CC BY
2СН600 (лучшие значения электропроводности). Установлено, что применение других марок также допустимо. Концентрация ТУ в композите должна составлять для марок С140 не менее 12 мас. %, а для СН600 - не менее 11 мас.%. Исследования влияния пластифицирующей добавки на ПТР композитов, выполненное на примере композитов состава ПЭ2НТ74-15 + 20 мас. % С140, показало, что химическая структура пластификатора практически не оказывает влияние на значения исследуемого показателя, допустимо использовать как ДБС, так и ДОС.
Таким образом, можно варьировать содержанием компонентов разрабатываемых электропроводящих композитов в допустимых пределах, и при необходимости подобрать материал с учетом особенностей используемого технологического оборудования, которое будет применяться для изготовления итоговой продукции.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (рег. № 122011100162-9) с использованием
научного оборудования Центра коллективного пользования ФИЦ ЯНЦ СО РАН Также авторы выражают благодарность ООО «Омсктехуглерод» и АО «Саханефтегазсбыт»
за любезно предоставленные материалы.
УДК 534-8
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-164-166
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА МЕЖФАЗНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ «ГАЗ-ЖИДКОСТЬ»
В ХОДЕ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ АЭРАЦИИ
Барсуков А.Р.1, Голых Р.Н. 1, Хмелёв В.Н.1, Карра Ж.-Б.2, Маняхин И.А.1 1 Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный
технический университет им. И.И. Ползунова», г. Бийск 2Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск
E-mail: barsukov.ar@bti.secna.ru
Аннотация. В статье рассматривается влияние ультразвуковых колебаний на межфазную поверхность «газ-жидкость» в процессе принудительной аэрации. Показано, что применение ультразвука приводит к значительному увеличению эффективности массопереносных процессов за счёт увеличения межфазной поверхности и ускорения диффузии. Исследованы механизмы интенсификации, такие как формирование капиллярных волн и измельчение пузырьков газа, которые реализуются при разных частотах ультразвуковых колебаний. Представлены результаты работы экспериментального стенда для изучения структуры и размеров межфазной поверхности под воздействием ультразвука. Результаты экспериментов подтверждают значительное увеличение межфазной поверхности и, как следствие, повышение скорости массопереноса, что открывает новые перспективы для применения ультразвуковых технологий в промышленности.
Ключевые слова: ультразвук, кавитация, межфазная поверхность «газ-жидкость», аэрация, интенсификация массообменных процессов.
Системы «газ-жидкость» являются основой многих технологических процессов в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности. Массообменные процессы в этих системах играют ключевую роль в абсорбции, обогащении, дегазации и других процессах. Важность повышения эффективности этих процессов обуславливает необходимость поиска и внедрения инновационных методов интенсификации. Одним из наиболее перспективных методов является использование ультразвуковых колебаний.
Современные исследования показывают, что ультразвуковое воздействие способствует значительному увеличению межфазной поверхности «газ-жидкость», что, в свою очередь, интенсифицирует процессы массопереноса. Ключевым фактором является кавитационный эф-
фект, возникающий при ультразвуковом воздействии, который приводит к ускорению диффузии за счет насыщения жидкости газовыми пузырьками и увеличению межфазной поверхности благодаря формированию стационарных поверхностных волн.
Ранние исследования абсорбции паров бензола поглотительным маслом при ультразвуковом воздействии [ 1 ] показали, что скорость абсорбции значительно увеличивается при воздействии ультразвука. Современные исследования, например, [2] подтверждают эти результаты. В данной работе зафиксировано увеличение скорости массопереноса на 40% при облучении среды ультразвуком частотой 22,0 кГц.
Эксперименты, проведенные в работе [3] с использованием метилдиэтаноламина и при воздействии ультразвука, показали, что высокочастотное ультразвуковое облучение позволяет достичь в 25 раз более высокую скорость абсорбции. Однако, несмотря на значительные достижения, проблема медленной диффузии газа в жидкой фазе остается актуальной.
Исследования ультразвуковой дегазации [4] позволили выявить серьёзный недостаток данного технологического процесса - предельная минимальная остаточная концентрация газа в жидкой фазе не достигает нуля, что является значительной проблемой при применении ультразвуковых методов.
