Введение

Представленный материал предназначен преимущественно для персонала организаций, в которых используются ультразвуковые установки для кавитационной обработке жидких сред в ультразвуковых реакторах.

В первой части работы на основании теоретических и экспериментальных исследований (www.b4805.narod.ru ) делается важный для практики вывод о том, что прокачку рабочей жидкости через ультразвуковой реактор надо производить как можно с большим избыточным давлением и в некоторых случаях и при повышенных температурах.

Во второй части подробно рассмотрены конструкции ультразвуковых (акустических) реакторов, созданных компанией ООО "ТНЦ Техносоник".

В третьей части работы изложены результаты по практическому использованию, созданных ультразвуковых (акустических) реакторов.

Принцип работы ультразвукового реактора. Влияние статического давления

Работа ультразвукового реактора основана на возбуждении ультразвуковой кавитации в тонком слое, прокачиваемой через реактор обрабатываемой жидкости. Ультразвуковой узел реактора показан на pис. 1

Устройство ультразвукового реактора
Рис. 1 Ультразвуковой узел реактора
1- преобразователь
2 - концентратор
3 - излучатель
4 - опора

От ультразвукового генератора напряжение ультразвуковой частоты поступает на ультразвуковой преобразователь (поз. 1), который преобразует высокочастотное напряжение в механические колебания ультразвуковой частоты.

Эти колебания передаются в излучатель, который содержит концентратор (поз. 2), посредством которого высокочастотные колебания усиливаются и на выходе излучателя (поз. 3) они могут составлять до 100 микрон и более.

Преобразователь с излучателем крепится к корпусу реактора (на рисунке не показан) посредством опоры (поз. 4).

При колебаниях излучателя с ультразвуковой частотой в обрабатываемой в реакторе жидкой среде возникают чередования сжатий и растяжений, которые создают добавочное изменение давления в ней относительно постоянного статического давления в этой среде.

Эти колебания давления в жидкой среде определяются звуковым давлением, создаваемом излучателем.

В результате в жидкой среде наблюдается тесно связанный со звуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией, под которой понимают образование в жидкой среде парогазовых (кавитационных) полостей в фазе отрицательного звукового давления акустических колебаний ультразвуковой частоты с последующим их захлопыванием в фазе положительного звукового давления с образованием ударных волн.

Образование кавитационной полости и эффекты, связанные с ее захлопыванием зависят от ряда параметров.

Это акустические параметры (звуковое давление и частота), термодинамические параметры (внешнее давление и температура) и параметры жидкости (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, давление насыщенного пара жидкости и растворимость в ней газа).

Процесс развития одиночной кавитационной полости проходит через три стадии.

На первой стадии происходит расширение кавитационной полости из начального парогазового зародыша (всегда находящихся в жидкости в большом количестве), обусловленное понижением давления (фаза растяжения) в жидкости при воздействии отрицательной фазы звукового давления.

Этот процесс определяется разностью значений переменного звукового давления Рзв(t) и постоянного статического давления Рст.

На второй стадии происходит процесс захлопывания образовавшейся кавитационной полости при воздействии положительной фазы звукового давления (фаза сжатия). Этот процесс определяется суммой значений переменного звукового давления и постоянного статического давления.

В результате процесс захлопывания кавитационной полости происходит очень быстро со скоростью движения стенки полости примерно 250 м/сек. При этом парогазовая смесь, всегда находящаяся внутри полости, сжимается при нормальных условиях до давления 3000 атм., а температура внутри кавитационной полости достигает значения 6000 град. Кельвина.

На третьей стадии начинается процесс вторичного расширения кавитационной полости за счет того, что парогазовая смесь, сжатая до нескольких тысяч атмосфер заставляет кавитационную полость стремительно расширяться со скоростью 250 м/сек. Эту стадию можно отождествить с точечным взрывом. На этой стадии влияние переменного звукового давления и постоянного статического давления можно не учитывать, так как указанные давления практически не влияют на процесс вторичного расширения кавитационной полости.

ультразвуковая кавитация
Рис. 2   Три стадии развития кавитационной полости

Все три стадии развития кавитационной полости показаны схематично на рис. 2 .

С энергетической точки зрения развитие кавитационной полости можно представить следующим образом.

