Онлайн переводчик http://translate.meta.ua
поменять
По-русски

ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ВВЕДЕНИЕ

Для интенсификации технологических процессов применяют различные

физические факторы воздействия, в частности акустические колебания.

Изучением взаимодействия мощных акустических волн с веществом и возникающих при этом химических и физико-химических эффектов занимается звукохимия.

Изначально вопросы такого рода относились к одному из разделов

акустики, однако со временем данный раздел настолько разросся, что стал

самостоятельной областью науки, из которого в свою очередь, выделились

молекулярная акустика и квантовая акустика.

Молекулярная акустика изучает взаимодействие слабых акустических волн

с веществом, которое обычно не приводит к химическим реакциям в среде.

Взаимодействие звуковых квантов – фононов – друг с другом, с ядрами

атомов и с электронами является объектом исследования квантовой акустики.

Акустические колебания с частотой выше 20 кГц условно принято называть

ультразвуковыми, от 15 Гц до 20 кГц – звуковыми, а ниже 15 Гц –

инфразвуковыми.

В молекулярной акустике используют гиперзвуковые колебания с частотой

выше 1 гГц, однако, в звукохимии их не применяют.

Химическое действие акустических колебаний отличается большим

разнообразием. Звуковые и ультразвуковые волны могут ускорять некоторые

химические реакции за счет:

- эмульгирования некоторых жидких компонентов;

- диспергирования твердых компонентов реакции или катализаторов;

- дегазации, предотвращения осаждения или коагуляции продуктов

реакции;

- интенсивного перемешивания и т.д.

Но действие ультразвука, например, на катализаторы нельзя сводить

только к тривиальному диспергированию. При определенных условиях

обнаруживается повышение активности катализаторов; природа этих эффектов

пока недостаточно ясна.

Одной из основных задач звукохимии является исследование химических

реакций, возникающих под действием акустических колебаний (звукохимических реакций), которые в отсутствии акустических волн не идут, или идут, но медленно. Поэтому главное внимание уделяется звукохимическим реакциям.

КЛАССИФИКАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЕАКЦИЙ

Необходимость классификации ультразвуковых колебаний очевидна.

Известно два типа химического действия акустических колебаний. Отсюда

выделяют два типа ультразвуковых реакцій:

- к первому относятся реакции,которые ускоряются в ультразвуковом поле, но могут протекать и в его отсутствие с меньшей скоростью. К этой группе эффектов можно отнести ускорение гидролиза диметилсульфата и персульфата калия, разложение диазосоединений, ускорение эмульсионной полимеризации, окисление альдегидов, изменение активности катализаторов, например, катализаторов Циглера в процессе полимеризации.

- ко второй группе эффектов относятся реакции, которые без воздействия

ультразвуковых колебаний не протекают совсем. Реакции этого типа в

зависимости от механизма первичных и вторичных элементарных процессов, можно разделить на следующие шесть классов:

1) Окислительно-восстановительные реакции, которые идут в жидкой

фазе между растворенными веществами и продуктами

ультразвукового расщепления воды, возникающими в кавитационных

пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания;

2) Реакции между растворенными газами и веществами с высокой

упругостью пара внутри кавитационных пузырьков (эти реакции не

могут осуществляться в растворе при воздействии радикальных

продуктов расщепления воды);

3) Цепные реакции в растворе, которые индуцируются не

радикальными продуктами расщепления, а каким либо другим

веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в

кавитационной полости;

4) Реакции с участием макромолекул, например, деструкция молекул

полимера и инициированная его полимеризации, которые могут

идти и при отсутствии кавитации. В этом случае значительную

роль могут играть высокие градиенты скоростей и ускорения,

возникающие под действием ультразвука, микропотоки;

5) Инициирование взрыва в жидких или твердых взрывчатых

веществах. Для этих процессов весьма важно возникновение

ударных волн и высокиих температур при схлопывании

кавитационных пузырьков, а также возможных кумулятивных струй;

6) Звукохимические реакции в неводных средах

КАВИТАЦИЯ

Инициирование большинства звукохимических реакций в водном растворе

под действием акустических колебаний обусловлено возникновением кавитации.