Интенсификации массообменных процессов в системах «газ-жидкость» в ходе принудительной аэрации становится возможной благодаря следующим механизмам.
1) Формирование капиллярных волн. Данный механизм интенсификации предполагает формирование периодических капиллярных волн на межфазной границе «газ-жидкость». Эти волны образуются под действием ударных волн, возникающих при схлопывании кавитацион-ных пузырьков, и могут быть реализованы с использованием ультразвука высокой частоты.
2) Измельчение пузырьков. Данный механизм основан на отрыве измельчённых пузырьков от поверхности барботажных пузырьков, что приводит к увеличению удельной межфазной поверхности. Мелкие пузырьки обладают большей суммарной поверхностью по сравнению с крупными пузырьками, что ускоряет процесс массопереноса. Помимо этого, ультразвуковое воздействие может разрушать уже существующие крупные пузырьки на более мелкие, что также способствует увеличению межфазной поверхности. Этот механизм может быть реализован с использованием ультразвука низкой частоты.
Для практической реализации предложенных механизмов предлагается использование двух установленных друг напротив друга излучателей с оптимальными режимами работы по частоте и интенсивности воздействия. Оптимальные режимы работы и последующая практическая реализация требуют проведения численного моделирования, для которого предлагается использовать метод решеточных уравнений Больцмана.
Так, был разработан стенд для экспериментальных исследований структуры и размеров межфазной поверхности «газ-жидкость» при ультразвуковом воздействии и принудительной аэрации. Стенд позволяет отслеживать изменение формы и размеров межфазной поверхности в течение каждого периода ультразвуковых колебаний.
В ходе экспериментов сначала производилась фокусировка камеры скоростной киносъёмки на барботажных пузырьках вблизи центрального канала насадки. Для этого использовался трёхкоординатный механизм перемещения камеры, обеспечивающий точность позиционирования до 0,01 мм.
При воздействии ультразвука применялась высокая частота кадров, что позволяло получать не менее 10 кадров на один период ультразвуковых колебаний, чтобы отслеживать изменения межфазной поверхности в течение четверти периода. Поскольку частота кадров не была кратной частоте ультразвуковых колебаний, число различных фаз колебаний, заснятых в процессе, превышало 10 за время регистрации последовательности кадров (во время ультразвукового воздействия записывалось более 209000 кадров за один эксперимент).
В результате экспериментов было установлено, что в режиме вырожденной кавитации амплитуда поверхностных волн сопоставима с их длиной, что обеспечивает значительное увеличение межфазной поверхности (рис. 1).
Рисунок 1 - Зависимость относительного увеличения межфазной поверхности от интенсивности
ультразвука (вблизи излучающей поверхности)
Таким образом, использование ультразвука в системах «газ-жидкость» открывает новые возможности для интенсификации технологических процессов. Увеличение межфазной поверхности за счет формирования капиллярных волн и дробления пузырьков газа под действием ультразвуковых колебаний приводит к значительному улучшению показателей массо-переноса. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят разработать оптимальные методики и технические решения для широкого применения ультразвуковых технологий в различных промышленных секторах. Например, применение ультразвука в процессе аэрации может служить для очистки сточных вод, где необходимо увеличить содержание кислорода в воде для ускорения процессов биодеградации органических веществ.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-12-00278,
https://rscf.ru/project/23 -12-00278/
Список литературы
1. Мальцев Н.Н. Абсорбция бензола и возможность ее интенсификации воздействием ультразвука: автореферат дис. ... канд. техн. наук. Днепропетровск: Днепропетровский химико-технологический институт им. Ф. Э. Дзержинского, 1956. 13 с.
2. Свиридов Д.П., Камаев А.С. Влияние ультразвука на массоотдачу в жидкой фазе при свободном всплытии пузырька газа // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2013. Том 2, № 5. С. 57-61.
3. Shokrollahi F. The influence of acoustic power on chemical absorption of CO 2 using slow kinetic solvent // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 287. DOI: 10.1051/e3sconf/202128701002.
4. Капустина О.А. О кинетике процесса ультразвуковой дегазации жидкости // Акустический журнал. Том 10, № 4. С. 440-443.