На первой стадии энергия ультразвукового поля переходит в потенциальную энергию жидкости в которой образуется полость с размером Rмакс.

На второй стадии этого процесса потенциальная энергия жидкости и энергия внешних сил, приложенных к полости Рзв(t)+Рст , переходит в кинетическую энергию, движущихся с большой скоростью к центру полости, близлежащих слоев жидкости. На последнем этапе второй стадии кинетическая энергия жидкости, переходит в потенциальную энергию парогазовой смеси, находящейся в кавитационной полости, при этом потенциальная энергия парогазовой смеси достигает максимальной величины при достижении кавитационной полостью значения Rмин.

На третьей стадии при вторичном расширении кавитационной полости энергия сжатого газа и пара отдается обратно в жидкость.

Мы не зря так подробно рассмотрели процесс развития кавитационной полости, так как рассмотренные выше три ее стадии позволят сделать нам практические выводы по повышению эффективности работы ультразвукового реактора. При дальнейших рассуждениях мы будем исходить из того, что эффективность технологических процессов в ультразвуковом реакторе обусловлена в основном вышеуказанным максимальным давлением и температурой пара и газа в кавитационной полости на конечной стадии ее захлопывания.

Итак, как видно из рассмотрения движения кавитационной полости на второй стадии ее развития повышение статического давления в жидкости приводит к увеличению давления действующую на кавитационную полость в стадии ее захлопывания. В результате возрастает как скорость, так и ускорение движения стенки полости и как результат увеличивается максимальное давление парогазовой смеси в полости при минимальном ее объеме.

Таким образом получается, что если только рассматривать вторую стадию развития кавитационной полости, то чем выше статическое давление, тем это лучше для повышения кавитационного воздействия. Однако если обратиться к рассмотрению первой стадии развития полости то получается, что тем выше статическое давление, тем меньше разность значений переменного звукового давления и постоянного статического давления. А при статическом давлении равном звуковому упомянутая разность давлений вообще равна нулю и парогазовый кавитационный зародыш расширяться не будет, и явление кавитации будет отсутствовать.

В результате имеем, что повышение статического давления как полезно (вторая стадия), так и вредно (первая стадия). И как это всегда бывает истина лежит где-то посередине. Проведенными исследованиями было установлено, что существует некоторое критическое значение статического давления, ниже которого с повышением статического давления эффективность кавитации растет, а выше которого падает. Это критическое значение достигается тогда, когда величина статического давления достигнет значения 40% от величины амплитуды звукового давления.

Как установить оптимальное статическое давление для ультразвукового реактора

Из предыдущего раздела ясно, что при повышенном статическом давлении эффективность работы ультразвукового реактора возрастает. В связи с этим возникает практический вопрос, как рассчитать оптимальную величину статического давления равную 40% от величины амплитуды звукового давления.

Величина амплитуды звукового давления в жидкости прямо пропорционально амплитуде колебаний торца излучателя и легко поддается расчету по формулам элементарной физики.

Рзв = ρCωA (1)

где
Рзв - амплитуда звукового давления;
ρ - плотность жидкости ;
C - скорость звука в жидкости;
ω - циклическая частота колебаний;
A - амплитуда колебаний излучателя.

Для воды при частоте колебаний излучателя 20 кГц величина звукового давления при измерении амплитуды колебаний излучателя в микронах (мкм) равна

Pзв= 1.8A атм (2)

а оптимальная величина статического давления, при которой кавитационное воздействие максимально будет составлять

Pст= 0.72A атм. (3)

Для жидкостей с иным по сравнению с водой акустическим сопротивлением (ρC) оптимальная величина статического давления будет равна

Pст= 0.72A(ρ2С21С1) атм (4)

где ρ1С1 - акустическое сопротивление для воды.

Анализ последнего выражения показывает, что при использовании рабочей жидкости с акустическим сопротивлением ρ2С2 > ρ1С1 например, для смеси воды с глицерином максимум кавитационного воздействия будет иметь место при более высоких значениях статического давления. С другой стороны, при использовании в качестве рабочей жидкости органических растворителей, у большинства которых ρ2С2 < ρ1С1 оптимальная величина статического давления будет меньше соответствующего значения для воды.

