Ультразвуковой способ распыления основан

Ультразвуковое распыление

Формирование частиц жидкостей малого размера, с заданным распределением по размерам и параметрам формируемого факела распыла позволяет решать различные проблемы высокотехнологичных отраслей промышленности.

Для её решения на практике применяются различные способы распыления: гидравлический, механический, пневматический, электростатический и ультразвуковой. Диспергирование жидких сред за счет ультразвуковых колебаний наряду с возможностью мелкодисперсного и монодисперсного распыления характеризуется низкой энергоемкостью, высокой производительностью, отсутствием распылительных агентов (газов) и возможностью нанесения высоковязких жидкостей без предварительного снижения их вязкости растворителями.

В радиоэлектронной промышленности технологии распыления жидкостей применяются для нанесения паяльных флюсов, покрытий на печатные платы и др. В других отраслях промышленности это распыливание отработанных масел для диагностики двигателей, нанесение самоочищающихся покрытий (например, на стекла); ароматических, вкусовых и смазочных покрытий; различных растворителей и клеев и т.п. Ультразвуковое распыление позволяет получать и обеспечивать равномерное распределение наноматериалов в виде покрытий.

Ультразвуковое распыление жидкостей в медицинской практике используется для создания ингибирующих покрытий на стенты, напыления лекарственных составов и эфирных масел, дезинфекции помещений, техники и инструмента. Также оно может использоваться для профилактики инфекционных заболеваний в детских садах, школах, гостиницах, общежитиях, для борьбы с инфекциями и террористическими актами в аэропортах, на вокзалах, в местах массового скопления людей, при проведении мероприятий по борьбе с насекомыми.

Изменение резонансной частоты и мощности позволяет изменять размер формируемых капель, что позволяет широко применять такой способ распыления (ингаляторы, распыление топлива, сушка растворов и т.п.).

Вопросам распыления жидкостей посвящена монография «Ультразвук. Распыление жидкостей»
В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, А.В. Шалунова

Выбор аппарата определяется необходимой Вам производительностью, вязкостью распыляемой жидкости, средним диаметром формируемых капель, необходимой формой факела распыления.

Наша компания исследовала процессы распыления, выявила механизмы формирования частиц заданного размера, распределения и формирования требуемого факела, поэтому предлагает широкий спектр ультразвуковых аппаратов и принадлежностей к ним для ультразвукового распыления жидких и жидко-дисперсных сред различной вязкости:

2) Ультразвуковые аппараты серии «ТУМАН-В» , предназначены для высокочастотного мелкодисперсного распыления (формирование частиц размером менее 20 мкм).

3) Ультразвуковые аппараты серии «ТУМАН-ПВ» с двойным распылением, предназначены для распыления особовязких жидкостей.

1) Ультразвуковые аппараты серии «ТУМАН-Н» различных моделей (модификаций), работающие на разных частотах ультразвукового воздействия предназначены для распыления широкого класса жидкостей при необходимости формирования частиц различных размеров (средний размер от 30 до 80 мкм).
УЗР-0,15/22-О	УЗР-0,1/35-ОСв	УЗР-0,15/44-ОМ	УЗР-0,1/44-О
УЗР-0,1/130-ОМв
УЗР-0,1/22-ОВв

659305, г. Бийск, ул. Трофимова 27, корп. Б, каб. 101-1

Источник

Ускорение процессов в жидкостях

Ультразвук применяют для ускорения и интенсификации физико-химических процессов в жидкостях. В ультразвуковом поле возникает кавитация [1] , акустические течения и другие эффекты, способствующие быстрому перемешиванию жидкостей и соприкасающихся с ними твёрдых частиц. Размываются пограничные слои между разными жидкостями и между жидкостями и твёрдыми веществами, а процессы, идущие в этих слоях, существенно ускоряются.

Экстракция растительного сырья — отдельная сложная технология, использующая описанные здесь процессы.

Растворение

Растворение твёрдых тел — это гетерогенное физико-химическое взаимодействие твёрдого тела и жидкости, сопровождающееся переходом твёрдой фазы в раствор. Растворами называются гомогенные (т. е. однородные) смеси двух или более веществ. Наиболее распространенное агрегатное состояние растворов — жидкое.

Ультразвук применяют для ускорения растворения веществ. При этом наблюдается снижение доли осадка, идёт процесс растворения труднорастворимых веществ. Ультразвук позволяет не применять специальные растворители.

В ультразвуковом поле, возбуждаемом в жидкой среде, возникает переменное давление частиц, переменный поток в направлении распространения колебательного процесса, кавитация и др. Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация. Кавитация ускоряет протекание ряда физико-химических процессов, в том числе и растворения.

Использование ультразвуковой обработки позволяет до двух порядков ускорить растворение растворимых веществ, в 10—30 раз — медленно растворимых, в 3—5 раз — малорастворимых. Например, сахар в воде с ультразвуком растворяется в 10 раз быстрее, чем обычным способом, камфора в подсолнечном масле — в 50 раз.

При воздействии ультразвука на среду динамическая вязкость полярных жидкостей уменьшается, микротрещины и поры в твердом веществе разветвляются, увеличиваются их размеры и глубина. При использовании ультразвука как средства интенсификации процесса растворения существенное значение имеют микропульсации растворителя, в особенности, если длина волны сопоставима с размерами твердых частиц или размерами микротрещин, пор, капилляров.

