Интенсификация процесса разделения эмульсий и суспензий в полях высокоинтенсивных моночастотных и широкополосных ультразвуковых колебаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Кузовников, Юрий Михайлович

• Кузовников, Юрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузовников, Юрий Михайлович

Содержание

Введение

1 Образование, существование и разделение эмульсий и суспензий

1.1 Объект исследования. Суспензии. Эмульсии

1.2 Анализ дисперсных систем. Выявление причин достижения равновесия в системе

1.2.1 Получение дисперсных систем

1.2.2 Устойчивость дисперсных систем

1.3 Нарушение устойчивости дисперсных систем. Методы интенсифицирования разделения. Оборудование

1.3.1 Коагуляция

1.3.2 Флокуляция

1.3.3 Оборудование

1.4 Ультразвуковая коагуляция. Механизм. Состояние проблемы

1.4.1 Акустические течения

1.4.2 Акустические течения в свободном пространстве

1.4.3 Течения вне акустического пограничного слоя

1.4.4 Акустические течения в пограничном слое

1.4.5 Пондеромоторные силы

1.4.6 Сила Бьеркнесса

1.4.7 Сила Стокса, связанная с изменением вязкости

1.4.8 Сила Оссеена, возникающая вследствие искажения формы волны

1.4.9 Сила, возникающая при взаимодействии пульсирующего газового пузырька с акустическим полем

1.4.10 Акустический флотационный эффект

1.4.11 Ультразвуковые аппараты для обработки жидких сред

1.5 Постановка задач исследования

2 Выявление оптимальных режимов и условий укрупнения частиц дисперсной фазы в эмульсиях и суспензиях под действием ультразвуковых колебаний

2.1 Основы физической теории устойчивости и коагуляции дисперсных систем (теория ДЛФО)

2.1.1 Электростатическая составляющая расклинивающего давления

2.1.2 Молекулярная составляющая расклинивающего давления

2.2 Определение расстояния между частицами в дисперсной системе, находящейся в состоянии агрегативной устойчивости

2.3 Радиационные силы, действующие на частицу в ультразвуковом поле

2.4 Определение работы акустического поля по сближению частиц дисперсной фазы

2.5 Потери ультразвуковой энергии при распространении в жидкой

среде с взвешенными мелкими частицами

2.5.1 Ослабление акустических волн в однородной жидкой среде

2.5.2 Ослабление акустических волн в неоднородной жидкой среде

2.5.3 Потери акустической энергии при возникновении кавитации

2.6 Определение интенсивности акустической волны ослабленной за счет поглощения в жидкой среде и рассеивания на мелких частицах

2.7 Определение области интенсивной коагуляции частиц дисперсной фазы в жидкой среде под действием ультразвуковых колебаний

3 Разработка и исследование ультразвукового технологического

оборудования для интенсификации разделения эмульсии и суспензий

3.1 Выбор конструкций ультразвуковых излучателей с максимальным энергетическим выходом

3.1.1 Ультразвуковой излучатель с рабочим инструментом грибовидной формы

3.1.2 Ультразвуковой излучатель с развитой поверхностью рабочего инструмента

3.1.3 Ультразвуковой излучатель увеличенной мощности с развитой поверхностью рабочего инструмента

3.2 Меры подавления деструктивного влияния ультразвуковых колебаний и интенсификации коагулирующего действия

3.2.1 Уменьшение интенсивности ультразвукового воздействия

3.2.2 Создание избыточного давления в обрабатываемой жидкой среде

3.2.3 Вытеснение дисперсных частиц из зоны высокой кавитационной активности

3.2.4 Экранирование кавитационной области

3.3 Используемые материалы, оборудование и методика исследований

3.4 Ультразвуковая обработка суспензии

3.5 Ультразвуковая обработка эмульсии

3.6 Ультразвуковая обработка трехфазной дисперсной системы

3.7 Ультразвуковая обработка жидкости насыщенной газом

4 Создание ультразвуковых аппаратов для разделения больших объемов эмульсий и суспензий и исследование их функциональных возможностей

в натурных условиях

4.1 Обезвреживание отходов бурового производства на производственных площадках нефтехимического комплекса

4.2 Осветление больших объемов облепихового виноматериала в условиях производства

Заключение

Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация процесса разделения эмульсий и суспензий в полях высокоинтенсивных моночастотных и широкополосных ультразвуковых колебаний»

Введение

Современные условия развития химической и смежных отраслей промышленности диктуют необходимость в постоянном увеличении мощностей и повышении эффективности технологических процессов. Традиционно используемое масштабирование технологических линий уже не приносит существенного экономического прироста вследствие увеличения дополнительных затрат. В связи с этим возникает потребность не в экстенсивных архаичных технологиях, а в современных высокотехнологичных способах и методах производства с максимальным использованием передовых достижении науки и техники.

Одновременно с необходимостью роста промышленного производства, вследствие значительного ухудшения экологической обстановки, ужесточаются требования к борьбе с загрязнениями.

В химической, нефтехимической и горнодобывающей промышленности, при добыче нефти и газа, и даже в пищевой промышленности и сельском хозяйстве существует большое число объектов и технологий, производящих вредные вещества, загрязняющие окружающие реки и водоемы. В конечном итоге это пагубно сказывается на чистоте вод мирового океана, причем характер загрязнений различен. Это не только опасные химические, но также биологические вещества и твердые минералы. Диапазон размеров загрязняющих частиц достаточно широк. И если крупные загрязнения удаляются сравнительно легко, то вещества с микро- и наноразмерами выделить при использовании современных технологий практически невозможно.

Одним из новых, высокоэффективных подходов к решению задач повышения эффективности процессов химических производств и уменьшения их экологического воздействия на окружающую среду является применение технологий, основанных на использовании ультразвуковых полей высокой интенсивности.

Использование ультразвуковых полей высокой интенсивности позволяет ускорить традиционные и реализовать новые процессы химических и смежных производств, реализуемых в жидких, твердых и газообразных средах. Эффективность ультразвукового воздействия на различные технологические среды основана на возникновении нелинейных явлений при распространении высокоамплитудных колебаний, вызывающих кавитационные процессы, радиационное давление, микро- и макропотоки, приводящие к разрывам механических и химических связей, увеличению поверхностей и скоростей взаимодействия, ускорению процессов массо- и теплопереноса.

Особенно впечатляющие результаты применения ультразвуковых воздействий достигаются при реализации процессов в жидких средах -взрывающиеся при этом кавитационные пузырьки обеспечивают ускорение процессов экстрагирования, эмульгирования, диспергирования и аналогичных процессов в сотни и тысячи раз. Основанные на использовании ультразвуковых полей высокой интенсивности технологические процессы нашли широкое применение в химической промышленности и широко используются для повышения эффективности современных производств.

Не менее интересны и эффективны процессы, протекающие при создании в жидких средах низкоинтенсивных ультразвуковых полей. В этом случае, из-за возникающих и периодически меняющихся зон сжатия и разряжения при прохождении ультразвуковой волны, возникают силы, способствующие сближению, объединению и гравитационному осаждению твердых частиц, химических и биологических соединений, насыщающих раствор, их последующему скоплению и отделению. Микротечения и интенсивные массообменные процессы в отсутствии развитой кавитации способствуют существенному повышению эффективности этих процессов.

К сожалению, практическая реализация таких процессов не нашла

широкого применения в промышленности из-за сложности установления

условий и режимов, при которых в ультразвуковом поле порождаются силы,

б

способствующие сближению и объединению твердых частиц, из-за отсутствия специализированного оборудования, способного реализовать на практике такие режимы воздействия, исключая при этом условия разрушающего воздействия ультразвуковых колебаний.