При использовании рабочей частоты отличной от 20 кГц значения Pст , полученные из уравнений (3) и (4), надо умножить на коэффициент

α=f/20кГц

где f - применяемая рабочая частота в кГц.

Однако все это справедливо, если расчет оптимального статического давления производить с учетом формул (2), (3) и (4). При использовании формулы (1) величина оптимального статического давления всегда для всех рабочих сред и применяемых частот ультразвуковых колебаний равна Pст= 0,4 Pзв.


сменить рисунок
Рис.3 Излучатель с большой амплитудой

Таким образом, увеличивая одновременно статическое и звуковое давление (амплитуду колебаний излучателя) при оптимальном значении, когда величина статического давления равна 40% от величины амплитуды звукового давления, представляется возможным многократно увеличивать интенсивность ультразвуковой кавитации.

Верхний предел по интенсивности ограничивается лишь уровнем звукового давления, который может быть достигнут при использовании современных источников акустической энергии.

Так при амплитуде колебаний излучателя 7 мкм наибольшее кавитационное воздействие соответствует статическому давлению 5 бар, что превышает уровень кавитационного воздействия при нормальном давлении в 20 раз, а при амплитуде 30 мкм и статическом давлении в 15 бар уровень кавитационного воздействия возрастает по сравнению с нормальными условиями более чем в 300 раз.

Но все изложенное выше получено при проведении научных исследований на специальной аппаратуре в лабораторных условиях, а как полученные результаты применить при использовании ультразвукового реактора в промышленных условиях.

Конечно не представляет трудностей получить в ультразвуковом реакторе амплитуду колебаний излучателя в 30 мкм и даже более. Например, при использовании конструкции излучателя, изображенного на рис. 3, можно получить амплитуду 40...120 мкм при частоте 18 кГц. Зону кавитации, создаваемого таким излучателем, можно увидеть, если подвести курсор к этому же рисунку.

На видеоролике ниже показано изменение области ультразвуковой кавитации при амплитудах ультразвукового излучателя 25, 50, 75 и 100 микрон.

Ультразвуковая кавитация при амплитудах излучателя 25, 50, 75 и 100 микрон

Однако следует отметить, что при использовании в ультразвуковом реакторе высокоамплитудного излучателя , давление в 15 бар и выше, необходимое для повышения кавитационного воздействия в 300 и более раз, получить не всегда реально.

Все дело в том, что статическое давление в потоке жидкости прокачиваемой через ультразвуковой реактор определяется величиной давления на выходе из насоса. В большинстве ультразвуковых реакторов применяются общепромышленные насосы с давлением на выходе не более 5 бар. Конечно давление 5 бар меньше оптимального значения , при котором достигается максимальная эффективность кавитационного воздействия, например, при амплитуде колебаний излучателя в 30 мкм, но и при избыточном (статическом) давлении в 5 бар в рабочей среде, прокачиваемой через ультразвуковой реактор интенсивность ультразвуковой кавитации можно увеличить в разы по сравнению с нормальными условиями, что вполне достаточно для инженерной практики.

На основании вышеизложенного можно сделать практически важный вывод, что чем выше избыточное давление в прокачиваемой через ультразвуковой реактор рабочей среде, тем выше кавитационное воздействие в реакторе на эту среду и тем самым больше эффективность технологических процессов.

Конечно строго говоря, справедливость вышеизложенного соблюдается только до тех пор, пока величина избыточного давления не превысит некоторого вышеупомянутого критического значения. Но в современных ультразвуковых реакторах с высокоамплитудными излучателями это условие по критическому статическому давлению в рабочей жидкой среде выполняется всегда и его можно не принимать во внимание на практике.

Влияние температуры и частоты колебаний на работу ультразвукового реактора.

В результате проведенных исследований было показано, что максимум кавитационного воздействия при повышенных давлениях сдвигается в сторону высоких температур. Так максимум кавитационного воздействия при 5 атм статического давления следует ожидать при температурах (для водной среды) 85-95 град. Цельсия.

