Механизм воздействия ультразвука на парафин при его очистке композицией адсорбентов из местных глин

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается механизм ультразвукового воздействия на парафин при его очистке композицией адсорбентов из местных глин. Результаты проведённых исследований показаны в виде таблиц: изменение гранулометрического состава и изменение удельной поверхности местных адсорбентов при очистке парафинов в зависимости от влияния ультразвука при частоте 21 кГц. В качестве адсорбентов применялись адсорбенты местного происхождения: щелочной бентонит Навбахорского месторождения, опоковидная глины Кермине и Тульсохский палыгорскит. Исследование показало, что воздействие ультразвука увеличивает устойчивость, однородность состава и концентрацию применяемых глинистых адсорбентов в расплавленном парафине. Знание механизмов возникновения, распространения и использования ультразвуковых колебаний при контактной очистке парафинов композицией адсорбентов позволяет рационально организовать и интенсифицировать данный процесс.

ABSTRACT

The article deals with the mechanism of ultrasonic action on paraffin when it is purified by a composition of adsorbents from local clays. Results of the carried out research are shown in tables: the change of the particle size distribution and the change in the specific surface area of local adsorbents when cleaning paraffin, depending on the influence of ultrasound at frequency of 21 kHz. Adsorbents of local origin have been used as adsorbents: alkaline bentonite of the Navbahor deposit, opokamorphic clay Kermine and Tulsokhsky palygorskite. The study has showed that the effect of ultrasound increases the stability, uniformity of composition and concentration of clay adsorbents used in molten paraffin. Knowledge of mechanisms of the occurrence, distribution and use of ultrasonic vibrations in the contact purification of paraffin with a composition of adsorbents makes it possible to organize rationally and to intensify this process.

Ключевые слова: парафин, ультразвуковая волна ,местные адсорбенты, бентонит Навбахорского месторождения, опоковидная глина Кермине,   Тульсохский палыгорскит, гранулометрический состав, частота, диспергирование, удельная поверхность, контактная очистка, кавитационный эффект.

Keywords: paraffin; ultrasonic wave; local adsorbents; bentonite of the Navbahor deposit; opokamorphic clay Kermine;  Tulsokhsky palygorskite; particle size distribution; frequency; dispergating; specific surface; contact filtration; cavitational effect.

Расширение сфер применения твёрдых парафинов диктует необходимость глубокой  их очистки от серы, ароматических углеводородов, минеральных масел и др.  В связи с этим использование нетрадиционных способов интенсификации, в частности, ультразвукового воздействия на процесс очистки парафинов композицией адсорбентов является  актуальной.

На сегодняшний день ещё далеко не исчерпаны технические возможности ультразвука. Работы [1,5] отечественных и зарубежных ученых подтверждают перспективность использования его для интенсификации технологических процессов, основанных на массопереносе жидких сред в капиллярно-пористых телах.

Известна роль ультразвуковых колебаний в образовании стойких водяных эмульсий, суспензий и других. Когда интенсивная ультразвуковая волна проходит через жидкость, в последней образуются последовательно области сжатия и разряжения. В отдельных участках, возникают газовые или пароканопленные пузырьки и пустые полости, размеры которых колеблются от субмикроскопических до сравнительно значительных, а время их существований то очень короткое, то опять таки сравнительно длительное. В терминах гидродинамики это явление называют кавитацией.

Безусловно, образование и исследование такого явления в высоковязком расплавленном парафине (по сравнению с водными средами) сложно и для его осуществления требуются специальное оборудование.

Процесс очистки парафина производится композицией индивидуальных адсорбентов, например, термически активированной опоковидной глины месторождения Кермине, которая не позволяет доводить цветность и остаточное содержание серы в  твердом парафине до требований стандарта [3].

Для интенсификации данного процесса, нами была смонтирована ультразвуковая установка на базе генератора УЗГ-10М, которая имеет следующие характеристики: потребляемая мощность-до 18 кВт, колебательная-до 9 кВт, пределы регулирования ультразвуковой частоты 18-24 кГц. В комплекте данной установке имеются: магнитострикционный преобразователь марки ПМС-6 с ультразвуковой мощностью 2,5 кВт (с коэффициентом полезного действия, равным 45%) и другие гидродинамические излучатели.

На данной установке мы изучили механизм ультразвукового воздействия на расплавленный высокоплавный парафин при его очистке  композицией адсорбентов.

По утверждению Релей [2] значительные давления возникают не только при ударе жидкости, но и при сокращении кавитационного пузырька, на некотором расстоянии от поверхности тела. Это явление также хотелось бы изучить в ходе наших экспериментов по очистке расплавленного парафина композицией адсорбентов.

Внешние наблюдения за ходом процесса очистки парафина адсорбентами с наложением ультразвуковых воздействий с частотами 18, 21 и 24 кГц в течении времени озвучивания, равным 120-600 с позволили установить некоторые механизмы ультразвукового воздействия на расплавленный парафин при его очистке композицией адсорбентов.

Установлено, что под воздействием ультразвука на расплавленный парафин происходит его интенсивное волновое движение с образованием газовых пузырьков, которые и образуют эффект кавитации. Нами, изучено влияние ультразвука на диспергирование глинистых адсорбентов в расплавленном парафине. Полученные результаты представлены в табл.1

Таблица 1.