В связи с этим актуальной является задача создания специализированного оборудования, действие которого будет основано на реализации условий и режимов, позволяющих обеспечить повышение эффективности естественного разделения эмульсий и суспензий на составляющие компоненты благодаря использованию ультразвукового воздействия.

Цель работы - интенсификация процесса разделения эмульсий и суспензий за счет реализации оптимальных режимов и условий УЗ воздействия, выявленных в результате анализа теоретических моделей и экспериментальных исследований реальных процессов и создания УЗ оборудования, обеспечивающего ускорение естественного процесса укрупнения частиц дисперсной фазы в эмульсиях и суспензиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

- провести исследование причин, ограничивающих естественное разделение образующихся в различных условиях устойчивых эмульсий и суспензий, и выявление движущих факторов, способных обеспечить повышение эффективности и предсказуемости процесса объединения частиц дисперсной фазы;

- выявить закономерности интенсификации процесса объединения различных по размеру частиц дисперсной фазы за счет воздействия механических колебаний ультразвуковой частоты на основе теоретических исследований механизмов ускорения естественного разделения;

- выработать требования к условиям и параметрам ультразвукового

поля, используемого для интенсификации разделения эмульсий и суспензий,

и к аппаратурному оформлению, реализующему такое воздействие на основе

7

теоретически выявленных и экспериментально подтвержденных закономерностей, обеспечивающих интенсификацию разделения дисперсных систем с максимальной эффективностью;

- создать ультразвуковое технологическое оборудование для реализации оптимальных условий и режимов воздействия путем разработки специализированных излучателей (пьезоэлектрических колебательных систем различной формы, мощности, направленности излучения, частотного спектра излучения);

- практически реализовать ускорение коагуляции частиц дисперсной фазы в эмульсиях и суспензиях в различных условиях с применением разработанного специализированного ультразвукового оборудования для подтверждения эффективности и выявления методических особенностей его эксплуатации.

1 Образование, существование и разделение эмульсий и суспензий

1.1 Объект исследования. Суспензии. Эмульсии

Суспензии и эмульсии наряду с порошками можно причислить к многотоннажным материалам, роль которых в промышленном производстве и в природных процессах чрезвычайно велика [1]. Именно поэтому проблемам устойчивости суспензий и эмульсий, постоянству во времени их характеристик уделено внимание многих исследователей.

Промышленная экономичность приготовления, транспортирования и использования суспензий тем выше, чем больше в них содержание твердых компонентов, меньше вязкость и больше статическая и динамическая стабильность. Аналогичные технологические требования относятся и ко многим эмульсиям, цементным и бетонным «растворам» и другим пастам, лакам, краскам и лекарственным составам. Технологической целесообразностью и эвристической привлекательностью обусловлено стремление к созданию научно обоснованных моделей поведения таких дисперсных систем [2].

Суспензии широко применяются в химической, цементной, силикатной, керамической, горной, металлургической, бумажной, текстильной, пищевой, кожевенной и других отраслях промышленности. Так, с суспензиями имеют дело при растворении солей, выщелачивании, электрофоретическом осаждении твердой фазы, при получении декоративных, антикоррозионных и электроизоляционных покрытий, полупроводниковых пленок, электрофоретических дисплеев. В природных условиях образование суспензий происходит при диспергировании почв, грунтов и скальных пород под воздействием сил прибоя, приливно-отливных явлений, при движении ледников, в результате выветривания и выщелачивания, при загрязнении водоемов атмосферной пылью [3-5].

Эмульсиями называются дисперсные системы, в которых

9

дисперсионная среда и дисперсная фаза находятся в жидком состоянии. Такие системы часто встречаются в природе, например, молоко, млечный сок каучуконосных растений. В первом случае жир, а во втором - углеводород каучука диспергированы в воде. Оба эти вещества почти совершенно не растворяются в дисперсионной среде, т.е. в воде. Таким образом, эмульсии -это дисперсные системы, состоящие из двух практически взаимно-нерастворимых жидкостей, которые очень сильно отличаются друг от друга на молекулярном уровне. Если одна из жидкостей является полярной, например, вода, то вторая - должна быть неполярной или малополярной, например, органическая жидкость [7,8].

На практике чаще всего встречаются водные эмульсии, т.е. эмульсии, в которых одной из двух жидкостей является вода. Такие эмульсии подразделяются на два типа: масло в воде (сокращенно м/в) и вода в масле (м/в). В эмульсиях первого типа (прямых) масло является дисперсной фазой, а вода - дисперсионной средой. В эмульсиях второго типа (обратных) вода является раздробленной в виде капелек дисперсной фазой, а масло -дисперсионной средой [9].

Эмульсии имеют место во многих химико-технологических процессах: мыловарении, производстве молочных продуктов, производстве эмульсионных красок, производстве каучуков путем полимеризации, производстве пластмасс и т.д.

Во всех описанных производствах и технологических процессах основными задачами являются получение, стабилизация свойств и сохранение во времени характеристик требуемых суспензий и эмульсий. Однако существуют примеры незапланированного образования и существования таких дисперсных систем, когда продукты, образующиеся в ходе производственного процесса, или отходы техпроцесса обладают устойчивостью к расслоению, при этом равновесие в образованной системе может не нарушаться продолжительное время без возможности какого-либо прогнозирования.

В пищевой, фармацевтической и химической отраслях в ходе некоторых техпроцессов целенаправленно или побочным образом образуются устойчивые дисперсные системы в виде эмульсий или суспензий, которые продолжительное время находятся в смешанном состоянии и разделяются непредсказуемым образом. Для продолжения работы необходимо дестабилизировать образовавшуюся систему и разделить на составляющие компоненты наиболее быстрым и менее энергоемким способом.

Примером может служить проблема осветления плодовых вин. Получить вино, которое сохраняло бы прозрачность при всех возможных внешних воздействиях неопределенно долгое время, невозможно, так как вино нестойкий продукт, в котором происходят изменения физического и биохимического характера, отражающиеся на его прозрачности. К тому же зачастую исходное сырье (сок) уже представляет собой устойчивую дисперсную систему, которую в последствии необходимо отделить от взвешенных примесей (осветлить).

Накопление и утилизация больших объемов многокомпонентных жидких дисперсных систем - отходов производства - приносит существенный экономический и зачастую экологический ущерб.

Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей, мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т.д. При этом изменяются запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается количество кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. 12 г нефти делают непригодной для употребления тонну воды.

Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов

значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы.

11

В связи с интенсификацией животноводства все более дают о себе знать стоки предприятий данной отрасли сельского хозяйства. Сточные воды, содержащие растительные волокна, животные и растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясо-молочной, консервной и кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений водоемов [10].

Безусловно, поиск эффективных и универсальных методов борьбы с образованием «нежелательных» устойчивых дисперсных систем является неотложной задачей для ученых современности.

1.2 Анализ дисперсных систем. Выявление причин достижения равновесия в системе

1.2.1 Получение дисперсных систем

Твердые коллоидные растворы получаются обычно из свободнодисперсных в расплавах систем в процессе их охлаждения и отверждения. Эти процессы могут быть природными (например, возникновение магмы) или технологическими (например, получение стали, чугуна, других сплавов с легирующими добавками, стекол) [11, 12].