При этом общеизвестно, что при температурах, равных температуре кипения, акустическая кавитация в жидкости не наблюдается, так как в этом случае давление парогазовой смеси в полости будет равно внешнему давлению. Но при повышенных статических давлениях температура кипения сдвигается в сторону более высоких температур. Так для давления 5 атм температура кипения воды составляет 151ºС.

Если принять во внимание, что при нормальных условиях оптимум кавитационной обработки достигается, как это установлено экспериментально, при температурах близких к 65% от температуры кипения жидкой среды, и применить это положение к кавитационной обработке в ультразвуковом реакторе, то получится, что при статическом давлении равном 5 атм, оптимальная кавитационная обработка достигается при температурах близких к 98ºС, а при статическом давлении 2.5 атм оптимальная температура близка к 80ºС. То есть, таким образом, косвенно подтверждается вышеуказанное теоретическое положение о сдвиге при повышенном статическом давлении максимума кавитационной обработки в сторону более высоких температур.

Но это все в теории. А как надо поступать на практике.

А на практике это означает, что при обработке водных рабочих растворов в ультразвуковом реакторе в том случае, если величина избыточного давления в прокачиваемой жидкости составляет несколько атмосфер, можно отказаться от применения водяной рубашки охлаждения. Однако в разных ультразвуковых реакторах условия образования кавитации разные, вследствие разных значений звукового давления (амплитуд колебаний излучателя), и поэтому прежде, чем использовать вышеуказанное теоретическое положение в инженерной практике, надо все тщательно проверить применительно к конкретному ультразвуковому реактору.

А смысл в этой проверке все таки-есть, так как при использовании вышеуказанных повышенных температур при одновременном повышенном давлении в рабочей среде при ее прокачивании через реактор, можно еще в несколько раз увеличить эффективность ультразвуковой обработки в реакторе.

Необходимо при всем вышеизложенном учитывать и частоту ультразвуковых колебаний в акустическом реакторе. Всегда надо иметь в виду, что частота ультразвуковых колебаний в значительной мере влияет на эффективность технологического процесса. С увеличением частоты колебаний излучателя количество кавитационных полостей увеличивается, что увеличивает производительность таких процессов, как например, эмульгирование. Но с другой стороны интенсивность ударных волн при захлопывании кавитационных полостей при увеличении частоты уменьшается, что также надо принимать во внимание.

Подробно влияние частоты ультразвуковых колебаний на эффективность ультразвуковой обработки рассмотрено на сайте www.b6405.h16.ru/cavit.html#3.1 .

Устройство ультразвукового реактора

Ультразвуковой (акустический) реактор это устройство, содержащее цилиндрическую рабочую камеру, в которой расположен излучатель удлиненной формы, механически связанный с пьезоэлектрическим или магнитострикционным преобразователем, соединенным посредством кабеля с генератором высокочастотного напряжения ультразвуковой частоты, при этом рабочая камера имеет входной и выходной патрубки для проточной кавитационной обработки перемещаемой через рабочую камеру жидкой среды.

ультразвуковая кавитация
сменить рисунок
Рис.4 Ультразвуковой реактор

На рис. 4 схематично изображено устройство ультразвукового (акустического) реактора.

По кабелю (1) от ультразвукового генератора (на рис. не показан) высокочастотное напряжение ультразвуковой частоты поступает на пьезоэлектрический преобразователь (2) от которого механические колебания передаются титановому излучателю удлиненной формы (3), который размещен внутри цилиндрической рабочей камеры (4).

Рабочая камера имеет входной патрубок (5) и выходной патрубок (6), расположенный выше входного патрубка.

Для получения оптимальных результатов кавитационной обработки желательно, чтобы расположение входного патрубка относительно нижнего конца излучателя (3) составляло 2-3 см., а диаметр торца излучателя составлял от 5 до 15 см. При этом зазор между излучателем и внутренней стенкой рабочей камеры должен быть не более 1-2 см.

По существу оптимальная кавитационная обработка жидкой среды происходит в объеме между торцом излучателя и дном рабочей камеры. При этом, чем меньше этот объем, тем выше плотность вводимой в жидкую среду ультразвуковой энергии. Поскольку этот объем определяется расположением входного патрубка относительно излучателя то этим и объясняется величина 2-3 см., указанная выше.

