Процессы распыления жидкостей

Современная наука делит аэрозоли на три больших класса. К первому классу относятся пыли, состоящие из твердых частиц различной формы в газовой среде. Это - порошки лекарственных веществ, сажа, пыль естественного происхождения. Ко второму классу относятся дымы, получаемые при конденсации взаимодействующих газов, например смеси аммиака и хлористого водорода, или при горении органических веществ, лекарственных трав, содержащих летучие ароматические или инсектицидные вещества. Форма частиц дымов сложна и многообразна (может быть и кристаллической в виде игл, квадратов и т.д.). Третий класс — туманы. Сюда относятся все системы с жидкими частицами — каплями, имеющими правильную сферическую форму, например аэрозоли растворов лекарственных веществ, применяемых ингаляционно. Свойство ультразвуковых колебаний большой интенсивности диспергировать жидкость в газовой среде широко применяется для получения различных аэрозолей, используемых в химико-фармацевтической промышленности [7]. Интенсивные тепло- и массообменные процессы, связанные с сушкой жидкостей и различных извлечений, нанесением тонких слоев лекарственных веществ (микродоз) или защитных слоев на грануляты, спансулы, таблетируемый материал, получением
монодисперсных гранул, распылением расплавов химических веществ, изготовлением мельчайших порошков и т.д., представляют собой процессы получения аэрозолей.

Ультразвуковое распыление жидкостей находит применение и в медицине для создания такой лекарственной формы, как лечебные аэрозоли [27]. Акустический способполучения аэрозолей имеет ряд преимуществ перед существующими — химическим (конденсационным) и механическим (дисперсионным), так как современная ультразвуковая распылительная аппаратура позволяет значительно интенсифицировать процесс, улучшить качество продукта, заменить громоздкие устройства более компактными. При этом при высокой концентрации аэрозоля получается монодисперсный и однородный по составу факел распыления с заданным размером частиц.
Механизм получения аэрозолей ультразвуком объясняется кавитационной и волновой теориями. Согласно первой теории, на границе жидкость—газ при достаточном количестве зародышей кавитации (включений газа, твердых частичек) происходит захлопывание кавитационных полостей. В жидкости возникают мощные гидравлические удары, которые дробят ее на мелкие капли. Согласно второй теории, аэрозоль образуется в результате того, что происходит отрыв тонких капиллярообразных гребней стоячих волн, возникающих на поверхности ультразвукового фонтана. На начало образования аэрозоля оказывают влияние изменение статического давления, температура, интенсивность ультразвука, величина порога кавитации распыляемой жидкости. Последнее, как и размеры капель, зависит от физико-химических свойств жидкости (поверхностное натяжение, вязкость, плотность, упругость насыщенного пара), акустических параметров используемых устройств (частота колебаний, амплитуда, площадь излучателя) и конструкции аппарата.
В химико-фармацевтическом производстве используются различные распылительные ультразвуковые устройства, позволяющие вести процесс распыления жидкостей и расплавов без газовых потоков и в среде инертных газов [21,27]. Это весьма важно для лекарственного сырья, химически лабильного, особенно в мелко-дисперсном состоянии, к кислороду воздуха. Лечебные аэрозоли обладают значительной полидисперсностью, что является причиной их седиментационной неустойчивости. Это приводит к тому, что, с одной стороны, наблюдается разная скорость оседания частиц, а с другой — быстрое испарение наиболее мелкой фракции. Плотность аэрозоля, полученного ультразвуковым методом, растете увеличением интенсивности ультразвуковой волны, что можно определить по расходу распыляемых растворов, определяемому гравиметрически, и по концентрации частиц в единице объема, достигающей 10³—10⁴ в 1 см³. С изменением частоты ультразвука в диапазоне 0,4-5,0 МГц размер частиц уменьшается. Так, при частоте 2 МГц размер полученных частиц составляет 6-7 мкм, при частоте 5 МГц — 2-3 мкм. С увеличением частоты ультразвука число поверхностных стоячих волн в фокальной области растет, на них формируются гребни (соответствующие по размерам определенным резонансным условиям), которые после наступления порога интенсивности отрываются от волны. Вместе с тем размеры возникающих волн и гребней, а в связи с этим и размеры капель зависят от физико-химических свойств распыляемых жидкостей (например, величины поверхностного натяжения, инертности массы).
Рассмотрим механизм ультразвукового распыления (диспергирования жидкой фазы).
Под действием УЗ колебаний жидкость переходит в аэрозольное состояние на границе раздела газовой и жидкой сред. Акустическая энергия может быть подведена к зоне диспергирования как со стороны жидкости, так и со стороны газа. Существует несколько возможных способов ультразвукового диспергирования жидкости:
1. Диспергирование жидкости с подведением акустической энергии к рабочей зоне через газ.
2. Диспергирование жидкости с подведением акустической энергии к рабочей зоне через жидкость:
а) диспергирование жидкости в фонтане (высокочастотные ультразвуковые колебания);
б) диспергирование жидкости в слое (низкочастотные УЗ колебания).
В случае диспергирования жидкости с подведением акустической энергии к рабочей зоне через жидкость различают диспергирование высокочастотными (1–3 МГц) и низкочастотными (22–200 кГц) УЗ колебаниями. Диспергирование жидкости высокочастотными колебаниями осуществляется направлением из глубины жидкости на ее поверхность пучка мощных высокочастотных УЗ волн. При этом на поверхности жидкости образуется УЗ фонтан. В верхней части фонтана происходит диспергирование жидкости с образованием тонкого и стойкого тумана. На сегодняшний день установлено, что диспергирование жидкости в фонтане происходит при помощи стоячих капиллярных волн, возбуждаемых на поверхности струи. Причиной их образования являются периодические гидравлические удары, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков. Диспергирование происходит в верхней части фонтана с образованием тонкого стойкого монодисперсного аэрозоля, размер капель которого составляет 2–10 мкм. Низкая производительность (не более 0,2 л/час) высокочастотного способа УЗ диспергирования и малый размер капель получающегося аэрозоля делают его практически не применимым в промышленности. Однако данный метод является незаменимым для применения в медицинских ингаляторах [28].
В случае диспергирования в слое на поверхности слоя жидкости образуются стоячие капиллярные волны [7]. С увеличением амплитуды колебаний поверхности амплитуда волн увеличивается, достигая предельной величины, при которой происходит отделение от них капель жидкости (рисунок 3.5).