Ультразвук в химической технологии
Хим. реакции, возникающие в жидкости под действием У. (звукохимической реакции), можно условно подразделить на: 1) окислительно-восстановительной реакции, протекающие в водных растворах между растворенными веществами и продуктами разложения молекул воды внутри кавитационного пузырька (H, ОН, H2, H2O2), напр.:
2
) Реакции между растворенными газами и веществами с высоким давлением пара, находящимися внутри кавитационного пузырька:
3) Цепные реакции, инициируемые не радикальными продуктами разложения воды, а к.-л. другим веществом, диссоциирующимся в кавитационном пузырьке, например, изомеризация малеиновой кислоты в фумаровую под действием Br, образующегося в результате звукохимической диссоциации Br2.
4) Реакции с участием макромолекул. Для этих реакций важна не только кавитация и связанные с нею ударные волны и кумулятивные струи, но и мех. силы, расщепляющие молекулы. Образующиеся при этом макрорадикалы в присутствии мономера способны инициировать полимеризацию.
5) Инициирование взрыва в жидких и твердых взрывчатых веществах.
6) Реакции в жидких неводных системах, например, пиролиз и окисление углеводородов, окисление альдегидов и спиртов, алкилирование ароматич. соединений, получение тиоамидов и тио-карбаматов, синтез металлоорганические соед., восстановление гидридами, металлами, амальгамами, р-ции обмена галогенпроизводных, циклоприсоединение, получение и р-ции перфгорал-кильных соед., карбеновые синтезы, димеризация, олигомеризация и полимеризация галогенсиланов и галоген-станнанов, диссоциация карбонилов металлов и замещение лигандов в комплексных соед., синтез нитрилов, альдольная конденсация кетонов, конденсация Клайзена-Шмидта, перегруппировка Клайзена и др.
Основная энергетическая характеристика звукохимической реакции - энергетический выход, который выражается числом молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ поглощенной энергии. Энергетический выход продуктов окислительно-восстановительных реакций обычно не превышает нескольких единиц, а для цепных реакций достигает нескольких тысяч.
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.
Скачать реферат