ультразвуковой волновод
Рис. 5   Излучатель с развитой поверхностью

Наиболее широкое применение получили рабочие камеры емкостью от 15 до 35 литров.

Для увеличения объема кавитационной обработки в ультразвуковом реакторе применяют излучатели с развитой поверхностью излучения. Для этого излучатель выполняют в форме нескольких последовательно соединенных между собой ступенчато-радиальных концентраторов.

Излучение ультразвуковых колебаний в жидкость в таких излучателях осуществляется с поверхности излучателя в областях перехода между его цилиндрическими участками разного диаметра. Такая форма рабочего инструмента позволяет в несколько раз увеличить площадь излучения.

ультразвуковой волновод
Рис. 6   Реактор и излучатель с развитой поверхностью

На рис. 5 показан типичный образец такого излучателя. Размеры этого излучателя в длину обычно составляют от 500 до 1100 мм, а в диаметре 50-55 мм. Оптимальная рабочая частота для подобных излучателей 18-25 кГц.

Распределение областей ультразвуковой кавитации при использовании излучателей с развитой поверхностью показано на рис. 6.

Видеофрагмент работы излучателя можно увидеть, если подвести курсор к рис. 6 и щелкнуть на нем.

Конструкции некоторых других излучателей, применяемыми в ультразвуковых реакторах, можно увидеть на рис. 4, если к нему подвести курсор. Обычно торцевой диаметр излучающей поверхности этих излучателей не превышает 75 мм.

Следует обратить внимание, что излучатели с развитой поверхностью (рис.5) имеют максимальную амплитуду ультразвуковых колебаний не более 20 мкм. Этого недостаточно в ряде случаев, когда необходима не только большая область кавитации, но также и высокая плотность ультразвуковой энергии в ней.

Для создания достаточно больших кавитационных зон с большой плотностью ультразвуковой энергии применяют высокоамплитудные излучатели тарельчатого типа, один из вариантов которых изображен на рис.7. Эти излучатели имеют амплитуду порядка 100 мкм при размерах излучающей поверхности до Ø50 мм.

Рис. 7   УЗ волновод тарельчатого типа
1 - входная часть
2 - узел колебаний
3 малая амплитуда
4,5 - большая амплитуда

На входную часть волновода (поз.1) подаются ультразвуковые колебания небольшой амплитуды от ультразвукового преобразователя. В узле колебаний (поз.2) волновод крепится через резиновые прокладки к корпусу реактора. Промежуточная часть (поз.3) волновода имеет небольшую амплитуду и практически не влияет на обработку рабочей жидкости, прокачиваемой через реактор.

Высокую амплитуду колебаний (порядка 100 мкм) имеют две поверхности излучателя (поз.4 и 5). Именно в этой зоне волновода имеет место интенсивная кавитация, обеспечивающая эффективную обработку прокачиваемого продукта.

При использовании ультразвукового реактора для смешивания двух жидких сред (например, при получении эмульсий) целесообразно снабдить ультразвуковой реактор дополнительным вторым входным штуцером.

Устройство ультразвукового реактора
Рис. 8   УЗ реактор с двумя входными штуцерами
1 и 2 - входные штуцера
3 - излучатель
4 - выходной штуцер

На рис. 8 изображена схема такого реактора. На входной штуцер (1) подается рабочая жидкость, которая в получаемой эмульсии имеет наибольший объем. Через штуцер (2) подается второй компонент эмульсии. Оба штуцера расположены ниже излучателя (3), чтобы обеспечить подачу двух исходных рабочих жидкостей в кавитационную зону, которая расположена ниже торцевой поверхности излучателя.

После кавитационной обработки смеси двух рабочих сред в ультразвуковом реакторе через штуцер (4) выходит готовая эмульсия.

Устройство ультразвукового реактора
Рис. 9   УЗ реактор с донным входным штуцером
1 - входной штуцер
2 - излучатель
3 и 4 - выходные штуцера

Такую конструкцию ультразвукового реактора можно применить и для интенсивной дискретной кавитационной обработки рабочей жидкости. Но в этом случае надо изменить порядок закачки в реактор и удаления из него рабочей жидкости. Перекрываются штуцера (1) и (2) и в реактор закачивают через штуцер (4) порцию рабочей жидкости. После чего через штуцер (2) подается сжатый газ с необходимым оптимальным давлением, определяемым амплитудой колебаний излучателя. После окончания обработки через штуцер (1) удаляют обработанную рабочую жидкость и цикл повторяют.

