 3 представлена схема реализации технологических процессов в системах «газ-жидкость». Для обеспечения более эффективного воздействия излучатель вводят в обрабатываемую среду под углом, в результате чего возникают явления отражения и переотражения.
Данные аппараты создают ультразвуковые колебания на частоте 22 кГц при амплитуде не менее 30 мкм. Производительность процессов в системах «газ-жидкость» достигает 1 м2 слоя жидкости, находящейся в капиллярах
Исследование выполнено при поддержке гранта Президента РФ № МК-4515.2016.8.
листового материала или стекающей в виде пленки, в час. При этом данные аппараты имеют достаточно низкое энергопотребление не более 1 кВт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конструирование и применение плоских составных волноводов по сравнению традиционными излучателями цилиндрической или дисковой формы позволяет увеличить ширину излучающей поверхности с обеспечением равномерного распределения колебаний. Использование плоских составных волноводов с несколькими УЗКС позволяет повысить производительность реализуемых процессов в системах «газ-жидкость» до 2-х раз, при этом энергопотребление аппаратов такими волноводами не превысит 5 кВт.
Таким образом, предложенные конструкции плоских волноводов обеспечат промышленную УЗ интенсификацию процессов в системах «газ-жидкость».
The study was supported by the grant of President of Russian Federation № MK-4515.2016.8.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Хмелев В.Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности // курс лекций. Барнаул: АлтГТУ, 2010. 177 с.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химиз-дат, 1961. 830 с.
3. Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Ромашкин А.А. Разработка ультразвукового оборудования для разрушения пен и исследование его функциональных возможностей // Материалы конференции «Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» Бийск, 2011. С. 178-182
4. Пат. 2070062, РФ. МПК6 A61M15/02, А61М11/00 Ультразвуковой ингалятор / В.Н. Хмелев, Ю.В. Гавинский, Б.С. Котов; заявитель и патентообладатель Котов Борис Степанович; Хмелев Владимир Николаевич; Гавинский Юрий Витальевич. № 93021377/14; заявл. 20.04.93; опубл. 10.12.96, Бюл. N 15. 4 с.
5. Хмелев В.Н., Цыганок С.Н., Шакура
B.А., Демьяненко М.В. Многочастотный ультразвуковой модуль экстракции // Ползунов-ский альманах. 2014. N 1. С. 92-96.
6. Khmelev V.N., Golykh R.N., Shalunov A.V., Bazhin V.E., Nesterov V.A. Determination of Optimum Conditions of Ultrasonic Cavitation Treatment of High-viscous and Non-newtonian liquid media: 16th International Conference of Young Specialists on Micro|Nanotechnologies and Electron Devices. EDM'2015: Conference Proceedings. Novosibirsk: NSTU, 2015. P. 208-212.
7. Хмелев В.Н., Хмелев С.С., Цыганок
C.Н., Титов Г.А. Ультразвуковая сушка березового шпона // Южно-Сибирский научный вестник. 2012.N 1. С.188-192.
8. Хмелев В.Н. Хмелев С.С. Боброва Г.А. Ультразвуковые сварочные волноводы сложной формы // Международный научно-популярный вестник «Европа-Азия». 2014. N 9. - С. 18-20.
REFERENCES
1. Khmelev, V.N. The application of high intensity ultrasound in industry. The course of lectures. Barnaul: AltGTU, 2010, 177 p.
2. Kasatkin A. G. Basic processes and apparatuses of chemical technology. 7-th edition. Mos-cow.:Khimizdat, 1961. 830 p.
3. Khmelev, V. N., Shalunov A.V., Galakhov A. N., Romashkin A. A. Development of ultrasonic
equipment for the destruction of foams and study of its functionality. Proceedings of the conference "Measurement, automation and modeling in industry and scientific researches" Biysk, 2011. P. 178182
4. Ultrasonic nebulizer Pat. 2070062 Russian Federation: IPC6 A61M15/02, A61M11/00 / Khmelev V. N., Range Y. V., Kotov, B. S.; appli-
cant and patentee Kotov, Boris; Khmelev Vladimir Nikolaevich; Range Yury Vitalyevich. No 93021377/14; Appl. 20.04.93; publ. 10.12.96, bull. N 15. 4 p.: Il.]
5. Khmelev, V. N., Tsyganok S. N., Shakur V. A., dem'yanenko M. V. Multifrequency ultrasonic extraction module. Polzunovskii almanac. 2014. N 1. p. 92-96.
6. Khmelev V.N., Golykh R.N., Shalunov A.V., Bazhin V.E., Nesterov V.A. Determination of Optimum Conditions of Ultrasonic Cavitation Treatment of High-viscous and Non-newtonian
Критерии авторства
Хмелев В.Н., Боброва Г.А., Голых Р.Н. написали обзорную статью на основании собственных данных исследований и литературы. Хмелев В.Н., Боброва Г.А., Голых Р.Н. имеют на статью авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Владимир Н. Хмелев
Бийский технологический институт Д.т.н.
Галина А. Боброва
Бийский технологический институт Российская Федерация, 659305, г.Бийск улица имени Героя Советского Союза Трофимова, 27 Аспирант
[email protected] Роман Н. Голых
Бийский технологический институт Российская Федерация, 659305, г.Бийск улица имени Героя Советского Союза Трофимова, 27 К.т.н
Поступила 30.05.2017
liquid media: 16th International Conference of Young Specialists on Micro|Nanotechnologies and Electron Devices. EDM'2015: Conference Proceedings. Novosibirsk: NSTU, 2015. P. 208-212.
7. Khmelev, V. N., Khmelev S. S., Tsyganok S. N., Titov G. A. Ultrasonic drying of birch veneer. South-Siberian scientific Bulletin - 2012. N 1. pp. 188-192.
8. Khmelev V.N. Khmelev SS Bobrova G.A. Ultrasonic welding waveguides of complex shape. International popular science bulletin "Europe-Asia. 2014. N 9. P. 18-20.
Contribution
Khmelev V.N., Bobrova G.A., Golykh R.N. wrote a review article based on their own research data and literature. Khmelev V.N., Bobrova G.A., Golykh R.N. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interestst
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
AUTHORS'INDEX Affiliations
Vladimir N. Khmelev
Biysk technological Institute Ph. D.
Galina A. Bobrova
Biysk technological Institute
Russian Federation, 659305, Biysk
street named after Hero of the Soviet Union Tro-
fimova, 27
Graduate student
Roman N. Golykh
Biysk technological Institute
Russian Federation, 659305, Biysk
street named after Hero of the Soviet Union Tro-
fimova, 27
PhD
Received 30.05.2017