Изменение гранулометрического состава местных адсорбентов очистки парафина в зависимости от влияния ультразвука при частоте 21 кГц и без него

Из табл. 1 видно, что при использовании ультразвуковых колебаний при частоте 21 кГц адсорбенты, используемые при очистки парафина дополнительно диспергируются т.е. происходит их доизмельчение. Наибольшему измельчению подвергается бентонит, далее опоки и палыгорскитовые минералы, что согласуется с их точностью при истекании.

Учитывая это, нами изучена удельная поверхность данных адсорбентов стандартным методом [3]. Полученные  результаты представлены в табл 2.

Таблица 2.

Изменение удельной поверхности местных адсорбентов при очистке парафинов в зависимости от влияния ультразвука при частоте 21 кГц и без него

Как видно из табл. 2 удельные поверхности исследуемых адсорбентов при очистке парафинов с использованием ультразвука при частоте 21 кГц повышаются. Особенно сильно повышается удельная поверхность щелочного бентонита Навбахорского месторождения (на 24.10³ м²/кг), далее опоковидной глины Кермине (на 16.10³м²/кг) и Тульсохского палыгорскита (на 8.10³ м²/кг).

Безусловно, повышение дисперсности и удельной поверхности при контактной очистке парафинов благоприятно сказывается на качестве получаемых продуктов.

Это согласуется с данными [4], где дисперсность наивысшей степени получается при использовании ультразвуковых колебаний с частотой 5-40 кГц. Причем  большинство частиц в этом случае измельчается до размеров меньше 1мкм. Безусловно, с увеличением интенсивности ультразвука увеличивается и степень дисперсности. При этом дисперсность может повышаться, если ввести в жидкость небольшое количество воздуха. Это, по-видимому, влияет на величину кавитационного эффекта, а потому процесс ультразвукового диспергирования интенсифицируется.

Как видно воздействие ультразвука увеличивает устойчивость, однородность состава и концентрацию применяемых глинистых адсорбентов в расплавленном парафине.

Если сконцентрировать ультразвуковой пучок на границе раздела «воздух- расплавленный парафин», то на поверхности парафина образуется «вспучивание». Причем, при определенной интенсивности ультразвука может возникнуть фонтан, высота которого растет с ростом интенсивности. Образование фонтанов, как правило (в водных средах) сопровождается туманом (при работе на высоких частотах). Наши исследования показали, что тенденция к образованию тумана уменьшается с увеличением вязкости жидкости, например, в расплавленном парафине этот эффект не наблюдался.

Механизм воздействия ультразвуковых колебаний при очистке парафина композицией адсорбентов объясняется проникновением интенсивно колеблющихся пузырьков в поры и зазоры используемых глин. Кроме того, на границе «расплавленный парафин - глинистый адсорбент» возникают значительные ускорения, способствующие интенсивной сорбции извлекаемых из парафина сопутствующих веществ. Ускорение это-результат действия больших переменных давлений в поры и микротрещины применяемых адсорбентов.

Величина энергии отраженной волны зависит от волнового сопротивления среды (в нашем случае парафина) или, иначе, от удельного акустического сопротивления (произведение плотности среды на скорость звука в нем). Уменьшение амплитуды колебаний, а значит, и интенсивности с удалением от источника колебаний (излучателя) объясняется внутренним трением в среде (в нашем случае парафине) и её теплопроводностью.

Как видно, акустические сопротивления среды, обусловленные их природой, требуют подбора оптимальных частот ультразвуковых колебаний и времени её озвучивания.

Знание механизмов возникновения, распространения и использования ультразвуковых колебаний при контактной очистке парафинов композицией адсорбентов позволяет рационально организовать и интенсифицировать данный процесс. Как показали результаты данного исследования, скорость распространения ультразвуковых колебаний зависит от плотности, вязкости и теплопроводности парафина.

Таким образом, можем сделать вывод о том, что с использованием ультразвука процесса адсорбционной очистки парафина интенсифицируется в частности за счет повышения дисперсности и удельной поверхности используемых глинистых адсорбентов. Причем, наибольшему измельчению поддается щелочной бентонит Навбахорского месторождения, наименьшему Тульсохский палыгорскит опоковидная глина Кермины.

Список литературы:
1. Kenneth S. Suslick “Sonochemistry” Kirk-Othwer Encyclodpedia of Chennical Technology, Fourth Edition, vol.26; John Willey Sons Inc: New York, 1998, сс. 516-541.
2. Круглицкий Н.Н., Агабальянц Э.Г. Методы анализа физико-химического состава промывочных жидкостей. Харьков. Техника, 1972-180 С
3. Mamadaliyeva S.V.,Abdurahimov S.A.Purifying sulphur paraffine components adsorbent from local Научно-методический журнал издательства «Проблемы науки».-2018.-№06(29)./[электронный ресурс].-Режим доступа:URL:https://scholar.google.com/scholar?oi=bibs&cluster=5717184594933259364&btnI=1&hl=ru (дата обращения:12.09.2019)
4. Петров А.П. Применение ультразвука в химико- технологических процессах. М.: Химия, 1980-66С.
5. Хмелев В.Н., Леонов Г.В., Барсуков Р.В., Циганок С.Ц., Шалунов А.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. Барнаул: АлтТТУ 2007-400 С.