И последнее, наилучшие результаты по проточной кавитационной обработке достигаются, когда входящий поток обрабатываемой жидкой среды направляется перпендикулярно к поверхности излучателя. Для этого входной патрубок необходимо расположить в донной части рабочей камеры. В этом случае входящий поток рабочей жидкости (рис. 9) направляется через штуцер (1) непосредственно на торец излучателя (2) и затем обтекая его выходит из рабочей камеры через выходной штуцер.

Для создания оптимального потока движения обрабатываемой жидкости через рабочую камеру можно смонтировать два выходных штуцера (3) и (4), расположенных противоположно друг другу.

При этом в такой конструкции реактора не образуется донных осадков , так как такие осадки все время подхватываются потоком входящей жидкости и подаются для ультразвуковой обработки непосредственно к поверхности излучателя.

Рис. 10   Мультиреактор
вариант 1

При дискретной обработке один из верхних штуцеров можно использовать для подачи в реактор сжатого газа.

Для повышения производительности целесообразно использовать мультиреактор. Возможны два основных варианта компоновки мультиреактора.

Вариант 1 показан на рис.10. В этом случае несколько ультразвуковых реакторов, присоединенных к одному генератору, располагают последовательно, как показано на рис.10. В результате за один цикл обработки без рециркуляции возможно увеличение производительности равное числу использованных реакторов.

ультразвуковой реактор
Рис. 11   Мультиреактор
вариант 2

Вариант 2 показан на рис.11. В этом случае используют одну ванну с несколькими отсеками. Отсеки соединены между собой, как показано на рисунке. Движение потока рабочей жидкости показано стрелками. В каждом отсеке располагают ультразвуковой излучатель, который при работе образует в отсеке кавитационную область. В мультиреакторе показанном на рис.11 образуется пять кавитационных областей.(по числу отсеков с ультразвуковыми излучателями). Увеличение производительности обработки пропорционально числу отсеков. Следует обратить внимание что в мультиреакторе по варианту 2(рис.11) поток рабочей жидкости направляется перпендикулярно поверхности излучателя, что как указывалось выше оптимизирует процесс ультразвуковой обработки рабочей жидкости. Все ультразвуковые преобразователи, как и в мультиреакторе по варианту 1, питаются от одного генератора. Для упрощения рисунка генератор на рис.11 не показан.

Технологические процессы, реализуемые в ультразвуковом реакторе

Ультразвуковые (акустические) реакторы используются для осуществления следующих технологических процессов: диспергирование, гомогенизация, приготовление стойких эмульсий, эффективное смешивание, дезинтеграция и деагломерация.

Прежде чем двигаться дальше, необходимо объяснить значения вышеуказанных терминов. При этом значения терминов даны с учетом технологических процессов, осуществляемых в ультразвуковом реакторе.

Диспергирование - тонкое измельчение твердого тела в жидкости, в результате которого образуются дисперсные системы: порошки и суспензии.

Гомогенизация это процесс уменьшения неоднородности смесей в жидкой среде путем измельчения и равномерного перераспределения их по объему. Процесс гомогенизации по существу представляет собой операцию измельчения и диспергировани частиц для получения полностью однородной структуры вещества. Например, при помощи гомогенизации, жир в молоке может быть разбит так тщательно, что частицы повторно не рекомбинируются, и сливки не образуются.

Эмульсия это дисперсия микроскопических частиц одной жидкости в другой. Эмульсии могут быть образованы двумя любыми несмешивающимися жидкостями. В большинстве случаев одной из фаз эмульсий является вода. Устойчивость к расслоению эмульсий полученных в ультразвуковом реакторе составляет от нескольких часов до нескольких суток, а в отдельных случаях даже до нескольких месяцев.

Смешивание - получение однородного по составу вещества при одновременной обработке в ультразвуковом реакторе двух или более разных веществ. Применяется при растворении твердых веществ в жидкости и при растворении жидкости в жидкости. При смешивании в ультразвуковом реакторе трудно растворимых веществ процесс растворения ускоряется в 3-5 раз, при обработке малорастворимых веществ процесс растворения ускоряется в 10-30 раз, а при смешивании растворимых веществ процесс растворения ускоряется на два порядка.

