Способ ультразвуковой коагуляции субмикронных частиц
ULTRASONIC COAGULATION METHOD OF SUBMICRON PARTICLES

Изобретение относится к технике активного воздействия на газодисперсные системы, содержащие твердые или жидкие частицы субмикронных размеров и предназначено для очистки воздуха и газовых выбросов, выделяющиеся в процессе различных производств (горнометаллургическая, химическая, теплоэнергетическая, пищевая промышленность).
Одним из последствий быстрого роста промышленности является заметное ухудшение состояния атмосферного воздуха. Природные, техногенные и технологические выбросы различных отраслей промышленности сопровождаются выделением газодисперсных систем, которые загрязняют окружающую среду, а во многих случаях не только затрудняют протекание технологического процесса, но и ухудшают качество конечного продукта. Наряду с вредными выбросами, многие технологические процессы сопровождаются поступлением аэрозолей, которые содержат готовый продукт в виде дисперсных частиц субмикронного размера (получение конструкционных и функциональных наноматериалов, пищевая, химическая, горная промышленность). Поэтому не менее актуальной является необходимость создания способов улавливания микронных и субмикронных частиц готового продукта из газодисперсных систем.
Необходимость решения задачи привела к созданию универсальных и специализированных способов улавливания частиц из газодисперсных систем. Наиболее эффективные из них основаны на реализации инерционных и центробежных процессов [1]. Такие способы хорошо зарекомендовали себя при улавливании частиц, размером более 2,5-10 мкм. Однако, известные способы улавливание частиц малоэффективны при улавливании частиц размером менее 2,5 мкм.
Наиболее перспективными способами улавливания частиц размерами менее 2,5-10 мкм являются способы коагуляции в ультразвуковых (более 20 кГц) полях высокой интенсивности [2-4]. Использование высокоинтенсивных (уровень звукового давления более 140-150 дБ) синусоидальных ультразвуковых колебаний на частотах в 20-25 кГц интенсифицирует процессы коагуляции и осаждения аэрозолей.
Причина ускорения коагуляции частиц заключается в том, что ультразвуковые (УЗ) колебания, распространяемые в газодисперсной среде, создают движения частиц среды относительно их положений равновесия. Перемещения частиц газа в направлении распространения колебаний создают внутри газа зоны пониженного и повышенного давления.
Частицы газовой среды движутся относительно инородных частиц, воздействуя на них. Удары частиц газа, имеющих различные скорости, возникающие локальные уменьшения давления, приводят к возникновению потоков и локальных перепадов давления вокруг инородных частиц. Инородные частицы вовлекаются в колебательное движение, и на внешних сторонах частиц возникают силы радиационного давления, превышающие силы на внутренних поверхностях, т.е. возникает гидродинамическое взаимодействие полей обтекания частиц и частицы притягиваются.
Кроме того, вовлекаемые в колебательное движение инородные частицы разных размеров или одинаковых размеров, но располагаемые в различных участках колебательного процесса, приобретают разные скорости движения, перемешаются вдоль распространения колебаний на разные расстояния, что способствует увеличению числа соударений и коагуляции частиц.
Область, в которой происходит движение частиц относительно положения их равновесия и область пониженного давления, при распространении УЗ колебаний в газодисперсной среде, составляет половину длины волны распространяемых колебаний (на частоте 20 кГц это соответствует 8…9 мм) и значительно превышает размер коагулируемых частиц. Частицы субмикронного размера, имеющие очень малые размеры в сравнении с областью изменения давления, также вовлекаются в колебательное движение, однако все они движутся с одинаковыми скоростями, и не возникает дополнительных сил, способствующих их объединению. Из изложенного следует, что воздействие синусоидальными колебаниями на частицы с размером менее 2,5 мкм очень незначительно и такие частицы практически не объединяются.
Частичное устранение этого недостатка и повышение эффективности коагуляции мелких частиц удается обеспечить применением способа ультразвуковой коагуляции субмикронных частиц, принятого за прототип [5] и заключающегося в создании упругих колебаний ультразвуковой частоты, введении колебаний в газодисперсные среды, распространении колебаний в них и воздействии упругими колебаниями на инородные твердые или жидкие субмикронные частицы в газовых средах.
