УЛЬТРАЗВУКОВАЯ  ИНТЕНСИФИКАЦИЯ  ХИМИЧЕСКИХ  ПРОЦЕССОВ  В  ПОТОКЕ

Фролов  Владимир  Валерьевич

аспирант  ОмГТУ,  г.  Омск

E-mail:  frolovv

Мозговой  Иван  Васильевич

д-р  техн.  наук,  профессор  ОмГТУ,  г.  Омск

ULTRASONIC  INTENSIFICATION  OF  CHEMICAL  PROCESSES  IN  THE  STREAM

Vladimir  Frolov

postgraduate  student  of  Omsk  State  Technical  University,  Omsk

Ivan  Mozgovoy

doctor  of  Engineering  Science,  Professor  of  Omsk  State  Technical  University,  Omsk

АННОТАЦИЯ

В  статье  описаны  перспективы  увеличения  глубины  переработки  углеводородов  посредством  ультразвуковой  активации  и  интенсификации  химических  процессов.  На  основании  литературных  свидетельств  об  успешном  применении  ультразвука  в  данной  области  и  теоретических  основ  кавитационных  процессов  сделан  вывод  о  возможностях  реализации  поточной  схемы  обработки  углеводородов  высокочастотным  ультразвуком.  Исходя  из  опыта  применения  ультразвука  в  жидких  средах,  предложена  схема  лабораторной  установки  для  осуществления  первой  серии  экспериментов.

ABSTRACT

The  article  describes  the  prospects  for  increasing  the  depth  of  processing  of  hydrocarbons  by  ultrasonic  activation  and  intensification  of  chemical  processes.  On  the  basis  of  published  evidence  of  the  successful  use  of  ultrasound  in  the  field  and  the  theoretical  foundations  of  the  cavitation  process  suggests  the  possibility  of  the  flow  chart  hydrocarbon  processing  high-frequency  ultrasound.  Based  on  experience  in  the  application  of  ultrasound  in  the  liquid  media,  a  scheme  of  a  laboratory  apparatus  for  carrying  the  first  series  of  experiments.

Ключевые  слова:  кавитация;  звукохимия.

Keywords:  cavitating;  sonochemistry.

Активация  ультразвуком  —  один  из  современных  способов  ускорения  протекания  физических  и  химических  процессов.  Общеизвестно,  что  применение  ультразвука  приводит  не  только  к  увеличению  скорости  химической  реакции,  но  и  увеличивает  полноту  проведения  реакции.  Производя  ультразвуковую  кавитационную  обработку  жидкой  среды  можно  получить  химические  реакции  невозможные  в  других  условиях.  Кавитация  —  образование  в  жидкости  пульсирующих  пузырьков  (каверн,  полостей),  заполненных  газом,  паром  или  их  смесью.

Энергия  активации  многих  химических  процессов  столь  велика,  что  для  их  успешного  проведения  требуются  высокие  температуры,  сложные  и  дорогостоящие  каталитические  комплексы,  повышенная  концентрация  исходных  веществ.  В  частности  процессы  получения  непредельных  углеводородов,  такие  как  пиролиз  и  дегидрирование  требуют  больших  затрат.  Тем  не  менее  существует  ряд  литературных  свидетельств  [3,  4,  5]  о  лабораторных  исследованиях  и  также  технологических  процессах  в  которых  сходный  эффект  достигается  применением  энергии  ультразвука. 

В  большинстве  подобных  процессов  эффект  достигается  при  обработке  жидких  или  твердых  углеводородных  сред  находящихся  в  замкнутом  объеме  при  отсутствии  их  перемещения.  Как  известно  многие  нефтехимические  процессы  ведутся  непрерывно,  и  в  них  важным  фактором  является  осуществление  химических  превращений  в  потоке  сырья.  Таким  образом,  получение  непредельных  углеводородов  с  использованием  энергии  ультразвука  предпочтительней  вести  по  непрерывной  схеме. 

Для  проверки  степени  воздействия  ультразвука  в  потоке  предлагается  схема  лабораторной  установки,  показанная  на  рисунке  1.  В  качестве  исходного  сырья  для  первой  серии  экспериментов  выбран  сжиженный  газ  пропан.  Пропан  является  побочным  продуктом  многих  нефтехимических  процессов  и,  как  правило,  используется  в  качестве  топлива.  Более  глубокая  переработка  данного  продукта  экономически  выгодна,  к  тому  же  однородность  состава  исходного  вещества  позволит  оценить  положительный  эффект  образования  непредельных  углеводородов.

Рисунок  1.  Схема  лабораторной  установки  для  обработки  сжиженного  пропана  высокочастотным  ультразвуком:  1  —  баллон  с  исходной  пропановой  фракцией;  2  —  вентиль  на  прием  насоса;  3  —  герметичный  насос  для  перекачки  сжиженного  газа;  4  —  ультразвуковой  генератор  УЗГ-2-4;  5  —  волновод,  вмонтированный  в  нижнюю  часть  зоны  обработки;  6  —  манометр  ДМ  100-ВУ;  7  —  зона  обработки  сжиженного  газа  высокочастотным  ультразвуком;  8  —  вентиль  регулировки  расхода;  9  —  баллон  для  вывода  конечного  продукта

Установка  позволяет  производить  поточную  обработку  сжиженного  газа  высокочастотными  ультразвуковыми  колебаниями  с  целью  создания  в  жидкой  среде  режима  интенсивной  кавитации.