Из твердых растворов могут быть получены капиллярно-пористые тела

путем удаления из них отдельных компонентов, например, продуктов

обугливания посредством химической обработки при высокой температуре

(активные угли) или растворимых окислов посредством выщелачивания

(пористые стекла). Другой путь получения капиллярно-пористых тел

(например, катализаторов и адсорбентов) заключается в конденсационном

химическом зарождении свободнодисперсных частиц с последующим

структурированием. Так получают силикагели, алюмогели и многие другие

важные для технологии связнодисперсные системы. Возможен и прямой путь

12

получения их посредством высокотемпературного размягчения в сочетании с прессованием (получение металлокерамики, ситаллов и др.) из свободнодисперсных порошков или путем характерного для природных процессов постепенного уплотнения и срастания частиц (песчаники, осадочные породы) [13].

Коллоидные растворы занимают промежуточное положение между тонкодисперсными и молекулярными системами. Поэтому к получению их ведут два пути: либо дробление крупных кусков вещества до требуемой дисперсности, либо объединение молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров. В соответствии с этим существуют диспергационные и конденсационные методы получения дисперсных систем.

1.2.1.1 Диспергационные методы

Лиофильные коллоидные растворы, в частности растворы ВМС, получаются при самопроизвольном распускании или растворении в подходящем растворителе без затраты дополнительной энергии. Процесс идет вследствие уменьшения свободной энергии при межмолекулярном взаимодействии (сольватации) и увеличении энтропии (энтропия смешения) [14].

Для лиофобных систем характерны механические способы, в которых

преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной

энергии в процессе диспергирования происходит при совершении внешней

механической работы над системой. В результате твердые тела

раздавливаются, истираются, дробятся или расщепляются, причем

характерно это не только для лабораторных или производственных

установок, но и для процессов диспергирования, происходящих в природе. В

последних дисперсные системы образуются в результате дробления и

истирания твердых пород под действием прибоя, при разрушении и

истирании подлежащих пород ледниками и водами, в процессах

13

выветривания и выщелачивания (где присоединяется и химическое воздействие), а также в результате раскалывания по трещинам при замерзании воды [15].

В лабораторных и промышленных условиях рассматриваемые процессы проводят в дробилках, жерновах и мельницах различной конструкции. Наибольшее применение находит шаровая мельница, состоящая из полого цилиндрического барабана, частично заполненного шарами, изготовленными обычно из того же материала (сталь, алунд, агат, фарфор), что и цилиндр. Измельчаемый материал, сухой или увлажненный, помещают в цилиндр, вращение которого вызывает перекатывание и падение шаров, что, в свою очередь, приводит к истиранию и дроблению материала. Для снижения расхода материалов и энергии применяют новые аппараты, в частности - вибромельницы, в которых диспергирование облегчается применением периодических механических колебаний, планетарные, а также струйные мельницы. В последних пересекаются две струи грубодисперсной суспензии, выбрасываемые под большим давлением из трубопроводов.

Более тонкого диспергирования твердых и жидких материалов добиваются в коллоидных мельницах различных конструкций, принцип действия которых основан на возникновении разрывающих усилий в суспензии или эмульсии под действием центробежной силы в узком зазоре между ротором и статором или между дисками [16].

В настоящее время широко применяют ультразвуковой метод, в

котором диспергирование происходит за счет разрывающих усилий. Они

возникают как вследствие чередующихся локальных сжатий и расширений в

жидкости при прохождении волны, так и вследствие кавитации, т.е.

образования и захлопывания полостей, заполняемых растворенным в

жидкости газом. Резкие локальные изменения давления, происходящие за

ничтожно малые промежутки времени (10-4—10"5 с), приводят к разрыву не

только жидкостей, но и твердых тел. Таким путем получают органозоли

хрупких металлов и сплавов, гидрозоли серы, гипса, графита, различных

14

полимеров (крахмала, нитроклетчатки), гидроксидов металлов и т.д. [17].

Еще более резкие локальные изменения давления возникают в колебательном разряде конденсированной искры высокого напряжения в межэлектродном пространстве. Сущность метода заключается в распылении металла электрода в дуге, а также в конденсации паров металла, образующихся при высокой температуре. Поэтому электрический способ соединяет в себе черты диспергационных и конденсационных методов.

1.2.1.2 Конденсационные методы

Диспергационными методами достичь весьма высокой дисперсности

7 8

обычно не удается. Системы с размерами частиц ~ 10" —10" м получают конденсационными методами, не требующими затраты внешней работы. Путем конденсации в зависимости от условий могут быть получены системы любой дисперсности, с частицами любого размера [18].

1.2.1.2.1 Физическая конденсация

Важнейшие физические методы получения дисперсных систем -

конденсация из паров и замена растворителя. Наиболее наглядный пример

конденсации из паров - образование тумана. При изменении параметров

системы, в частности, при понижении температуры, давление пара может

стать выше равновесного давления пара над жидкостью (или над твердым

телом) и в газовой фазе возникает новая жидкая (твердая) фаза. В результате

система становится гетерогенной - начинает образовываться туман (дым).

Таким путем получают, например, маскировочные аэрозоли, образующиеся

при охлаждении паров Р205, ZnO и других веществ. Для конденсации облаков

с целью борьбы с ураганами, грозами, градом и другими явлениями, а также

для искусственного дождевания используют распыление в атмосфере частиц

аэрозолей, становящихся центрами конденсации, приводящей к образованию

15

грубодисперсной системы [19].

Лиозоли получаются в процессе совместной конденсации паров веществ, образующих дисперсную фазу и дисперсионную среду на охлажденной поверхности. Такой способ приводит к образованию частиц обычно неоднородных по размерам и в большинстве грубодисперсных.

Широко применяют метод замены растворителя, основанный, как и предыдущий, на таком изменении параметров системы, при котором химический потенциал компонента в дисперсионной среде становится выше равновесного и тенденция к переходу в равновесное состояние приводит к образованию новой фазы. В отличие от метода конденсации паров (изменение температуры), в методе замены растворителя изменяют состав среды. Так, если насыщенный раствор серы в этиловом спирте влить в большой объем воды, то получающийся спирто-водный раствор окажется уже пересыщенным. Пересыщение приведет к агрегированию молекул серы с образованием частиц новой фазы - дисперсной. При вливании спиртового раствора канифоли в воду образуются золи мастики, широко используемые в практике для пропитки дерева, бумаги и других материалов [20].

1.2.1.2.2 Химическая конденсация

Эти методы также основаны на конденсационном выделении новой фазы из пересыщенного раствора. Однако в отличие от физических методов, вещество, образующее дисперсную фазу, появляется в результате химической реакции. Таким образом, любая химическая реакция, идущая с образованием новой фазы, может быть источником получения коллоидной системы.

В природе широко распространены процессы окисления и гидролиза гидрокарбоната железа, растворенного в гидротермальных водах, происходящие при выходе их в поверхностные зоны:

4Fe(ЯCOз)2 + 02 + 2Н20 4^е(0Я)3 + 8С02 (1.1)

Получающийся золь гидроксида железа (III) сообщает красно-коричневую окраску природным водам и является источником ржаво-бурых зон отложений (ортштейнов) в нижних слоях почвы.

Такие хорошо известные в аналитической химии реакции, как, например, получение осадков сульфата бария или хлорида серебра:

Ыа2504 + ВаС12 ->1 Ва£04 + 2ЫаС1 (1.2)

и

AgN03+NгLCl->lAgCl + NaN03 (1.3)

в определенных условиях приводят к получению почти прозрачных, слегка

мутноватых золей, из которых в дальнейшем могут выпадать осадки [21].

Таким образом, для конденсационного получения золей необходимо,

чтобы концентрация вещества в растворе превышала растворимость, т.е.