Дезинтеграция - разделение вещества на его компоненты или распад (разрушение) сложных частиц веществ на его фрагменты.

Деагломерация - разрушение порошков, состоящих из агрегатов частиц, в жидкой среде на отдельные частицы. Пример деагломерации показан на рис. 11.

Ультразвуковой реактор
Рис. 12   Диагломерация порошков в УЗ реакторе

Диспергирование - процесс измельчения твердых частиц (веществ) или жидкостей под воздействием ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковое диспергирование позволяет получать однородные и химически чистые суспензии, при этом дисперсность конечного продукта увеличивается на несколько порядков по сравнению с механическими способами диспергирования.

Ультразвуковая кавитация является основным процессом, влияющим на диспергирование. Кавитация позволяет получить материалы сверх малой дисперсности и широко используется как в лабораториях, так и для получения устойчивых суспензий и эмульсий в ряде технологических процессов химической, пищевой, фармакологической, текстильной , лакокрасочной промышленности и т.д.

Можно получить достаточно устойчивые эмульсии, например вода-керосин, вода-масло, вода-бензин, вода-глицерин и др. вещества, которые между собой без ультразвукового воздействия не перемешиваются.

Ультразвуковой реактор
Рис. 13   Схема диспергирования материалов в УЗ реакторе

На рис.12 показан один из возможных вариантов аппаратурного оформления процесса ультразвукового диспергирования.

В емкость, оборудованную мешалкой, загружается материал, подлежащий диспергированию, и водная среда в которой это диспергирование осуществляется. При помощи мешалки эта смесь доводится до однородного состояния и через насос по трубопроводу подается на входной патрубок рабочей камеры ультразвукового реактора.

Для повышения давления в прокачиваемой через реактор рабочей жидкости (с целью повышения интенсивности кавитационной обработки) на выходном патрубке установлен вентиль. При частичном закрытии этого вентиля давление в прокачиваемой рабочей среде повышается, а величина этого давления контролируется манометром, установленном на входном трубопроводе.

После выходного патрубка реактора рабочая жидкость вновь поступает в указанную выше емкость и далее цикл обработки повторяется до тех пор, пока не будет достигнута необходимая дисперсность исходного материала.

Органами управления ультразвукового генератора возможно установить необходимое время обработки и обеспечить регулировку мощности генератора. В результате возможна корректировка амплитуды колебаний излучателя, установленного в рабочей камере реактора, в зависимости от вида работ.

С помощью указанного оборудования были получены устойчивые эмульсии сажа-вода для производства автомобильных покрышек, в процессе измельчения ультрадисперсных алмазов для получения присадок и смазок.

Хорошие результаты получены при изготовлении эмульсии для литейного производства, состоящую из перекиси водорода графита и воды.

Ультразвуковой реактор
Рис. 12   Схема изготовления эмульсий в УЗ реакторе

Вариант аппаратурного оформления реактора для этого техпроцесса показан на рис.13.

Для пропитки тканей на основе углепластика, стекловолокна были получены эмульсии, состоящие из взвеси фторопластовых шариков, эпоксидной смолы и специального растворителя.

Были получены устойчивые эмульсии на основе мазута и нефтяного шлама с добавлением воды до 25% для сжигания на ТЭЦ.

Ультразвуковые (акустические) реакторы используются и в лабораторных условиях для разработки новых нанотехнологий.

Мы рассмотрели лишь некоторые аспекты устройства ультразвуковых реакторов. Многие важные вопросы остались незатронутыми. Не следует рассматривать данный материал как окончательное решение всех вопросов, связанных с применением ультразвуковых реакторов в практической работе.

Однако надеемся, что данная статья дает достаточно цельное представление об ультразвуковых реакторах и их применении в лабораторной практике и промышленности.

Автор выражает особую благодарность, ранее работавшими с ним, уважаемым коллегам и добрым друзьям Чернышеву Б.В. и Федотову Б.Т. за представленные материалы по устройству конкретных конструкций ультразвуковых реакторов.