Процессы пеногашения
Это одна из новых областей применения УЗ колебаний. Во многих процессах химической технологии происходит пенообразование. Образующаяся пена препятствует полной загрузке аппаратов, усложняет дозировку, приводит к уносу ценных продуктов и т. д. Введение химических пеноразрушителей типа ПАВ или растекающихся по поверхности масел бывает очень эффективно, но не всегда допустимо по условиям технологического процесса.Известно, что пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек – пузырьков газа, разделенных пленками жидкости. Структура пен определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз, и в зависимости от этого соотношения ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную форму. Сферической формы ячейки бывают в том случае, когда объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10–20 раз. В таких пенах пленки жидкости между пузырьками имеют относительно большую толщину. В тех случаях, когда объем газовой фазы превышает объем жидкости в сотни раз, пузырьки в пене имеют многогранную (полиэдрическую) форму. В зависимости от соотношения жидкой и газовой фаз плотность пены может колебаться от 0,5 плотности жидкости до значений, близких к нулю [5]. Особенности пен, отличающие их от жидкости (сохранение формы, отсутствие растекания), позволяют рассматривать их как структурированные системы, обладающие свойствами твердого тела. Следует отметить тот факт, что чистые жидкости не способны образовывать сколько-нибудь устойчивую пену. Для получения устойчивой пены в жидкой фазе должен быть растворен хотя бы один поверхностно-активный компонент – пенообразователь, адсорбирующийся на межфазной поверхности раздела раствор – газ. Стабильность или устойчивость пены характеризуется продолжительностью существования всего ее объема. По стабильности пену можно условно разбить на два типа. К первому относятся пены, у которых пенообразователь в растворе и в адсорбированном слое находится в молекулярно-дисперсном состоянии. Такие пены быстро распадаются по мере истечения межпленочной жидкости, и борьба с ними не представляет никакой трудности. Ко второму типу относятся пены, у которых пенообразователь образует в растворе коллоидную систему. Эти пены обладают большой стойкостью, так как истечение межпленочной жидкости в определенный момент времени прекращается, а пенный каркас может сохраниться длительное время. Такие системы имеют потенциальный энергетический барьер, противодействующий разрушению и обеспечивающий состояние равновесия системы.
УЗ колебания используют для разрушения пен только второго типа [7]. При этом оказывается экономически целесообразным разрушение этих пен на так называемой сухой стадии. «Сухие» пены образуются по окончании истечения межпленочной жидкости из пен второго типа. Истечение жидкости из пены происходит по так называемым каналам Плато под влиянием сил тяжести и капиллярных сил всасывания. Истечение заканчивается, когда вся излишняя жидкость удалена, и абсорбционные сольватированные слои пленок соединятся. Разрушение пены в УЗ поле происходит в результате пульсации пузырьков пены и воздействия на их поверхность турбулентных вихрей, вызываемых акустическими течениями. Механизм разрушения пузырька пены можно представить следующим образом [7]. При пульсации пузырька под действием колебаний в фазе расширения увеличивается поверхность раздела фаз и толщина пленки на поверхности пузырька уменьшается. Акустическая турбулентность способствует тому, что утончение пленки происходит неравномерно по всей поверхности пузырька, в каком-то месте толщина поверхности становится критической и в ней образуется круглое отверстие. В результате расширения этого отверстия распространяется круговая волна. Скорость ее распространения, а следовательно, и скорость разрушения пузырька высока.
В последние годы эффективно используют УЗ колебания диапазона до 35 кГц. В основном здесь используются газоструйные излучатели. Результаты исследований показывают, что поверхность пенообразующей жидкости можно удержать без пены, если ее озвучивать при f = 6 - 11 кГц и J = 147 - 148 дБ.
Примеры:
- обеспенивание топлива реактивных самолетов при быстром подъеме; количество пены, разрушенной УЗ, составляет от 20 до 60 л/мин;
- разрушение бродильной пены (скорость образования пены без УЗ составляла 40 л/мин). Мощность излучателя ~ 60 - 100 Вт при интенсивности ~ 143 дБ.
Механизм пеногашения.
- Нарушение целостности пузырьков вследствие изменяющегося давления.
- Резонанс при совпадении собственных частот с частотой УЗ поля.
- Вихревое движение у поверхности пены.
Применение мощной низкочастотной сирены позволяет успешно бороться с пенообразованием на большой площади (до 2 м2). Для каждой пены существует оптимальная частота, зависящая от геометрических размеров пузырька и свойств пенообразующей жидкости.
Несмотря на высокую эффективность УЗ пеногашения, оно имеет два основных недостатка. Наиболее существенным недостатком такого гашения пены являются сравнительно большие затраты энергии, вызванные несовершенством конструкции излучателей УЗ колебаний. Вторым менее существенным недостатком является необходимость тщательной звукоизоляции аппаратов. Этот недостаток сегодня достаточно просто устраняем, благодаря наличию эффективных звукопоглощающих материалов. Даже несмотря на то, что расход энергии при УЗ гашении пены оказывается сравнимым с расходом энергии при ее механическом разрушении, часто применение УЗ гашения пены оказывается более целесообразным по конструктивным соображениям.