раствор должен быть пересыщенным. Эти условия являются общими как для

образования высокодисперсного золя, так и обычного осадка твердой фазы.

Однако в первом случае требуется соблюдение особых условий, которые,

согласно теории, разработанной Веймарном, заключаются в одновременности

возникновения огромного числа зародышей дисперсной фазы. Под

зародышем понимается минимальное количество новой фазы, находящееся в

равновесии с окружающей средой [22].

Для получения высокодисперсной системы необходимо, чтобы

скорость образования зародышей намного превышала скорость роста

кристаллов. Практически это достигается путем вливания

концентрированного раствора одного компонента в очень разбавленный

раствор другого при сильном перемешивании. Наоборот, уменьшение числа

зародышей (в условиях минимального перенасыщения) приводит к росту

больших монокристаллов. К сожалению, в земных условиях этот медленный

17

рост нарушается конвективными потоками жидкости вдоль поверхности кристалла, связанными с действием силы тяжести на слои различной плотности [23].

Накопление свободной поверхностной энергии при образовании дисперсной системы повышает вероятность обратного процесса -объединения частиц в агрегаты, уменьшающего дисперсность. Поэтому цель любого метода получения - это не только достижение требуемой дисперсности, но и закрепление этого состояния, стабилизация системы.

1.2.2 Устойчивость дисперсных систем

Устойчивость дисперсной системы характеризуется неизменностью во времени ее основных параметров: дисперсности и равновесного распределения дисперсной фазы в среде.

Проблема устойчивости - одна из самых важных и сложных в коллоидной химии. Существует резкое различие в отношении устойчивости между двумя основными классами: лиофильными и лиофобными коллоидами.

Лиофильные системы - молекулярные коллоиды, а также лиофильные суспензоиды (например, глины, мыла) - диспергируются самопроизвольно, образуя термодинамически устойчивые коллоидные растворы; свободная энергия системы в этом процессе уменьшается:

AF = AU - TAS < 0. (1.4)

Использование этого условия в качестве критерия лиофильности позволяет провести вполне четкую количественную границу между двумя классами дисперсных систем [24].

Увеличение энтропии в процессе диспергирования обычно

способствует уменьшению F, поскольку система приходит к более

18

вероятному (S = к ln(w)) равномерному распределению дисперсной фазы в среде (энтропия смешения AS>0).

Баланс внутренней энергии AU в этом процессе складывается из затраты энергии на разрыв молекулярных связей с образованием новой поверхности и выигрыша - в результате межфазного сольватационного взаимодействия. Это можно представить как разность Wc и Wa.

Для лиофильных систем, если AU>0 (а тем более, если AU<0), но TAS>AU, критерий (1.1) выполняется. Такие системы должны быть отнесены к лиофильным, даже если взаимодействие со средой мало (AU>0) и диспергирование идет в основном за счет тенденции рассеяния, направленной к равномерному распределению веществ дисперсной фазы по объему [25].

Усиление взаимодействия дисперсной фазы со средой (лиофильности) способствует самопроизвольному диспергированию. Здесь можно вновь отметить глубокую общность процессов диспергирования и растворения, поскольку растворение, например кристаллов, определяется соотношением энергии сольватации Wa с учетом энтропии смешения. Этим же условием характеризуется неограниченное растекание пленок, представляющее собой не что иное, как двумерное растворение.

Таким образом, самопроизвольно диспергирующиеся системы определяются как лиофильные.

Лиофобные коллоиды, наоборот, характеризуются энергией связи внутри дисперсной фазы Wc, значительно большей, чем энергия межфазного взаимодействия Wa, и эта разность не компенсируется энтропийным фактором, для них

AF = AU -TAS > 0. (1.5)

Диспергирование в этом случае совершается либо за счет внешней

работы, либо за счет других процессов, протекающих в системе спонтанно

19

(например, химических). Образующиеся дисперсии термодинамически неустойчивы и характеризуются высокими значениями а на межфазной границе, которая соответствует малому значению 1¥а [26].

Таким образом, системы, не диспергирующиеся самопроизвольно (,ДР>0), определяются как лиофобные коллоиды, хотя для них всегда характерна та или иная степень межфазного взаимодействия (лиофилизации) коллоидов. Несмотря на термодинамическую неустойчивость (АЕ>0), многие лиофобные коллоидные системы оказываются устойчивыми кинетически, не изменяясь заметно в течение длительного времени. Очевидно, что эти системы существуют в метастабильном состоянии, т.е. потенциальный барьер, препятствующий агрегации частиц, достаточно высок.

Седиментационной называется устойчивость дисперсной фазы по отношению к силе тяжести. Нарушение ее и, как следствие, разрушение системы (разделение фаз) может быть вызвано:

- седиментацией частиц, характерной для грубодисперсных систем, приводящей к оседанию (или всплыванию) дисперсной фазы;

- изотермической перегонкой мелких частиц вещества дисперсной фазы в более крупные с последующей седиментацией;

- потерей агрегативной устойчивости в результате объединения частиц, приводящего к коагуляции дисперсной фазы [27].

Такое объединение частиц силами молекулярного притяжения может привести к образованию сплошной структурированной системы, обладающей фазовой устойчивостью.

Коагуляция - процесс слипания частиц, образования более крупных агрегатов с потерей седиментационной и фазовой устойчивости и последующим разделением фаз - разрушением дисперсной системы.

Таким образом, агрегативная устойчивость может быть определена как

способность системы к сохранению дисперсности и индивидуальности

частиц дисперсной фазы. Возникающие в результате потери агрегативной

устойчивости коагуляты представляют собой осадки (или всплывающие

20

образования) различной структуры - плотные, творожистые, хлопьевидные, волокнистые, кристаллоподобные [28].

В лиофобных системах структура коагулянтов и их прочность в значительной мере определяются степенью сольватации, которая может изменяться в весьма широком диапазоне - от типично лиофобных коллоидов (гидрозоли металлов) до систем, сильно лиофилизированных, особенно в результате адсорбции ПАВ или ВМС. В подобных агрегатах, несмотря на изменение подвижности, частицы еще сохраняются как таковые большее или меньшее время, после чего могут срастаться (в случае твердой дисперсной фазы) или сливаться (в случае жидкой) самопроизвольно с уменьшением поверхности раздела фаз. Слияние капелек называется коалесценцией.

Наблюдаемая долговечность многих лиофобных систем свидетельствует о том, что наряду с вандерваальсовскими силами притяжения между частицами в системе существуют и силы отталкивания или эффекты, экранирующие притяжение [29].

Многочисленные экспериментальные данные показывают, что в таких кинетически устойчивых типично гидрофобных системах, как правило, наблюдается заметный электрофорез. Прекращение его в силу тех или иных причин вызывает немедленную коагуляцию. Отсюда возникает представление об электрической природе сил отталкивания в типично гидрофобных системах, тем более что увеличение концентрации сильного электролита всегда приводит к коагуляции.

В сильно лиофилизированных и лиофильных системах коагуляция вызывается десольватирующими агентами и дисперсные системы оказываются тем более устойчивыми, чем сильнее развиты сольватные оболчки [30].

На основании этого можно говорить о двух основных факторах агрегативной устойчивости - об электростатическом барьере, обусловленном силами отталкивания, и барьере адсорбционно-сольватном, который

окружает частицу и препятствует ее сближению с другими частицами.

21

Второй фактор доминирует в лиофилизированных системах и является весьма сильным, обеспечивающим устойчивость систем с высоким содержанием дисперсной фазы. Следует отметить взаимосвязь обоих факторов, заключающуюся, прежде всего, в том, что увеличение заряда и потенциала поверхности обычно способствует развитию сольватных оболочек и адсорбции стабилизаторов.

