1.6.3. Интенсификация физических процессов

Наиболее широко используются акустические волны для интенсификации физических  процессов, в том числе технологических процессов подготовки сырья и разделения реакционной смеси [22].

Гидромеханические процессы. Акустическое воздействие повышает эффективность  таких гидромеханических процессов химической технологии, как образование и разрушение эмульсий и суспензий, диспергирование жидкостей и твердых веществ, флотация, гашение пен и др. (рис.1.14).

Например, акустические колебания способны нарушать устойчивость стойких эмульсий и суспензий и успешно применяются для интенсификации процессов отстаивания. Эффективность комбинированного воздействия на процесс коагуляции суспензии хорошо иллюстрирует следующий пример. Для осаждения суспензии пигмента «конго красное» требуется несколько месяцев; при акустическом воздействии время осаждения сокращается до нескольких дней.

Для ускорения осаждения суспензий иногда используют специальную акустическую фильтрующую центрифугу. Разделение суспензии в центробежном поле происходит при факторе разделения 12000g; в акустической центрифуге – при 1500g. Ультразвуковое поле интенсифицирует также процесс фильтрования вследствие облегчения удаления осадка с фильтрующей поверхности.

Акустические колебания широко используются для гашения устойчивых пен, например, флотационных пен в гидрометаллургии, при флотационном обогащении полезных ископаемых (флотации угля). Акустические волны оказывают сильное влияние на все стадии процесса флотации.

Использование акустических колебаний для перемешивания в химической технологии оказалось экономически нецелесообразно. Однако акустическое поле оказалось очень эффективным при создании гетерогенных систем: распылении жидкостей, диспергировании твердых тел и получении эмульсий. Метод акустического распыления применяется в горелках при сжигании жидкого топлива и при получении различных порошков из расплавов (с температурой плавления до 3500С).

Энергетическая целесообразность акустического распыления иллюстрируется следующим примером. Для приготовления 1 т свинцового порошка на стандартной шаровой мельнице производительностью 8 кг/час требуется 375 кВт.ч электроэнергии. Для приготовления такого же количества порошка на акустической установке производительностью 45 кг/час затрачивается лишь 42 кВт.ч. Интенсификация разрушения твердых тел наблюдается только в режиме кавитации. Разрушение происходит под действием ударных волн и микроструек жидкости, возникающих при схлопывании кавитационных пузырьков.

При акустическом воздействии и применении стабилизаторов удается получать эмульсии со стойкостью от нескольких дней до нескольких лет. К процессам эмульгирования можно отнести также процессы очистки твердых поверхностей от жидких загрязнений (масел, смазок и т.п.). В этом случае также очень эффективен метод акустического воздействия. Эффект перемещения жидких систем под действием акустических колебаний используют при пропитке пористых тел различными жидкостями, например, при получении стеклопластиков (стеклоткани пропитывают бакелитовыми лаками и эпоксидно-фенольными связующими). Механические свойства материала, полученного при акустической пропитке, в 1,5 раза выше, чем материала с обычной пропиткой.

Акустическое поле можно использовать не только для разрушения монолитных частиц, но для разрушения связей между частицами в агломератах. Так бескавитационное акустическое воздействие способствует повышению эффективности процесса депарафинизации дистиллятных масел. В этом случае при кристаллизации парафина акустические колебания разрушают пространственную структуру, образуемую кристаллами парафина. Разрушенная структура при дальнейшем охлаждении не восстанавливается. Кристаллы парафина растут в виде отдельных образований и при фильтровании не удерживают масло. Выход масла после акустической обработки возрастает на 2-4%.

Тепловые процессы. Акустические колебания  интенсифицирует процессы теплообмена через механическое воздействие  волны и через эффекты второго порядка – кавитацию и акустические течения.

Массообменные процессы. Ультразвуковое поле используется для интенсификации массообменных процессов: кристаллизации и растворения, сушки материалов в кипящем слое и барабанных сушилках, абсорбции газа жидкостью, адсорбции твердыми сорбентами, экстракции и др.

Механические процессы. Акустическое воздействие эффективно для механических процессов снятия накипи со стенок теплообменных аппаратов, гранулирования минеральных удобрений, прессования изделий из различных пластмасс (увеличивается скорость процесса и качество продукции), экструзии полимеров (путем уменьшения силы трения полимера о стенки канала экструдера), литьевом формовании изделий и т.д.