Особенностью способа ультразвуковой коагуляции по [5] является использование синусоидальных ультразвуковых колебаний повышенной частоты - до 100 кГц.
Прототип позволяет коагулировать более мелкие частицы потому, что размеры областей, в которых происходит изменение давления (зон формирования пониженного давления) при распространении УЗ колебаний в газодисперсной среде существенно уменьшаются (на частоте 100 кГц это соответствует размерам зон в 2-3 мм). При равных амплитудах колебаний частиц среды (интенсивностях УЗ воздействия) это обуславливает увеличение разности давлений и приводит к увеличению степени вовлечения мелких частиц в колебательное движение, появлению дополнительных различий в скоростях движения отдельных частиц малого размера и приводит к повышению вероятности объединения субмикронных частиц. Такой способ позволяет коагулировать до 20% субмикронных частиц от их общего числа в газовых выбросах.
Таким образом, способ ультразвуковой коагуляции субмикронных частиц, принятый за прототип, имеет следующие недостатки:
- низкая эффективность коагуляции субмикронных частиц размером менее 2,5 мкм и практически полное отсутствие коагуляции частиц с размерами менее 1 мкм. Обусловлено это тем, что область, в которой происходит изменение давления при распространении УЗ колебаний в газодисперсной среде, значительно превышает размер коагулируемых частиц и уменьшение размера этой области не представляется возможным;
- синусоидальный характер изменения давления в области воздействия на инородные частицы субмикронного размера обуславливает одинаковое колебательной движение таких частиц с малой скоростью, невозможность возникновения различий в скоростях их движения и невозможности возникновения перепадов давлений на их поверхностях, способных обеспечить их объединение;
- реализация ультразвукового синусоидального воздействия на повышенных частотах требует значительных энергетических затрат и не может быть реализована в настоящее время из-за отсутствия мощных ультразвуковых излучателей повышенной частоты. Даже при наличии таких излучателей прототип не способен обеспечить высокую эффективность коагуляции на больших и открытых пространствах, а также в протяженных трубопроводах и при высокой концентрации частиц из-за высокого затухания колебаний высокой частоты, при распространении в газодисперсных средах.
Предлагаемое техническое решение направлено на создание способа ультразвуковой коагуляции субмикронных частиц, способного обеспечить повышение эффективности коагуляции субмикронных частиц размером менее 2,5 мкм и создать условия коагуляции частиц с размерами менее 1 мкм.
Суть технического решения заключается в том, что в предлагаемом способе ультразвуковой коагуляции субмикронных частиц, в котором создают упругие колебания ультразвуковой частоты, вводят колебания в газодисперсные среды, распространяют колебания в них и осуществляют воздействие упругими колебаниями на инородные твердые или жидкие субмикронные частицы в газовых средах. Создание, формирование и воздействие осуществляют непрерывными колебаниями или следующими друг за другом импульсами, в которых области разряжения и сжатия, формируемые и распространяемые в газодисперсной системе, отличаются по величине давления не менее, чем в 10 раз.
Технический результат - представлен способ, обеспечивающий высокоэнергетические воздействия в газодисперсной среде, при которых существенно увеличивается действие колебаний на субмикронные частицы, приводящее к возникновению их дополнительных несимметричных перемещений с повышенными, но различными по величине, скоростями.
Результат достигается за счет того, что зона эффективного воздействия на инородные частицы не уменьшается, но в пределах этой зоны формируются участки с увеличенным значением отрицательного давления, и в этих участках создаются увеличенные, в сравнении с синусоидальными колебаниями, градиенты изменения давлении и концентраций частиц газа.
При формировании и распространении непрерывных колебаний или следующих друг за другом импульсов, в которых области разряжения и сжатия, формируемые и распространяемые в газодисперсной системе, отличаются по величине давления не менее, чем в 10 раз, осуществляются несимметричные воздействия за счет существенного увеличения значений перепадов давлений и скоростей изменения этих перепадов. Возникающие при этом изменения плотности газа в областях сжатия и разряжения отличаются по величине и суммарное за период колебаний изменение плотности отличатся от нулевого значения. Возникающие при этом силы радиационного давления существенно возрастают за счет нелинейного изменения плотности газа при распространении колебаний. Все это приводит к тому, что увеличивается вероятность объединения субмикронных частиц и возрастает степень их коагуляции.