1.3 Нарушение устойчивости дисперсных систем. Методы интенсифицирования разделения. Оборудование

1.3.1 Коагуляция

Коагуляцией называется процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов. В результате коагуляции система теряет свою седиментационную устойчивость, так как частицы становятся слишком крупными и не могут участвовать в броуновском движении [31].

Причиной нарушения равновесия в дисперсной системе могут выступать следующие факторы:

1) Внешние воздействия. Едва ли существуют какие-либо внешние воздействия, которые при достаточной интенсивности не вызвали бы коагуляции. Действие теплоты и холода, электромагнитных полей, жестких излучений, механические воздействия, химические агенты приводят к нарушению агрегативной устойчивости и, следовательно, к коагуляции. Все эти воздействия, столь различные по характеру, обладают общим свойством -они разрушают энергетический барьер, и метастабильная система самопроизвольно переходит в более устойчивое состояние в процессе коагуляции.

2) Коагулирующее действие электролитов. Все без исключения сильные

электролиты вызывают коагуляцию при увеличении их концентрации в

растворе до некоторого (различного для разных электролитов) критического

22

значения, называемого порогом коагуляции (коагулирующей концентрацией, величиной коагуляции, концнентрацией коагуляции).

3) Влияние заряда иона (валентности). Многочисленные исследования на гидрофобных коллоидах показали, что:

- коагулирующей частью электролита является один из его ионов, при этом порог коагуляции тем меньше, чем выше валентность коагулирующего иона;

- коагулирующий ион всегда несет заряд, противоположный заряду коллоидной частицы;

- коагуляция наступает в тот момент, когда заряд частицы становится равным нулю, т.е. в изоэлектрической точке [32].

Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Различают две стадии коагуляции.

1 стадия - скрытая коагуляция. На этой стадии частицы укрупняются, но еще не теряют своей седиментационной устойчивости.

2 стадия - явная коагуляция. На этой стадии частицы теряют свою седиментационную устойчивость. Если плотность частиц больше плотности дисперсионной среды, образуется осадок [33].

Коагуляция протекает в термодинамически неустойчивых (лиофобных) дисперсных системах, и об агрегативной устойчивости таких систем судят по скорости коагуляции. Скорость коагуляции в дисперсных системах может быть самой различной. Некоторые системы коагулируют в течение нескольких секунд после их получения, а другие устойчивы в течение суток, месяцев, а иногда и лет.

1.3.2 Флокуляция

Флокуляция - образование рыхлых хлопьевидных агрегатов (флокул) из

23

мелких частиц дисперсной фазы, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой или газовой дисперсионной среде. Флокуляция - разновидность коагуляции. В жидких дисперсных системах (золях, суспензиях, эмульсиях, латексах) флокуляция вызывается специальными добавками - флокулянтами и реагентами, лиофобизирующими поверхность частиц, а также тепловыми, механическими и прочими внешними воздействиями. В присутствии флокулянтов и лиофобизирующих реагентов происходит сцепление частиц дисперсной фазы и возникновение пространственных дисперсных структур [34].

Практически наиболее важной является флокуляция в водной среде, обусловленная действием растворённых в ней высокомолекулярных соединений (полиэлектролитов или неионогенных полимеров). Наиболее вероятным механизмом флокуляции считают образование мостиков -соединение частиц в результате адсорбции отдельных сегментов макромолекулярной цепи на разных частицах. Другая модель сцепления -через взаимодействие макромолекул, адсорбционно связанных лишь с одной частицей. Существуют также модели неадсорбционной, например, вытеснительной флокуляции. Значительное влияние на флокуляцию оказывают состояние двойного электрического слоя на поверхности частиц, свойства окружающей их ионно-сольватной оболочки. При этом важную роль играют электролитный состав дисперсионной среды, ионный обмен между её компонентами и ионогенными группами на поверхности флокулируемых частиц. Гидрофобизация поверхности усиливает флокуляцию в водной среде, гидрофилизация - ослабляет [35].

Адсорбционная флокуляция происходит при определённых

соотношениях концентраций полимера-флокулянта и частиц дисперсной

фазы, при определённых молекулярно-структурных характеристиках

флокулянта, поверхностно-химических свойствах и дисперсном составе

флокулируемых частиц. На кинетику и полноту флокуляции, структуру и

свойства образовавшегося флокулята влияют, с одной стороны, молекулярная

24

масса, степень ионизации, конформационная способность (гибкость) макромолекул флокулянта, с другой - знак и плотность поверхностных зарядов, размер и форма частиц. Наиболее эффективна флокуляция при оптимальной степени адсорбционного заполнения поверхности частиц полимером, близкой к 0,5. Избыток флокулянта может не только ухудшить флокуляцию, но в некоторых случаях вызвать обратный процесс (пептизацию) и даже повысить агрегативную устойчивость системы. Уменьшение содержания флокулянта в дисперсионной среде, например разбавлением, до концентраций ниже порога флокуляции обычно не приводит к распаду флокул на первичные частицы [36].

В неоднородных по составу дисперсной фазы системах различают общую (неизбирательную) и селективную (избирательную) флокуляции. В первом случае флокулы образуются совокупностью частиц разной природы, во втором - преимущественно частицами одного из компонентов дисперсной фазы. Селективность флокуляции объясняется специфичностью взаимодействия флокулянта с частицами определенного типа. Усилить различие в свойствах поверхности частиц разного рода и тем самым увеличить селективность действия флокулянтов можно путём введения в систему низкомолекулярных электролитов или ПАВ (реагентов-модификаторов) [37].

При флокуляции возможно образование флокул различного строения, структурный тип и размер которых зависят от состава и концентрации компонентов системы, температуры, гидродинамических режимов перемешивания и др. (рисунок 1.1).

1 - частицы-пластины; 2 - частицы-агрегаты; 3,4- частицы-агрегаты с взаимной ориентацией по схеме плоскость-ребро; 5,6- частицы-агрегаты

по схеме ребро-ребро.

Рисунок 1.1- Схема образования флокул основных структурных типов из анизометричных частиц коллоидно-дисперсной фазы

Укрупнение и выделение из устойчивой жидкой дисперсной системы агломератов частиц в осадок, как правило, длительный, а в определенных условиях и невозможный процесс. Для того чтобы ускорить или инициировать укрупнение взвешенных частиц, необходимо определенное внешнее воздействие, дестабилизирующее равновесие в дисперсной системе и приводящее к агломерации мелких растворенных частиц.

Описанные механизмы коагуляционного и флотационного укрупнения и выделения распределенных в жидкой дисперсной системе мелких частиц в естественных условиях протекают непредсказуемым образом. Зачастую процесс образования устойчивых агрегатов не идет достаточно продолжительное время, а затем протекает стремительно в течение коротко временного интервала [38].

Безусловно, как и многие другие процессы химической технологии, рассмотренные явления в жидкой среде подвергаются принудительному ускорению и, таким образом, улучшению прогнозируемо сти свойств исследуемых дисперсных систем во времени.

1.3.3 Оборудование

1.3.3.1 Трубный флокулятор

Трубный флокулятор (рисунок 1.2) - это закрытый прямоточный реактор, использующийся для коагуляции и флокуляции и для применения химических рН корректоров, которые последовательно подаются для снижения ХГЖ, БПК, мутности, осаждения и т.д. Процесс происходит под строгим контролем и при четко определенных условиях.