Сжиженный  пропан  предварительно  анализируется  на  хроматографе,  затем  производится  заполнение  системы  при  комнатной  температуре  из  баллона  1  с  внутренним  давлением  1,5  МПа.  Набор  давления  в  системе  контролируется  манометром  ДМ  100-ВУ  поз.  6.  Газовая  пробка  из  зоны  обработки  стравливается  в  баллон  9,  так  как  кавитация  возникает  только  в  жидкости,  удаление  газа  необходимо  для  создания  однородной  жидкой  среды.  По  завершении  набора  давления  производится  пуск  насоса  и  регулировка  расхода  вентилем  8.  Для  первой  серии  экспериментов  необходимо  добиться  ламинарного  течения  жидкости,  что  обеспечивается  минимальным  открытием  вентиля  8.  При  стабилизации  расхода  сжиженный  газ  подвергается  воздействию  высокочастотных  ультразвуковых  колебаний  создаваемых  генератором  4,  работающим  от  электрической  сети  с  напряжением  380  В.  Обработка  сжиженного  газа  производится  с  характеристиками  ультразвука:  частота  20  кГц  при  амплитуде  колебаний  6  мкм.  Сечение  зоны  обработки  выполняется  прямоугольной  формы,  что  позволяет  расширить  площадь  воздействия  ультразвука  и  добиться  усиления  эффекта  за  счет  отраженных  волн  [1,  6].  Время  проведения  эксперимента  не  более  пяти  минут  для  исключения  достижения  минимального  уровня  в  баллоне  и  проскока  газовой  фазы.  По  окончании  обработки  баллон  9  отсекается,  и  полученный  продукт  анализируется  при  помощи  хроматографа. 

На  основе  анализа  литературных  источников  [1,  2,  3,  7]  выявлены  теоретические  предпосылки  достижения  эффектов  дегидрирования  и  деструкции  предельных  углеводородов  при  обработке  в  поточной  схеме.  Время  нахождения  сжиженного  газа  в  зоне  обработки  достаточно  для  возникновения  основного  инициатора  физико-химических  процессов  в  жидкости  под  действием  ультразвука  —  интенсивной  кавитации.  При  частоте  20  кГц  кавитация  возникает  уже  после  5—10  колебаний  [1].  Образование  кавитационной  полости  теоретически  представляется  в  следующем  виде.  В  фазе  разрежения  акустической  волны  в  жидкости  образуется  разрыв,  который  заполняется  насыщенным  паром  обрабатываемой  жидкости.  В  процессе  сжатия  под  действием  повышенного  давления  и  сил  поверхностного  натяжения  полость  захлопывается,  а  пар  конденсируется  на  границе  раздела  фаз.  Через  стены  полости  в  нее  диффундирует  растворенный  в  жидкости  газ,  который  к  тому  же  подвергается  сильному  адиабатическому  сжатию.  В  момент  сжатия,  температура  и  давление  газа  достигают  значительных  величин  (по  некоторым  данным  до  10000^оК  и  100  МПа).  После  схлопывания  полости  в  окружающей  жидкости  распространяется  сферическая  ударная  волна,  быстро  затухающая  в  пространстве  [8].  При  коротком  времени  обработки  эффект  воздействия  ультразвука  приобретает  сходство  с  процессом  резкого  нагрева  и  столь  же  резкого  охлаждения  как  правило  приводящих  к  деструкции  предельных  углеводородных  соединений. 

Список  литературы:

1.Агранат  Б.А.  Основы  физики  и  техники  ультразвука  [Текст]  /  Б.А.  Агранат  [и  др.].  —  М.:  Высшая  школа,  1987.  —  352  с.

2.Маргулис  М.А.  Звукохимические  реакции  и  сонолюминисценция  [Текст]  /  М.А.  Маргулис.  —  М.:  Химия,  1986.  —  300  с. 

3.Промтов  М.А.  Технологии  кавитационной  обработки  нефти  и  нефтепродуктов  //  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.tstu.ru/r.php?r=structure.kafedra&sort=&id=3  (дата  обращения  03.04.2012).

4.Промтов  М.А.  Гипотезы  деструкции  вещества  при  кавитационном  воздействии  //  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.tstu.ru/r.php?r=structure.kafedra&sort=&id=3  (дата  обращения  12.06.2013).

5.Пат.2432400  Российская  федерация  C2  МПК  C12P7/08  (2006.01)  C10G1/00  (2006.01)  C10G15/10  (2006.01)  C10G32/00  (2006.01)  C08L1/02  (2006.01)  C10L5/44  (2006.01)  Переработка  биомассы  [Текст]/МЕДОФФ  Маршалл  (US)  Заявка:  2009119735/10,  26.10.2007  опубликовано:  10.12.2010.

6.Розенберг  Л.Д.  Источники  мощного  ультразвука  [Текст]  /  под  ред.  Л.Д.  Розенберга.  —  М.:  Наука,  1969.  —  380  c.

7.Хмелев  В.Н.  Ультразвуковые  многофункциональные  и  специализированные  аппараты  для  интенсификации  технологических  процессов  в  промышленности  [Текст]  /  В.Н.  Хмелев  [и  др.].  —  Барнаул:  АлтГТУ,  2007.  —  416  с.

8.Эльпинер  И.Е.  Биофизика  ультразвука  [Текст]  /  И.Е.  Эльпинер.  —  М.:  Наука,  1973.  —  384  с.