Предлагаемое техническое решение позволяет не только повысить эффективность коагуляции субмикронных частиц размером 2,5 мкм и более, но и создать реальные условия коагуляции частиц с размерами менее 1 мкм.
Практическая реализация предложенного способа ультразвуковой коагуляции субмикронных частиц может быть реализована различными известными устройствами.
Для проверки эффективности предложенного способа коагуляции было реализовано формирование нелинейных акустических колебаний в ультразвуковом диапазоне частот путем использования встречно-направленных и синфазно колеблющихся на кратных частотах (21 кГц и 42 кГц) известных [2, 3] ультразвуковых излучателей, расположенных на резонансном расстоянии (кратном половине длины волны УЗ колебаний в воздухе для низшей из частот) друг от друга. Эффект искажения фронта волны при такой реализации способа обусловлен тем, что пространственные положения молекул несущей газовой фазы, которые находятся в зонах с повышенной скоростью газа, с течением времени приравниваются к пространственным положениям молекул, которые находились в зонах с пониженной скоростью газа (молекулы «догоняют друг друга»). В результате в зонах «пересечения» пространственных положений двух наборов молекул (имеющих повышенную и пониженную скорость) происходит дополнительное повышение плотности газовой фазы за счет разности скоростей, т.е. происходит перенос импульса.
Это приводит к искажению фронта волны вплоть до образования разрыва (скачкообразного изменения давления вдоль координаты) и резонансное усиление в газовом промежутке между излучателями обеспечивает формирование нелинейно-искаженных ультразвуковых колебаний с уровнем звукового давления до 165-175 дБ. При этом, если устанавливать расстояние между излучателями меньше (не более чем на 1/2 длины волны УЗ колебаний в воздухе) или равным резонансному искажению, в большей степени подвергается фаза разряжения формируемых ультразвуковых колебаний.
Воздействие такими колебаниями на субмикронные частицы приводит к ускорению (снижению счетной концентрации) процесса коагуляции до 2,5 раз, по сравнению с синусоидальным воздействием.
Полученные экспериментальные результаты подтвердили эффективность воздействия на субмикронные аэрозоли в нелинейно-волновом режиме, а также его предельном случае - ударно-волновом режиме.
Возможны и другие варианты практической реализации предложенного способа.
Предложенный способ коагуляции субмикронных частиц прошел успешные испытания в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета.
Работа выполнена в рамках гранта РНФ №19-19-00121.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Циклонный пылеотделяющий аппарат [Текст]: патент US 7422615 В2: МПК B01D 45/12 (2006.01) / Tak-Soo Kim; правообладатель - Samsung Gwangju Electronics Co., Ltd. (US), заявка: 11/1286262 от 13.05.2005. Опубликовано: 09.09.2008.
2. Ультразвуковая коагуляционная камера [Текст]: патент ПМ 102197 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Шалунова К.В.; правообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU), заявка: 2010140035/05 от 29.09.2010. Опубликовано: 20.02.2011.
3. Улавливатель дисперсных частиц из газового потока [Текст]: патент ПМ 133432 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / B01D 45/12 (2006.1) / Хмелёв В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», заявка: 2013123218/05 от 21.05.2013. Опубликовано: 20.10.2013.
4. Аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока [Текст]: патент ПМ 131307 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Хмелёв В.Н., Нестеров В.А., Шалунов А.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», заявка: 2013106573/05 от 14.02.2013. Опубликовано: 20.08.2013.
5. Селективная фильтрация табачного дыма путем повышения эффективности фильтрации [Текст]: патент US 4253508: МПК B01D 51/08 (2006.1) / Conrad A. Bodai, Balazars I. Bodai; правообладатель - Bodai Industries, Inc., Dallas, Tex (US), заявка: 4818 от 19.01.1979. Опубликовано: 03.03.1981 - прототип.