Кавитация это нарушение сплошности жидкости, связанное с образованием,

ростом, осцилированием и схлопыванием парогазовых пузырьков в жидкости.

Необходимо отметить, что сплошность среды нарушается только при достижении некой пороговой частоты звуковых колебаний.

Очевидно, что лишь часть энергии ультразвуковых волн,

распространяющихся в жидкости, расходуется на образование кавитационных

пузырьков.

Остальная часть идет на возникновение микропотоков, нагревание

жидкости, образование фонтана и распыление жидкости.

Энергия схлопывающихся пузырьков расходуется на излучение ударных

волн, на локальный нагрев газа, содержащегося в сжимающихся кавитационных

полостях, на возбуждение сонолюминисценции, на образование свободных

радикалов, а также на создание шума .

Но необходимость оценки энергетического выхода ультразвуковых реакций

назрела уже давно.

ВЛИЯНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Несмотря на широкое распространение сорбционных процессов в

современной химической технологии, их применение в целом ряде процессов

ограничено из-за недостаточно высокой емкости сорбентов или же из-за

длительности их насыщения.

В многих работах показано, что использование колебаний акустических

колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность

насыщения сорбента, а в некоторых случаях и увеличить его емкость.

Наиболее характерным примером ускорения сорбции при воздействии

акустических колебаний является процесс абсорбции газа жидкостью. Известно,

что в этом процессе при соприкосновении жидкости и газа на поверхности

раздела обеих фаз образуется жидкостная и газовая пленки. Растворимый

компонент газовой смеси диффундирует сквозь газовую пленку, обедненную этим компонентом. Эти пленки на границе раздела фаз создают большое диффузионное сопротивление и, как следствие этого, замедляют протекающий

По-украински

ЗВУКОВІ КОЛИВАННЯ В ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

ВСТУП

Для інтенсифікації технологічних процесів застосовують різні

фізичні чинники дії, зокрема акустичні коливання.

Вивченням взаємодії потужних акустичних хвиль з речовиною і хімічних і фізико-хімічних ефектів, що виникають при цьому, займається звукохимия.

Спочатку питання такого роду відносилися до одного з розділів

акустики, проте з часом цей розділ настільки розрісся, що став

самостійною галуззю науки, з якого у свою чергу, виділилися

молекулярна акустика і квантова акустика.

Молекулярна акустика вивчає взаємодію слабких акустичних хвиль

з речовиною, яка зазвичай не призводить до хімічних реакцій в середовищі.

Взаємодія звукових квантів - фононів - один з одним, з ядрами

атомів і з електронами є об'єктом дослідження квантової акустики.

Акустичні коливання з частотою вище 20 кГц умовно прийнято називати

ультразвуковими, від 15 Гц до 20 кГц - звуковими, а нижче 15 Гц -

інфразвуковими.

У молекулярній акустиці використовують гіперзвукові коливання з частотою

вище 1 гГц, проте, в звукохимии їх не застосовують.

Хімічна дія акустичних коливань відрізняється великою

різноманітністю. Звукові і ультразвукові хвилі можуть прискорювати деякі

хімічні реакції за рахунок:

- емульгування деяких рідких компонентів;

- диспергування твердих компонентів реакції або каталізаторів;

- дегазації, запобігання осадженню або коагуляції продуктів

реакції;

- інтенсивного перемішування і так далі

Але дія ультразвуку, наприклад, на каталізатори не можна зводити

тільки до тривіального диспергування. За певних умов

виявляється підвищення активності каталізаторів; природа цих ефектів

поки недостатньо ясна.

Одним з основних завдань звукохимии є дослідження хімічних

реакцій, що виникають під дією акустичних коливань (звукохимических реакцій), які у відсутності акустичних хвиль не йдуть, або йдуть, але повільно. Тому головна увага приділяється звукохимическим реакціям.

КЛАСИФІКАЦІЯ УЛЬТРАЗВУКОВИХ РЕАКЦІЙ

Необхідність класифікації ультразвукових коливань очевидна.