Рисунок 1.2 - Трубный флокулятор

В трубном флокуляторе энергия перемешивания для флокуляции получается за счет турбулентности в смесительной секции и трубе. Коагулянт добавляется в неочищенную воду на входе во флокулятор. Сразу после добавления коагулянт перемешивается с водой в смесительной секции. Процесс перемешивания завершается в трубе после смесительной секции.

Интенсивность перемешивания и реакции взаимодействия флокулянта с загрязнителем в смесительной секции и трубе определяются турбулентностью (числом Рейнольдса).

Коагуляция дестабилизирует загрязняющие вещества в воде. Формируются частицы, которые сложно удалить. Для удаления этих частиц добавляется флокулянт и происходит образование хлопьев. Флокулянт добавляется после завершения процесса коагуляции. Перемешивание

флокулянта с водой происходит во второй смесительной секции. Дальнейшее развитие процесса хлопьеобразования продолжается в трубе (рисунок 1.3).

» С. •','Г'Чи ^ 1 .1

1 -

* С -У ' . г

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Кузовников, Юрий Михайлович

Заключение

В результате выполнения работы создано промышленное ультразвуковое технологическое оборудование, обеспечивающее за счет реализации выявленных оптимальных режимов и условий УЗ воздействия существенное ускорение естественного процесса укрупнения частиц дисперсной фазы в эмульсии и суспензии.

При этом решены следующие частные задачи:

- исследованы процессы, препятствующие естественному разрушению устойчивых эмульсий и суспензий для их утилизации или получения полезного продукта, и выявлены основные механизмы, интенсификация которых обеспечит повышение эффективности и предсказуемости процесса объединения частиц дисперсной фазы;

- применительно к интенсификации процесса объединения различных по размеру частиц дисперсной фазы исследованы возможности механических колебаний ультразвуковой частоты, построена математическая модель, позволяющая устанавливать зоны стимулирования коагуляционных процессов в эмульсиях и суспензиях, подвергаемых высокоинтенсивному ультразвуковому воздействию;

- для обеспечения оптимальных условий и режимов разделения эмульсий и суспензий выработаны требования к режимам ультразвукового воздействия и параметрам УЗ аппаратов, способным устранить деструктивное влияние кавитации и усилить структурирующее воздействие за счет изолирования зоны кавитации и использования колебаний различной частоты в ходе процесса коагуляции;

- разработаны специализированные УЗ аппараты с интенсивностью колебаний до 20-104 Вт/м2 на основе излучателей с грибовидным рабочим инструментом и инструментом с развитой поверхностью излучения, а также излучателей широкополосных колебаний, оснащенных звукопроводящим объемом, блокирующим деструктивную кавитационную область;

155 практическое исследование функциональных возможностей созданных ультразвуковых аппаратов с излучателями мощностью до 8000 ВА при реализации процессов коагуляции частиц дисперсной фазы в эмульсиях и суспензиях подтвердило эффективность разделения устойчивых дисперсных систем объемом до 500 литров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузовников, Юрий Михайлович, 2012 год

Список использованных источников

1. Костюк, В.Н. Очистка сточных вод машиностроительных предприятий / В.Н. Костюк. - Л.: Химия, 1990. - 227 с.

2. Когановский, A.M. Адсорбция и ионный обмен в процессах водоподготовки и очистки сточных вод/ A.M. Когановский. К.: Наукова думка, 1983.-240 с.

3. Запольский, А.К. Технология коагулянтов / А.К. Запольский, К.В. Ткачев, Ю.К. Кисиль. - Киев.: Вища школа, 1978. - 185 с.

4. Кульский, JI.A. Технология очистки воды / Л.А. Кульский, П.П. Строкач. - М.: Химия, 19815. - 327 с.

5. Рубин, А. Химия промышленных сточных вод / А. Рубин. - М.: Химия, 1983.-360 с.

6. Свердлов, Л.Б. К вопросу о разделении биологических суспензий / Л.Б. Свердлов // Всесоюз. симп. мол. Ученых: тезисы докл. 1 «Процессы разделения жидких смесей». - Рига, 1989. - С. 60.

7. Манцев, А.И. Водоотведение на промышленных предприятиях / А.И. Манцев. - Львов: Издательство при Львовском государственном университете, 1986. - 200 с.

8. Ксенофонтов, Б.С. Очистка сточных вод. Флотация и сгущение осадков / Б.С. Ксенофонтов. - М.: Химия, 1992. - 144 с.

9. Холохонова, Л.И., Короткая, Е.В. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем / Л.И. Холохонова, Е.В. Короткая. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2000. -106 с.

10. Ласков, Ю.М. Очистка сточных вод на предприятиях текстильной промышленности / Ю.М. Ласков. - М.: Легкая индустрия, 1977. - 40 с.

11. Ефремов, И.Ф. Закономерности взаимодействия коллоидных частиц / И.Ф. Ефремов. - М.: Наука, 1973. - С. 130 - 139.

12. Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и

157

дисперсные системы: учебник для вузов / Ю.Г. Фролов. - М.: Химия, 1988. -464 с.

13. Усков, И.А. Коллоидная химия / И.А. Усков, Б.В. Еременко, С.С. Пелишенко, В.В. Мельник. - М.: Химия, 2000. - 452 с.

14. Пивоварова, H.A. О свойствах и строении нефтяных дисперсных систем [Текст] / H.A. Пивоварова [и др.] // Вестник АГТУ, 2008. - № 6.

15. Клокова, Т.П. Влияние ультразвука на коллоидно-дисперсные свойства нефтяных систем [Текст] / Т.П. Клокова, Ю.А. Володин, О.Ф. Глаголева // Химия и технология топлив и масел, 2006. - № 1. - С. 3234.

16. Левченко, Н.Д. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения / Н.Д. Левченко, Н.Д. Бергштейн, А.Д. Худякова. - М.: Химия, 1967. - 200 с.

17. Клячко В.А. Очистка природных вод / В.А. Клячко, И.Э. Апельцин. - М: Стройиздат, 1971.-579 с.

18. Урьев, Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы / Н.Б. Урьев.-М., 1980.-С 25-35.

19. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия / Е.Д. Щукин, A.B. Перцов, Е.А. Амелина. - М., 1982. - 143 с.

20. Сумм, Б.Д. Основы коллоидной химии : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Б. Д. Сумм. - 2-е изд., стер. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. - 240 с.

21. Фридрихсберг, Д.А. Курс коллоидной химии / Д.А. Фридрихсберг. -Л, 1984.-315 с.

22. Исаченко, В.П. Теплообмен при конденсации / В.П. Исаченко. - М., 1977.-258 с.

23. Васильев, В.П. Термодинамические свойства растворов электролитов / В.П. Васильев. - М.: Высшая школа, 1982. - 347 с.

24. Лайтинен, Г.А. Химический анализ / Г.А. Лайтинен, В.Е. Харрис. -М.: Химия, 1979.- 187 с.

25. Малышева, Ж.Н. Поверхностные явления и дисперсные системы /

158

Ж.Н. Малышева, И.А. Новаков. - Курс лекций. ВолгГТУ, Волгоград, 2001. -192 с.

26. Зоннтаг Г.К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем / Г.К. Зоннтаг. - М.: Высшая школа, 1982. - 217 с.

27. Ефремов, И.Ф. Периодические коллоидные структуры / И.Ф. Ефремов. - Л.: Химия, 1971. - 192 с.

28. Бибик, Е.Е. Реология дисперсных систем / Е.Е. Бибик. - Л.: Химия, 1981.- 172 с.

29. Запольский, А.К. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды / А.К. Запольский, A.A. Баран. - Л.: Химия, 1987. - С. 48 - 79.