Растворение с ультразвуком применяется в фармацевтике, пищевой промышленности, производстве удобрений. Путем растворения могут быть получены различные водные, спиртовые, масляные растворы кристаллических веществ, растворы сухих и густых экстрактов, сиропов, пигментов и т. п., растворы ароматических, дезинфицирующих веществ, фотографические и другие растворы.

Диспергирование

Диспергированием называют процесс получения материалов сверхтонкой дисперсности (размеры частиц измеряются в микрометрах). Диспергирование широко применяется при приготовлении лекарственных суспензий, которые отличаются равномерным распределением частиц в растворителе и продолжительностью хранения.

Ультразвуковое диспергирование позволяет получать высокодисперсные (средний размер частиц — микроны и доли микрон), однородные и химически чистые смеси (суспензии) твердых частиц в жидкостях. Диспергирование суспензий осуществляется при воздействии ультразвука на агрегаты твердых частиц, связанных между собой силами слипания, спекания или спайности. При ультразвуковом диспергировании суспензий дисперсность продукта увеличивается на несколько порядков по сравнению с традиционным механическим измельчением.

Ультразвуковое диспергирование и эмульгирование происходят под действием интенсивных ультразвуковых волн, вызывающих дробящее действие кавитации и турбулентное движение жидкостей.

Для диспергирования используют специальные приборы — ультразвуковые диспергаторы.

Эмульгирование

Эмульгирование — это процесс получения эмульсий. Осуществляется диспергированием одной жидкости в другой (например, механическим перемешиванием) или конденсацией, т. е. выделением капельно-жидкой фазы у пересыщенных паров, растворов и расплавов. Для получения эмульсий применяются различные смесители — гомогенизаторы, коллоидные мельницы.

Ультразвуковым эмульгированием называется переход одной из взаимно нерастворимых жидкостей в дисперсное состояние в среде другой под действием акустических колебаний.

Применение ультразвукового эмульгирования особо актуально для трудно смешиваемых жидкостей. Например, при смешивании нефтепродуктов, масел, жиров с водой. Этим методом удается получить стойкие эмульсии не смешивающихся обычными способами жидкостей.

Ультразвуковое эмульгирование позволяет получать высокодисперсные, практически однородные и химически чистые эмульсии. Для протекания ультразвукового эмульгирования необходима кавитация, условия возникновения и протекания которой определяют основные зависимости эмульгирования от интенсивности и частоты ультразвука, температуры, давления, наличия растворенных газов и т. п.

Процессы акустического эмульгирования перспективно использовать при мыловарении, при обезвоживании сырых нефтей и очистке нефтяных емкостей и танкеров, в технологии производства пищевых продуктов (сливочного масла, маргарина), при получении битумных (асфальтовых) эмульсий, при переработке эмульсий натурального каучука, получения консистентных смазок, охлаждающих жидкостей для металлообработки, при производстве эмульсионных красок (водо-дисперсионных, водоэмульсионных и латексных) и т. д.

Гомогенизация

Гомогенизация жиросодержащих смесей необходима для раздробления жировых шариков, при этом уменьшается их отстаивание при хранении и улучшается слияние при дальнейшем фризеровании. Гомогенизация является необходимым процессом, обеспечивающим стойкую однородность (гомогенность) многокомпонентных эмульсий в течение длительного времени (вплоть до нескольких месяцев и даже лет).

Гомогенизации обычно подвергают молоко, молочные продукты, фруктовые соки, кремы, смазки, топливо, лаки, т. е. эмульсии и суспензии всех видов.

В процессе гомогенизации частицы измельчаются до одного микрона, равномерно распределяясь в массе продукта. Гомогенизация молочных продуктов, таких как комбинированное масло, мороженое, соусы, подразумевает создание средних и тонких эмульсий. Разнородные компоненты этих продуктов под действием гомогенизации тонко распределяются друг в друге, создавая при этом устойчивую эмульсию. Гомогенизация пастообразных продуктов подразумевает создание однородной массы. Гомогенизированный продукт не расслаивается при длительном хранении, пригоден для транспортировки, сохраняя при этом свои качества.

Ультразвук ускоряет и качественно улучшает процесс гомогенизации. Под действием ультразвука оболочки жировых шариков (так называемые липидные оболочки) разрываются, шарики теряют устойчивость и делятся.

Ультразвуковая обработка позволяет не только гомогенизировать молочный жир, с ее помощью можно диспергировать в молоке различные добавки, например, растительный жир, сиропы, порошки, в том числе диспергировать сухое молоко, разрушая комки сухого вещества и ускоряя его растворение.

Распыление

Распыление жидкостей с помощью ультразвука применяется для создания тонких аэрозолей, туманов, чего нельзя добиться другими способами распыления.

Ультразвуковое распыление — одно из перспективных направлений деятельности нашей фирмы. Опыты с различными способами передачи ультразвука на распыляющую поверхность можно посмотреть на видео:

Источник

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 10 3 —10 4 в 1 см 3 . 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).

а) – при помощи резонансных пузырьков; б) – при помощи кавитационных пузырьков
Рисунок 3.5 – Процесс диспергирования жидкости в слое

Диспергирование в слое осуществляется УЗ колебаниями с частотой от десятков до сотен кГц. Возможный диаметр капель распыла лежит в диапазоне до сотен микрон и зависит от используемой частоты колебаний, а производительность такого диспергатора может достигать 800 мл/с [7].

659305, г. Бийск, ул. Трофимова 27, корп. Б, каб. 101-1

Источник