Відомий два типи хімічної дії акустичних коливань. Звідси

виділяють два типи ультразвукових реакцій :

- до першого відносяться реакції, які прискорюються в ультразвуковому полі, але можуть протікати і в його відсутність з меншою швидкістю. До цієї групи ефектів можна віднести прискорення гідролізу диметилсульфата і персульфату калію, розкладання діазосполук, прискорення емульсивної полімеризації, окислення альдегідів, зміна активності каталізаторів, наприклад, каталізаторів Циглера в процесі полімеризації.

- до другої групи ефектів відносяться реакції, які без дії

ультразвукових коливань не протікають зовсім. Реакції цього типу в

залежності від механізму первинних і вторинних елементарних процесів, можна розділити на наступні шість класів:

1) Окислювально-відновні реакції, які йдуть в рідкій

фазі між розчиненими речовинами і продуктами

ультразвукового розщеплювання води, що виникають в кавітаціях

бульбашках і що переходять в розчин після їх згортання;

2) Реакції між розчиненими газами і речовинами з високою

пружністю пари усередині бульбашок (кавітацій ці реакції не

можуть здійснюватися в розчині при дії радикальних

продуктів розщеплювання води);

3) Ланцюгових реакції в розчині, яка індукується не

радикальними продуктами розщеплювання, а яким або іншим

речовиною, що присутньою в системі і розщеплюється в

порожнині кавітації;

4) Реакції за участю макромолекул, наприклад, деструкція молекул

полімеру і ініційована його полімеризації, які можуть

йти і за відсутності кавітації. В цьому випадку значну

роль можуть грати високі градієнти швидкостей і прискорення

що виникають під дією ультразвуку, мікропотоки;

5) Ініціація вибуху в рідких або твердих вибухових

речовинах. Для цих процесів дуже важливе виникнення

ударних хвиль і высокиих температур при згортанні

бульбашок кавітацій, а також можливих кумулятивних струменів;

6) Звукохимические реакцій в неводних середовищах

КАВІТАЦІЯ

Ініціація більшості звукохимических реакцій у водному розчині

під дією акустичних коливань обумовлено виникненням кавітації.

Кавітація це порушення сплошности рідини, пов'язане з освітою

ростом, осцилированием і згортанням парогазових бульбашок в рідині.

Необхідно відмітити, що сплошность середовища порушується тільки досягши деякої порогової частоти звукових коливань.

Очевидно, що лише частина енергії ультразвукових хвиль

що поширюються в рідині, витрачається на утворення кавітацій

бульбашок.

Інша частина йде на виникнення мікропотоків, нагрівання

рідини, утворення фонтану і розпиляло рідини.

Енергія бульбашок, що згортаються, витрачається на випромінювання ударних

хвиль, на локальний нагрів газу, що міститься в кавітаціях, що стискаються

порожнинах, на збудження сонолюминисценции, на утворення вільних

радикалів, а також на створення шуму .

Але необхідність оцінки енергетичного виходу ультразвукових реакцій

назріла вже давно.

ВПЛИВ АКУСТИЧНИХ КОЛИВАНЬ НА СОРБЦІЙНІ ПРОЦЕСИ

Незважаючи на широке поширення сорбційних процесів в

сучасній хімічній технології, їх застосування в цілому ряду процесів

обмежено із-за недостатньо високої місткості сорбентів або ж із-за

тривалість їх насичення.

У багатьох роботах показано, що використання коливань акустичних

коливань в процесах сорбції дозволяє різко скоротити тривалість

насичення сорбенту, а в деяких випадках і збільшити його місткість.

Найбільш характерним прикладом прискорення сорбції при дії

акустичних коливань являється процес абсорбції газу рідиною. Відомо

що в цьому процесі при зіткненні рідини і газу на поверхні

розділу обох фаз утворюється рідинна і газова плівки. Розчинний

компонент газової суміші дифундує крізь газову плівку, збіднену цим компонентом. Ці плівки на межі розділу фаз створюють великий дифузійний опір і, як наслідок цього, уповільнюють той, що протікає