30. Пааль, Л.Л. Справочник по очистке природных и сточных вод / Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мендер, Б.Н. Репин. - М.: Высш. шк., 1994. - С. 51-58.

31. Волощук, В.М. Процессы коагуляции в дисперсных системах / В.М. Волощук, Ю.С. Седунов. - М.: Гидрометеоиздат, 1975. - 320 с.

32. Тодес, О.М. Кинетика коагуляции и укрупнения частиц в золях/ О.М. Тодес. -М.: Из-во АН СССР, 1949. - С. 127 - 132.

33. Яминский, В.В. Коагуляционные контакты в дисперсных системах / В.В. Яминский. - М.: Химия, 1982. - С. 56 - 57.

34. Хохрякова, Е.А. Водоподготовка / Е.А. Хохрякова, Я.Е. Резник. Под ред. С.Е. Беликова. - Москва: Издательский Дом «Аква-Терм», 2007. - С. 198 -201.

35. Муллер, В.М. Броуновская коагуляция с распадом агрегатов и их старением/ В.М. Муллер. - М: Наука, 1979. - С. 30 - 35.

36. Небера, В.П. Флокуляция минеральных суспензий / В.П. Небера. -М., 1983.-С. 22.

37. Дерягин, Б.В. Микрофлотация водоочистка, обогащение / Б.В. Дерягин, С.С. Духин, H.H. Рулев. - М., 1986. - С. 12 - 13.

38. Кульский, Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды / Л.А. Кульский. - К., 1971. - С. 138.

159

39. Вейцер, Ю.И. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды / Ю.И. Вейцер, Д.М. Минц. - М., 1975. - С. 34 - 56.

40. Бергман, Л. Ультразвук и его применеие в науке и технике [Текст] / Л. Бергман. - М.: Наука, 1957. - 576 с.

41. Заяс, Ю.Ф. Интенсификация технологических процессов при помощи ультразвука [Текст] / Ю.Ф. Заяс // Пищевая промышленность, 1960. -№3(16).-С. 21-28.

42. Заяс, Ю.Ф. Ультразвук и его применение в технологических процессах мясной промышленности [Текст] / Ю.Ф. Заяс. - М.: Пищевая промышленность, 1970. - С. 72 - 73.

43. Радж, Б. Применения ультразвука [Текст] / Б. Радж, В. Раджендран, П. Паланичами. - М.: Техносфера, 2006. - 556 с.

44. Омельянюк, М.В. Кавитационные технологии в нефтегазовом деле [Текст] / М.В. Омельянюк // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, 2010. - № 1. - С. 29 - 32.

45. Ультразвуковая технология [Текст] / под ред. Б.А. Аграната. -М.: Металлургия, 1974. - 505 с.

46. Шутилов, В.А. Основы физики ультразвука [Текст] / В.А. Шутилов. - Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1980. - 280 с.

47. Эльпинер, И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие / И.Е. Эльпинер. - М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1963. - 420 с.

48. Новицкий, Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) [Текст] / Б.Г. Новицкий. - М.: Химия, 1983. -192 с.

49. Кузовников, Ю.М. Исследование влияния ультразвукового

воздействия на процесс разделения устойчивых эмульсий [Текст] / Ю.М.

Кузовников, В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, // Измерения, автоматизация и

моделирование в промышленности и научных исследованиях: межвузовский

160

сборник / Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: АлтГТУ. - 2011. - Вып. 1. -С.175- 177.

50. Руденко, О.В. Теоретические основы нелинейной акустики / О.В. Руденко, С.И. Солуян. - М., 1975. - С. 175 - 176.

51. Агранат, Б.А. Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский. - М.: Химия, 1983. - С. 75.

52. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. - Наука, 1974.-С. 55-80.

53. Исаакович, М.А. Общая акустика / М.А. Исаакович. - М., 1973. -

301 с.

54. Блохинцев, Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды / Д.И. Блохинцев. - 2-е изд. - М.: Наука Главная редакция физико-математической литературы, 1981. - С. 34 - 36.

55. Аэров, М.Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем / М.Э. Аэров, О.М. Тодес, Д.А. Наринский. - Л.:Химия, 1979. - С. 45.

56. Красильников, В. Акустика, Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах / В. Красильников. - М., 1960. - С. 86.

57. Розенберг, Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 2. Мощные ультразвуковые поля / Л.Д. Розенберг. - М.: Наука, 1968. - С. 32 -56.

58. Розенберг, Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 1. Источники мощного ультразвука / Л.Д. Розенберг. - М.: Наука, 1967. - С. 18 -20.

59. Трофимова, В.И. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов / В.И. Трофимова. - 5-е изд., стер. - М.: Высш. Шк., 1998. - 542 с

60. Савельев, И.В. Курс общей физики: Учеб пособие / И.В. Савельев. -М.: Наука, 1967.-С. 118-120.

61. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер. -М.: Мир, 1991.-С. 45-47.

62. Кудрявцев, Б.Б. Распространение звука в жидкостях // Применение

161

ультраакустики к исследованию вещества / Б.Б. Кудрявцев. - М.: Наука, 1958. - N7. - С.257 - 268.

63. Кустова, A.B. Исследование поведения кавитационных пузырьков /

A.B. Кустова, Б.Б. Кудрявцев // Применение ультраакустики к исследованию вещества. - М., 1959. - N9. - С. 107 - 168

64. Гудвин, Г. Ультразвуковое оборудование. Химия и ультразвук / Г. Гудвин. - Пер. с англ. - М., 1993. - 161 с.

65. Сиротюк, М.Г. Мощные ультразвуковые поля / М.Г. Сиротюк. Под ред. Розенберга Л.Д. - М.: Наука, 1961. - 301 с.

66. Крылов, Н.П. Ультразвук и его применение / Н.П. Крылов, В.И. Рокитянский. - М., 1958. - 324 с.

67. Северденко, В.П. Применение ультразвука в промышленности /

B.П. Северденко, В.В. Клубович. - Минск: Наука и техника, 1967. - С. 112.

68. Хмелев, В.Н. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная монография / В.Н. Хмелев, О.В. Попова. - Алт. гос. Техн. Ун-т. им. ИИ. Ползунова. - Барнаул: Изд. АлтГТУ, 1997. - 160 с

69. Розенберг, Л.Д. Фокусирующие излучатели ультразвука / Л.Д. Розенберг // Физика и техника мощного ультразвука. - М.: Наука, 1967. - С. 23.

70. Кардашев, Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии / Г.А. Кардашев. - М.: Химия, 1990. - 206 с.

71. Демчук, И.С. Ультразвуковая интенсификация технологических процессов / И.С. Демчук. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960. - 95 с.

72. Лурье, Ю.Ю. К вопросу о возможности применения ультразвука в очистке промышленных сточных вод / Ю.Ю. Лурье, П.Ф. Кандзас, A.A. Мокина. - М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1963. - 79 с.

73. Когановский, A.M. Очистка и использование сточных вод в

промышленном водоснабжении / A.M. Когановский. - М.: Химия, 1983. - 123

162

с.

74. Гвоздев, В.Д. Очистка производственных сточных вод и утилизация осадков / В.Д. Гвоздев, Б.С. Ксенофонтов. - М.: Химия, 1985. - 112 с.

75. Очистка промышленных сточных вод / под ред. Кравнеца В.И. -Киев: Техшка, 1974. - 300 с.

76. Николадзе, Г.И. Технология очистки природных вод / Г.И. Николадзе. М.: Высш.шк., 1987. - 479 с.

77. Гончару к, В.В. Использование ультразвука при очистке воды / В.В. Гончарук, В.В. Маляренко, В.А. Яременко // Химия и технология воды, 2008. - Т. 30, № 3. - С. 253-273.

78. Гончарук, В.В. О механизме воздействия ультразвука на водные системы /В.В. Гончарук, В.В. Маляренко, В.А. Яременко // Химия и технология воды, 2004. - Т. 26, №3. - С. 32 - 56.

79. Бабенков, Е.Д. Очистка воды коагуляцией / Е.Д. Бабенков. - М.: Наука, 1977.-356 с.

80. Дерягин, Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок / Б.В. Дерягин. - М., 1986. - С. 145.

81. Пчелин, В.А. Гидрофобные взаимодействия в дисперсных системах / В.А. Пчелин. - М.: Знание, 1974. - С. 12 - 15.

82. Ребиндер, П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия / П.А. Ребиндер. - М.: Наука, 1978. -С. 57-68.

83. Сумм, Б.Д. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии / Б.Д. Сумм, Н.И. Иванова // Успехи химии, 2002. - Т. 57, № 10. - С. 1018 -1028.

84. Вережников, В.Н. Избранные главы коллоидной химии / В.Н. Бережников. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 2011. - 237 с.

85. Кузовников, Ю.М. Ультразвуковой проточный реактор для интенсивной ультразвуковой обработки жидких сред в тонком слое [Текст] / В.Н. Хмелев, Д.С. Абраменко, С.В. Левин, С.С. Хмелев, Ю.М. Кузовников //

163

Технологии и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Бийск: БТИ АлтГТУ, 2008. - С. 7-12.

86. Кузовников, Ю.М. Лабораторный стенд для проточной кавитационной обработки жидких сред [Текст] / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, А.В. Шалунов, Ю.М. Кузовников, С.Н. Цыганок, С.С. Хмелёв // Технологии и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Бийск: БТИ АлтГТУ, 2008. - С. 163-170.

87. Кузовников, Ю.М. Новые подходы к ультразвуковой кавитационной обработке жидких сред с высоким затуханием ультразвуковых колебаний [Текст] / В.Н. Хмелев, С.С. Хмелев, Ю.М. Кузовников // Инновационные технологии: производство, экономика, образование: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Бийск: АлтГТУ, 2009. - С. 452-457.

88. Кузовников, Ю.М. Исследование процесса ультразвуковой коагуляции частиц бурового раствора [Текст] / В.Н. Хмелев, Ю.М. Кузовников, С.Н. Цыганок, С.С. Хмелев // Электронный журнал «Исследовано в России», 2010. - 041. - С. 487-496. - Режим доступа: http://zhurnal.ape.relarn.ru/, свободный. - Дата обращения 20.04.2012.

89. Кузовников, Ю.М. Исследование влияния ультразвукового воздействия на процесс разделения устойчивых эмульсий [Текст] / В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, Ю.М. Кузовников // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: межвузовский сборник / Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: АлтГТУ, 2011. - Вып. 1. - С. 175 - 177.

90. Кузовников, Ю.М. Применение мощных ультразвуковых технологических аппаратов для интенсификации процессов в жидких средах

[Текст] / В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, Ю.М. Кузовников // Экономика Алтайского края, 2011. - № 3(19). _ с. 50 - 56.

91. Кузовников, Ю.М. Исследование процесса разделения дисперсных жидких сред под воздействием ультразвуковых колебаний [Текст] / В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, Ю.М. Кузовников // Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности: сб. тезисов докладов 3-й Международной конференции РХО им. Д.И.Менделеева. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. - С. 93 - 95.

92. Кузовников, Ю.М. Интенсификация массообменных процессов в некоторых дисперсных жидких средах под действием ультразвуковых колебаний [Текст] / В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, Ю.М. Кузовников, Е.Д. Рожнов // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах (ЭПАХПП-2011): материалы международной научно-технической интернет-конференции. - Воронеж: ВГТА, 2011. - С. 377 -381.

93. Кузовников, Ю.М. Влияние ультразвука на процесс осветления облепихового виноматериала [Текст] / В.Н. Хмелев, Ю.М. Кузовников, Е.Д. Рожнов, В.П. Севодин // Виноделие и виноградарство. - 2011. - № 5. - С. 14 -15.

94. Кузовников, Ю.М. Разрушение масляной эмульсии ультразвуковым воздействием [Текст] / В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, Ю.М. Кузовников // Научно - технический вестник Поволжья, 2011. - № 5. - С. 194 - 198.

95. Ультразвуковая колебательная система: заявка. № 2011133748 Российская Федерация: МПК7 В06В1/06 / Хмелев В.Н., Цыганок С.Н., Левин C.B., Хмелев С.С., Кузовников Ю.М.; заявитель и патентообладатель: ООО «ЦУТАлтГТУ». -2011133748/28; заявл. 10.08.2011; опубл. 20.01.2012.

Приложение А Акт использования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (БТИ АлтГТУ) ул. Трофимова, 27, г. Бийск, 659305 тел.[phone], факс:[phone] E-mail: [e-mail] http://www.bti.secna.ru _2012 г. №

УТВЕРЖДАЮ

Директор Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО

«Алтайский государственный

■ " ^ и технический университет

им. И.И. Ползунова», ^^йн., профессор

.Леонов Г.В.

«2Ъ» агтоеля 2012 г.

Акт

использования результатов диссертационной работы Кузовникова Юрия Михайловича

«Интенсификация процесса разделения эмульсий и суспензий в полях высокоинтенсивных моночастотных и широкополосных ультразвуковых

колебаний»

Комиссия в составе: Гдавного метролога БТИ (филиала) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», д.т.н., профессора Абанина В.А., начальника отдела научно-исследовательской работы сотрудников и преподавателей БТИ, к.т.н., доцента Барсукова Р.В., начальника лаборатории акустических процессов и аппаратов БТИ, к.т.н., доцента Цыганка С.Н., соотавила настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Кузовникова Ю.М. используются в учебном процессе БТИ АлтГТУ в виде разделов курсов лекций и лабораторных работ в дисциплине «Применение ультразвука в технике» для студентов специальностей 240701 «Химическая технология органических соединений азота» и 240702 «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив», и дисциплине «Применение ультразвука в химической технологии» > для студентов специальности 240706

/66

«Автоматизированное производство химических предприятий», «Применение ультразвука в пищевых производствах» для студентов специальности 240901 «Биотехнология».

Научные положения диссертационной работы послужили основой для проектирования и создания ультразвуковых аппаратов, обеспечивающих ультразвуковое воздействие на эмульсии и суспензии с целью интенсификации процесса их естественного разделения.

Результаты диссертационной работы Кузовникова Юрия Михайловича в виде внедренных в производство ультразвуковых аппаратов для интенсификации разделения эмульсий и суспензий получили практическое применение на предприятиях Российской Федерации. Конструкции ультразвуковых аппаратов создавались в рамках хозяйственных договоров на разработку и передачу научно-технической продукции с различными предприятиями и организациями:

1. ОАО «ГазпромнефтьЮмский НПЗ» (г. Омск) - 2 аппарата.

2. ЗАО "СибНИПИРП" (г. Нижневартовск) - 3 аппарата.

3. ООО «Тихоокеанские биотехнологии» (г. Владивосток) - 1 аппарат.

Общая сумма выполненных хоздоговорных работ в период с 2008 г. по

2011г. составляет 1,1 млн. рублей. Доля автора в осуществленных работах составляет около 30% (примерно 330 тыс. руб.).

Члены комиссии: