Ультразвук в химической технологии (стр. 2 из 3)

Под действием У. во мн. реакциях возможно увеличение скорости в несколько раз (напр., в реакциях гидрирования, изомеризации, окисления и др.), иногда одновременно возрастает и выход. Обнаружено, изменение параметров Белоусова—Жаботинского реакции; инициирование колебательных процессов в некоторых системах, содержащих диалкилдихлорсиланы, которые в присутствии Na образуют циклический и линейные олигомеры: в этих системах под действием ультразвука возникает периодические изменение концентрации олигомеров в результате их взаимного превращения.

Воздействие ультразвука важно учитывать при разработке и проведении различных технологических процессов (напр., при воздействии на воду, в которой растворен воздух, образуются оксиды азота и H2O2), для понимания процессов, сопровождающих поглощение звука в средах.

2.Технологии, реализуемые с помощью ультразвука

Прецизионная очистка и обезжиривание. Под воздействием ультразвука определенной интенсивности на жидкость возникает кавитация (возникновение и взрыв множества микроскопических пузырьков). При взрыве пузырька на поверхности какого-либо изделия, погруженного в раствор, происходит выделение колоссальной энергии на микроуровне, что приводит к интенсивному отделению различных загрязнений. Данная технология позволяет добиться высокой степени очистки и реализуется с помощью ультразвуковых ванн с вмонтированными, либо с погружными излучателями. Применение ультразвука в ряде случаев позволяет отказаться от применения химически агрессивных и экологически вредных растворов.

В серийном производстве находят применение специализированные промывочные комплексы. Комплекс состоит из узлов, монтируемых по модульному принципу, использование которого обеспечивает широкий круг технологических возможностей под конкретные условия Заказчика. Узлы объединяются в механизированную или автоматическую линию очистки поверхности изделий после операций изготовления. Комплекс в общем случае состоит из ультразвуковой ванны для очистки, ополаскивающей ванны для финишной промывки, камеры сушки очищенных изделий, транспортного манипулятора, системы автоматического контроля и управления.

Для непрерывной прецизионной очистки прокатных изделий (проволока, лист, провод) применяются специализированные ультразвуковые линии. Модули очистки и промывки представляют собой устройства с подачей моющего раствора и одновременным наложением мощных ультразвуковых колебаний. После модуля промывки имеется сушильная камера. На выходе линии, при необходимости нагрева изделия перед покрытием, может быть установлена система индукционного нагрева. Линия встраивается непосредственно на выходе прокатного оборудования, либо выносится на отдельный производственный участок и оснащается своими механизмами подачи.

Очистка металлических труб (3) от различных производственных и эксплуатационных загрязнений осуществляется с помощью комплекта из двух ультразвуковых инструментов (1), оборудованных каналами для подачи моющего раствора (4). Очистка внешней поверхности производится торцевым магнитострикционным излучателем с акустическим трансформатором, соответствующей конструкции и отражающей накладкой (2) с противоположной стороны трубы. Очистка внутренней поверхности трубы производится снарядом, состоящим из ультразвукового излучателя и акустического трансформатора преобразующего фронтальные колебания торца излучателя в радиальные. Механизм подачи обеспечивает движение трубы через узлы очистки внешней и внутренней поверхности со скоростью обеспечивающей требуемый уровень очистки. На входе может устанавливаться индукционный нагреватель (5) для размягчения нефтяных и парафиновых отложений.

Дополнительно для экономии средств и улучшения экологической обстановки вышеперечисленные установки могут оснащаться системами фильтрации и регенерации рабочих растворов. Для снабжения модулей промывки дистиллированной водой в комплекте может быть поставлен промышленный дистиллятор.

Дегазация расплавов. При воздействии ультразвука на расплав значительно увеличивается интенсивность процесса образования пузырьков растворённого газа, и в результате, его содержание может быть снижено в двое и более, даже если ультразвуковая обработка кратковременна. Возникновение газовых пузырьков в расплаве сопровождается флотацией рассеивающихся твёрдых неметаллических включений, что увеличивает плотность литья и текучесть расплава, позволяя проникать в самые маленькие выемки литейной формы. Кроме дегазации, наблюдается значительное уменьшение зерна, что приводит к дополнительному улучшению физико-механических свойств отливки. Обработка расплава обычно производится непосредственно перед разливкой и может осуществляться как в стационарном объёме печи или раздаточного ковша с помощью погружных излучателей с рабочим инструментом из тугоплавких материалов, так и путём «озвучивания» металла в протоке посредством специального лотка или при помощи многослойных экранных фильтров из стеклоткани которые обеспечивают, кроме дегазации ультразвуком, фильтрование расплава. Технология применима для легкоплавких металлов малой плотности и их сплавов.

Интенсификация гальванических и химических процессов. Под воздействием ультразвука в процессах (меднения, никелирования, хромирования, кадмирования, цинкования, серебрения и т.д.) снижается водородная поляризация и облегчается разряд ионов, т.о. обеспечивается повышение катодной плотности тока, ускоряется отложение покрытий. Фактически ультразвук увеличивает активную площадь катода в 3 раза. Покрытие получается равномернее и толще в несколько раз, улучшается его адгезия к подложке. Технология реализуется с помощью погружных ультразвуковых излучателей с фронтальным типом излучения. Приведённый график иллюстрирует резкое повышение скорости осаждения покрытия под воздействием ультразвука (кривая 1) по сравнению с традиционными установками (кривая 2).

Сегодня катализаторы – самый распространенный элемент химических технологий. Но мало кто знает, что сходных, причем специфических эффектов можно добиться с помощью мощных ультразвуковых колебаний. Кроме того, ультразвук способен интенсифицировать многие физические и физико-химические процессы, на которые катализаторы вообще не влияют. Конструктивно соответствующие установки выполняются в виде стационарных объёмов (например ультразвуковые ванны), либо в виде систем с погружными излучателями.

Приготовление эмульсий и суспензий. Под воздействием ультразвука на смесь взаимно нерастворимых жидкостей происходит переход одной жидкости в дисперсное состояние в среде другой – эмульгирование (ультразвуковое диспергирование жидкости в жидкости). Стойкость эмульсии, полученной ультразвуком, значительно превышает стойкость систем полученных другим путём. Возможно получение устойчивых взвесей и порошков в жидкости - суспензий. Технология реализуется с помощью ультразвуковых ванн или ультразвуковых установок с погружными излучателями, при больших объёмах производства используются проточные установки.

Ультразвуковая пропитка. Основана на звукокапиллярном эффекте. При этом, пропитанная жидкость как бы «вгоняется» в капилляры и время пропитки сокращается в десятки раз. Этот способ используют для пропитки электротехнических изделий: обмоток трансформаторов, роторов, статоров, катушек и др., а также для герметизации литых пористых деталей. В результате время пропитки сокращается в несколько раз, и в ряде случаев достаточно одноразовой пропитки вместо многократной.

Ультразвуковое экстрагирование. Основным технологическим процессом извлечения биологически активных веществ является экстракция. Под воздействием ультразвуковых колебаний наблюдается не только ускорение процесса во времени, но и увеличение, по сравнению с другими способами экстрагирования, выхода биологически активных веществ.

Сварка полимеров и металлов. Наиболее перспективная технология соединения полимерных материалов – сварка при помощи ультразвука. Ультразвук позволяет: производить сварку фасонных изделий из жестких пластмасс на большом удалении от места ввода ультразвука (до 200-250 мм); производить сварку многослойной конструкции из мягких пластмасс и армированных тканей из искусственных материалов; производить сварку полимеров, которые не свариваются или плохо свариваются другими способами сварки; производить прецизионную закладку металлических деталей в пластмассу; производить сварку полимеров по загрязненным поверхностям, не требуя их предварительной очистки и обезжиривания.

Основным преимуществом ультразвуковой сварки металлов является узкая направленность теплового воздействия и высокая повторяемость результатов, что особенно важно при крупносерийном и поточном производстве. Кроме того, ультразвуковое воздействие исключает значительное тепловое и световое излучение при сварке, отсутствуют расплавленные массы металла. Ультразвук позволяет сваривать однородные и разнородные металлы различной толщины. Технология наиболее широко распространена в электронной промышленности.

Прошивка отверстий и размерная обработка хрупких материалов. Технология позволяет осуществить прошивку отверстий и углублений различной конфигурации и размеров в изделиях изделий из камня, стекла, фарфора, керамики, ферритов и других хрупких материалах с помощью абразивного порошка и инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой.