CC BY
40
УДК 622.363
И.С. Потапов, В.З. Пойлов, Н.А. Клейн
Пермский государственный технический университет
УДАЛЕНИЕ ИНКРУСТАЦИЙ ХЛОРИДА КАЛИЯ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
Установлено воздействие ультразвуковых волн на удаление солевых отложений КС1 с поверхности металла в присутствии жидкой фазы и без нее. В присутствии жидкой фазы в налипшем слое соли очищение поверхности происходит с большей скоростью и эффективностью. Выявлено, что повышение эффективности процесса удаления инкрустаций при смачивании слоя отложения соли КС1 происходит за счет диспергации жидкой фазы, находящейся на границе раздела фаз Ж-Т.
В крупнотоннажных солевых производствах, особенно в галур-гической технологии производства хлорида калия, существует серьезная проблема удаления инкрустаций (налипания) соли с внутренних поверхностей трубопроводов и вакуум-кристаллизационных установок. В настоящее время для удаления инкрустаций ежесменно останавливают процесс и производят промывку оборудования. Это приводит к снижению производительности фабрик и качества готового продукта. В связи с этим представляет практический интерес исследование и разработка способа снижения или предотвращения налипания хлорида калия на внутренние поверхности.
Патентно-информационнные исследования показали, что в настоящее время в калийной промышленности кроме промывки не существует приемлемых способов борьбы с инкрустациями [1-4]. Поиск аналогов в других областях промышленности показал, что для снижения адгезии применяются кремнийорганические покрытия [5] и покрытия на основе полимеров фторэтилена или его сополимеров с фторхло-рэтиленом, фторпропиленом и др. с применением различных органических и неорганических добавок [6-9]. Также одним из перспективных методов для удаления минеральных отложений и иных загрязнений является воздействие ультразвука на очищаемую поверхность. Предложенные в литературных источниках методы можно разделить на три типа:
1) способы, включающие в себя воздействие на обрабатываемую поверхность струей жидкости, активированной ультразвуковыми волнами [10];
2) обработка загрязненной поверхности в полом аппарате, заполненном жидкостью, стенки которого являются излучателями ультразвуковых волн [11];
3) обработка загрязненной поверхности в полом аппарате, заполненном жидкостью, в которую помещен экспоненциальный источник ультразвуковых волн [12].
Очистка поверхности ультразвуком в жидкой фазе осуществляется за счет кавитации. Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую за счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, и акустическую кавитацию, возникающую при прохождении через жидкость акустических колебаний.
Акустическая кавитация в жидкостях инициирует различные физико-химические явления: соннолюминесценцию; химические эффекты; эрозию твердого тела; диспергирование и эмульгирование. Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. Процесс возникновения кавитационных пузырьков является цепной реакцией. Кавитация, возникшая на единичном зародыше, за время в несколько десятков периодов ультразвуковых колебаний развивается в стабильную область, состоящую из множества кавитационных пузырьков [13].
Общая картина образования кавитационного пузырька представляется в следующем виде. В фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стенки полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию.
В момент схлопывания давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 1000 °С). После схлопывания полости в окружающей жидкости распространяет-
ся сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве. Под схлопыванием полости понимают уменьшение радиуса полости Я до минимального ЯШт, ее деформацию и распад на несколько пузырьков. Чтобы в жидкости образовалась полость, необходимо раздвинуть ее соседние молекулы на расстояние не менее удвоенной длины промежутка между ними. Жидкость может выдерживать максимальное растягивающее напряжение, рассчитываемое по формуле
Р - 2о/Я,
где о - поверхностное натяжение жидкости; Я - радиус пузырька.
Существует нелинейная зависимость между частотой акустической волны и пороговым давлением, при котором возникает кавитация. Пороговым давлением называется значение амплитуды акустического давления, вызывающего расширение зародыша до критического размера, после которого он начинает расти взрывообразно. Чем ниже частота акустической волны, тем ниже пороговое давление. Кавитационная область представляет собой своеобразный трансформатор мощности, в котором сравнительно медленно накапливаемая энергия освобождается в течение очень короткого времени, в результате чего мгновенная мощность во много раз превосходит среднюю, вводимую излучателем в кавитационную область.
Эрозия твердого тела (разрушение поверхности), очистка поверхностей, удаление заусенцев и микронеровностей, диспергирование твердых частиц и эмульгирование осуществляются, в основном, двумя характерными проявлениями кавитации: ударными волнами и кумулятивными струйками, образующимися при схлопывании кавитационных пузырьков.
На поверхностях частиц и твердых тел имеются концентраторы напряжений в виде микротрещин, неровностей поверхности и т.п., на которых образуются зародыши кавитации. Под действием звукокапиллярного эффекта и интенсивных микропотоков жидкость проникает в поры и трещины, где при захлопывании кавитационных пузырьков возникает мощная ударная волна, способствующая разрушению материалов. Кумулятивные струйки разрушают поверхность твердого тела за счет кинетической энергии жидкости. Мелкие частицы твердого тела, размеры которых соизмеримы с поперечным сечением кумулятивных струй, увлекаются ими и дают дополнительный вклад в процесс разрушения твердых частиц, находящихся в жидкости [13].
Возможность использования ультразвуковых колебаний для удаления отложений хлорида калия на металлических поверхностях не изучена. Таким образом, представляет практический интерес исследование данного процесса.
Цель настоящей работы - исследование влияния ультразвуковой обработки и типа аппарата на эффективность удаления с металлических поверхностей инкрустаций хлорида калия. Для достижения поставленной цели необходимо было определить влияние длительности УЗ-обработки и типа аппарата (цилиндрического, стенки которого являлись излучателями УЗ-волн, и экспоненциального, погружаемого в рабочую среду) на эффективность удаления инкрустаций КС1.
Исследования проводили с использованием ультразвукового низкочастотного диспергатора УЗДН-1. Для охлаждения экспоненциального источника ультразвуковых волн использовали циркулирующую холодную воду, для поддержания постоянного температурного режима в рубашку цилиндрического источника и реактора с погружным экспоненциальным источником УЗ-обработки подавали воду, предварительно нагретую в термостате (Т = 25 °С).
На первом этапе исследования сравнивали эффективность удаления отложений хлорида калия в присутствии жидкой фазы и без нее. Для этого закристаллизовывали поверхность излучающей головки экспоненциального аппарата путем испарения насыщенного раствора хлорида. Затем подвергали налипший слой воздействию УЗ-колебаний. В одном из опытов воздействию подвергали сухой слой соли КС1, в другом - смоченный насыщенным раствором хлорида калия. Результаты опытов представлены на рис. 1, 2.
Рис. 1. Инкрустация КС1 без жидкой фазы: а - до УЗ-обработки; б - после УЗ-обработки
а б
Рис. 2. Инкрустация КС1 с введением жидкой фазы: а - до УЗ-обработки; б - после УЗ-обработки
Как видно на приведенных рисунках, смачивание слоя инкрустаций КС1 насыщенным раствором позволяет добиться полного очищения поверхности за 1 с, в то время как степень очистки металлической поверхности от сухого слоя КС1 мала (на поверхности остаются островки инкрустаций), и длительность проведения процесса составляла 150 с.
Для объяснения полученных результатов был проведен эксперимент, в котором на излучатель помещали каплю насыщенного раствора хлорида калия и производили УЗ-обработку путем медленного наращивания мощности ультразвукового излучения. Результаты опыта представлены на рис. 3.
а б в
Рис. 3. Вид капли раствора КС1: а - без УЗ-обработки; б - при УЗ-обработке средней мощности; в - при УЗ-обработке высокой мощности
Как видно на приведенных рисунках, в начальный момент без УЗ-обработки капля насыщенного раствора имеет сферическую поверхность на границе с воздухом, что обусловлено силами поверхностного натяжения. При воздействии ультразвуковых волн средней мощности капле сообщается дополнительная энергия и она начинает расте-
каться по поверхности, а при максимальной мощности излучения происходит полное диспергирование жидкости и переход в парообразное состояние. Процесс диспергирования занимает доли секунды.
Проведенный эксперимент показал, что повышение эффективности УЗ-обработки процесса удаления инкрустаций при смачивании слоя отложения соли КС 1 происходит за счет диспергации жидкой фазы, находящейся на границе раздела фаз Ж-Т. В результате происходит быстрый переход слоя жидкой фазы в паровую, что создает высокий градиент давления и отрывает закристаллизованный слой КС1 от поверхности металла.
На втором этапе исследований проводили очистку металлических поверхностей от слоя хлорида калия в объеме реактора с установленными в нем инкрустированными солью КС1 металлическими пластинами. Для получения закристаллизованной поверхности использовали предварительно механически очищенные, обезжиренные металлические пластины определенной массы с определенной площадью поверхности, которые помещали в насыщенный раствор хлорида калия. По мере испарения жидкости на поверхности пластин вырастал слой кристаллов. После этого пластины взвешивали, определяя массу инкрустаций КС1, а также замеряли площадь закристаллизованной поверхности.
Методика эксперимента заключалась в следующем: пластины с нанесенным слоем кристаллов хлорида калия помещали в цилиндрический аппарат или термостатируемый реактор, заполненный насыщенным раствором хлорида калия, и в течение определенного времени (10, 30, 60, 90 с) подвергали их УЗ-обработке. В цилиндрическом аппарате УЗ-излучение передавалось через стенки аппарата, а в реакторе источником УЗ-волн служил погружной экспоненциальный излучатель. Контрольный опыт состоял в том, что инкрустированную пластину помещали в насыщенный раствор хлорида калия и выдерживали определенное время без УЗ-обработки. Эффективность процесса оценивали по массе удаленного хлорида калия и освобожденной от инкрустаций поверхности. Полученные данные приведены на рис. 4.
На рис. 4 видно, что воздействие ультразвуковых волн положительно влияет на удаление солевой инкрустации КС1, причем использование цилиндрического аппарата эффективнее, чем погружного экспоненциального. С увеличением продолжительности проведения процесса с 10 до 90 с эффективность очистки значительно увеличивается.
Так, после 10 с обработки она составляла для экспоненциального и цилиндрического аппаратов 6,7 и 23,9 %, а при увеличении длительности до 90 с степень очистки поднялась до 82,1 и 98,7 % соответственно.
120
100
£
§ 80 н
1 60
I 40 6 20
о
10 30 60 90
Длительность, с
—цилиндрический —а— экспоненциальный
Рис. 4. Зависимость степени очистки металлической поверхности от длительности УЗ-обработки и типа аппарата УЗ-обработки
Выводы:
1. Установлено, что воздействие ультразвуковых волн на солевые отложения КС 1 приводит к очищению поверхности от слоя хлорида калия, как в присутствии жидкой фазы, так и без нее. В присутствии жидкой фазы в налипшем слое соли очищение поверхности происходит с большей скоростью и эффективностью.
2. Выявлено, что повышение эффективности УЗ-обработки процесса удаления инкрустаций при смачивании слоя отложения соли КС1 происходит за счет диспергации жидкой фазы, находящейся на границе раздела фаз Ж-Т. В результате происходит быстрый переход слоя жидкой фазы в паровую, что создает высокий градиент давления и отрывает закристаллизованный слой КС1 от поверхности металла.
3. Для удаления налипшего слоя хлорида с металлической поверхности могут применяться экспоненциальные или цилиндрические аппараты ультразвуковых волн. При этом степень очистки металлических поверхностей за 90 с составляет 80-100 %.
Список литературы
1. Пат. 2301698 РФ, МПК B01D1/12. Выпарной аппарат-кристаллизатор/ Васильев В.И. [и др.]. Опубл. 27.06.2007.
2. Пат. 1777268 РФ, МПК B01D9/02. Аппарат для кристаллизации растворов/ Ронкин В.М., Левераш В.И. Опубл. 10.04.1996.
3. Пат. 1457200 РФ, МПК B01D9/02. Кристаллизатор/ Гонион-ский В.Ц., Ронкин В.М., Левераш В.И. Опубл. 10.06.1996.
4. Пат. 1352699 РФ, МПК B01D9/02. Аппарат для кристаллизации/ Ковзель В.М. [и др.]. Опубл. 20.01.1995.
5. Заявка 92002044/05 РФ, МПК B29C33/64; C09D183/06. Способ получения кремнийорганического антиадгезионного покрытия холодного отверждения/ Лотарев М.Б. [и др.]. Опубл. 10.05.1996.
6. Заявка 94030570/04 РФ, МПК C09D5/08; C08J5/16. Композиция для получения антипригарного, антиадгезионного, антикоррозионного покрытия способом гетероадагуляции/ Беспалова Ж.И., Мамаев С. А. Опубл. 20.06.1996.
7. Пат. 2202576 РФ, МПК C09D5/08; C09D127/18. Композиция для получения антикоррозионного, антиадгезионного, антипригарного покрытия способом автофореза/ Беспалова Ж.И. [и др.]. Опубл. 20.04.2003.
8. Пат. 2070444 РФ, МПК B05D1/38; C09D127/16; C09D127/18; C09D127/20; C09D127/24. Способ получения фторопластового покрытия на металлической поверхности / Демин В.Ю., Раховский В.И. Опубл. 20.12.1996.
9. Пат. 6863974 США, МПК B05D5/08; B05D7/00; C09D127/18; C09D127/12; C08L81/04. Multilayer non-stick coating/ Shah [et al.]. Опубл. 08.03.2005.
10. Пат. 2118575 РФ, МПК B08B3/12. Способ обработки загрязненных поверхностей/ Некрасов С.Г. [и др.]. Опубл. 10.09.1998.
11. Заявка 20080029132 США, МПК B08B3/12; B08B003/12; H01L41/09; H01L041/09. Ultrasonic cleaning apparatus/ Sakurai; Naoaki; [et al.]. Опубл. 07.02.2008.
12. Пат. 2184625 РФ, МПК B08B3/12. Устройство для ультразвуковой очистки/ Корнев Н.П., Поваренкин Н.Н., Соломаха В.Н. Опубл. 10.07.2002.
13. Промтов М. А. Кавитация. 2006 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tstu.ru/r.php?r=structure.kafedra&sort=&id=3
Получено 17.06.2009
