Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Разработка научных основ повышения эффективности процесса коагуляции субмикронных частиц акустическими колебаниями ультразвуковой частоты

Отношение к критическим технологиям:
Не определено


Контактная информация

Название организации
Бийский технологический институт ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова"


ФИО руководителя организации
Леонов Геннадий Валентинович


Юридический адрес
659305 Россия, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова 27


Почтовый адрес
659305 Россия, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова 27


ФИО руководителя проекта:
Шалунов Андрей Викторович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Одним из последствий быстрого роста и бурного развития промышленности является заметное ухудшение состояния атмосферного воздуха. К основным источникам загрязнения атмосферы относятся промышленные предприятия, тепловые электростанции и т.п. Технологические процессы различных отраслей промышленности сопровождаются выделением запыленных газовых выбросов, которые загрязняют производственную и окружающую среду, затрудняют протекание технологического процесса, ухудшают качество конечного продукта. По оценкам специалистов, в настоящее время промышленностью в атмосферу ежедневно выбрасывается до 1 миллиарда тонн аэрозолей. Большинство аэрозолей, образующийся в промышленности, является мелкодисперсным – размер частиц менее 1 мкм. Поэтому такой аэрозоль особенно опасен для здоровья людей из-за своей способности проникать в альвеолы легких и кровяную систему человека. Учитывая вышеизложенное, защита атмосферного воздуха от загрязнений промышленными выбросами продолжает оставаться одной из главных проблем современности. В настоящее время известно несколько сотен различных видов конструкций аппаратов для очистки газов от дисперсных примесей. Несмотря на многообразие, все они являются вариантами аппаратурного оформления, где использованы немногие основные принципы осаждения или задержания взвешенной фазы (силы тяжести, диффузия, инерционные силы, силы электрического притяжения). Несмотря на многообразие пылеулавливающего оборудования даже современные образцы не всегда способны осуществить очистку на нужном уровне. Основной проблемой, возникающей при очистке промышленных газов от примесей субмикронного размера, является практически полное увлечение частиц газовым потоком, и как следствие низкая эффективность очистки. Кроме того, задача очистки промышленных газовых выбросов часто осложняется их большими объемами, что делает невозможным использование многих существующих видов оборудования, так как значительная их часть работает при небольших скоростях газа и аппараты высокой производительности должны иметь большие габариты. Вследствие этого, существующее пылеулавливающее оборудование характеризуется невысокой степенью очистки промышленных газов от субмикронных дисперсных примесей, о чем свидетельствуют многочисленные отечественные и зарубежные исследования. Актуальность этой проблемы возрастает в связи с развитием нанотехнологий, основанных на получении нанопорошков путем измельчения или испарения исходного материла мощным энергетическим воздействием. Очистка воздуха позволяет возвратить в производство или использовать для других полезных целей вещества, содержащиеся в выбросах и поступившие в них в результате ведения технологических процессов.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Актуальность проведения исследований обуславливается отсутствием научных основ, позволяющих выявлять и устанавливать оптимальные параметры воздействия акустическими колебаниями ультразвуковой частоты на газодисперсные системы для их коагуляции. Изучение механизма образования агрегатов мелкодисперсных частиц в ультразвуковом поле и выявление зависимостей эффективности коагуляции от параметров акустического воздействия и самой газодисперсной среды позволит установить оптимальные режимы реализации процесса, определить технические требования к излучателям для газовых сред, и разработать более совершенное газоочистное оборудование и, в конечном итоге, продвинуться в решении фундаментальной проблемы снижения промышленных выбросов и сохранения чистоты атмосферы. Согласно имеющимся представлениям на взвешенные в газах частицы при воздействии акустических колебаний действуют четыре основные фактора [Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д.Розенберга. – М.: Наука, 1969. – 689 с.; ]: – совместное колебание частиц и газовой среды (ортокинетическая теория); – гидродинамические силы (притяжения и отталкивания) между соседними частицами (гидродинамическая теория); – радиационное давление (радиационная теория); – акустические течения (потоковая теория). Несостоятельность вышеописанных теорий процесса коагуляции состоит в том, что ни одна из них не объясняет полностью эффекта, наблюдаемого в газодисперсной системе при наложении ультразвукового поля. Кроме того, основным и существенным недостатком большинства гипотез о механизме процесса коагуляции является тот факт, что они справедливы только для полидисперсных газодисперсных систем, тогда как явление коагуляции наблюдается и в случае монодисперсной системы. Долгое время развитие теорий коагуляции было затруднено из-за математических трудностей точного решения уравнений коагуляции. На сегодняшний день, в связи с развитием ЭВМ стало возможным значительно более точное описание физических явлений, происходящих при взаимодействии частиц в акустическом поле с использованием методов численного анализа дифференциальных уравнений математической физики. В настоящее время разработки модели процесса коагуляции проводятся как в России, так и за рубежом [Мартынов С.И. Моделирование процесса коагуляции частиц в звуковой волне / C.И. Мартынов, И.П. Борискина // Труды СВМО. – 2005. – №1.; Губайдуллин Д.А. Динамика двухфазных парогазокапельных сред – Казань: Издательство Казанского математического общества, 1998. – 156 с; Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред, часть 2. М.: Наука, 1987. – 359 c.; Sheng, C. Modelling of acoustic agglomeration processes using the direct simulation Monte Carlo method [Текст] / Changdong Sheng, Xianglin Shen. // Journal of Aerosol Science, Volume 37. – 2006. – January (Issue 1). – P. 16-36.; Sergey V. Komarov and Masahiro Hirasawa. Numerical simulation of acoustic agglomeration of dust particles in high temperature exhaust gas. – Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, 10 p.]. Основным недостатком представленных моделей является их неприменимость к исследованию процесса коагуляции субмикронных частиц (в том числе наноразмерных) акустическими колебаниями ультразвукового диапазона. Это обусловлено отсутствием учета ряда важных физических параметров и эффектов, возникающих на высоких частотах озвучивания при малых размеров частиц в частности: – допущение об отсутствии вязкости газовой среды. Сравнивая существующие модели коагуляции, можно сказать, что полученные в ходе заявленного исследования результаты позволят создать единую теорию процесса коагуляции, применимую к субмикронным аэрозолям, которая учитывает наиболее важные особенности физических эффектов, возникающих при коагуляции аэрозольных частиц размером менее 5 мкм и позволяет определять выходные параметры процесса (функция распределения аэрозольных частиц по размерам в заданный момент времени с начала ультразвукового воздействия). Ожидается, что выявленные параметры акустического воздействия (уровень звукового давления и частота) на газодисперсные среды в зависимости от их характеристик (концентрация, дисперсный состав, скорость пылегазового потока), обеспечат реализацию процесса очистки газового потока от дисперсных примесей с максимальной эффективностью.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Для достижения поставленной цели используются теоретические и экспериментальные методы исследования и научные подходы: – анализ и научное обобщение известных научных и технических результатов в направлении исследования; – построение математических моделей (микро и макро уровней) и выявление оптимальных условий реализации исследуемого процесса при помощи компьютерного моделирования, основанного на математическом аппарате, базирующемся на основных положениях теории распространения акустических колебаний в дисперсных средах, классических закономерностей механики аэрозолей, аэрогидродинамики пылегазовых потоков, математического моделирования и численных методов; – экспериментальные исследования в лабораторных условиях, направленное на подтверждение выявленных условий реализации процесса, обеспечивающих высокую эффективность очистки отходящих газов от субмикронных дисперсных примесей. Для анализа размеров и формы образовавшихся агрегатов частиц будет использован электронный микроскоп Motic DMBA Бийского регионального центра коллективного пользования "Центр синтеза и исследований высокоэнергетических соединений и специальных материалов" при Институте проблем химико-энергетических технологий СО РАН. Для обработки экспериментальных данных будут использованы методы математической статистики и корреляционного анализа с применением ЭВМ и программного комплекса LabView; Предлагаемое научное исследование будет состоять из двух основных этапов. Первый этап направлен на разработку научных основ, описывающих поведения и взаимодействие дисперсных частиц в акустическом поле ультразвуковой частоты. Он включает в себя следующие основные виды работ: 1. Анализ и обобщение научных и технических результатов в направлении исследования с целью выявления новых влияющих факторов и физических эффектов, возникающих при воздействии акустическими колебаниями ультразвуковой частоты на дисперсные частицы микронного размера. 2. Разработка математической модели, описывающей поведения отдельной взвешенной частицы в акустическом поле ультразвуковой частоты, и численный анализ разработанной модели. 3. Разработка математической модели пространственного единичного взаимодействия двух субмикронных частиц в акустическом поле ультразвуковой частоты и численный анализ разработанной модели. 4. Теоретический анализ процесса образования агрегатов частиц, их формы в зависимости от характеристик ультразвукового воздействия, на основе разработанных моделей поведения отдельной взвешенной частицы и пространственного единичного взаимодействия двух субмикронных частиц. В результате планируется получение новых научных знаний, необходимых для разработки модели поведения ансамбля частиц в акустическом поле (модель на макроскопическом уровне), а также для определения основных параметров акустического воздействия. Второй этап направлен разработку научных основ определения параметров воздействия на газодисперсные среды в зависимости от их характеристик, обеспечивающих максимальную эффективность процесса коагуляции. Этот этап включает в себя следующие работы: 1. На основе вероятностного подхода к определению элементарных актов столкновения частиц за счет механизмов взаимодействия частиц исследованных и описанных на первом этапе работы, с учетом вязкости газовой фазы и поглощения ультразвуковой энергии в газодисперсной среде, разработка макроскопической модели коагуляции субмикронных частиц акустическими колебаниями ультразвуковой частоты; 2. Определение параметров акустического воздействия (уровень звукового давления, частота), обеспечивающих максимальную эффективность процесса коагуляции в зависимости от характеристик (концентрация, дисперсный состав, плотность частиц, скорости и режима течения) пылегазового потока на основе разработанной макроскопической модели процесса коагуляции; 3. Разработка и изготовление экспериментальной базы (ультразвуковых излучателей, экспериментальных стендов), способной обеспечить выявленные оптимальные параметры акустического воздействия; 4. Проведение экспериментальных исследований коагуляции субмикронных частиц акустическими колебаниями ультразвуковой частоты, направленных на подтверждение теоретически выявленных оптимальных параметров акустического воздействия: а) исследование влияния параметров ультразвукового воздействия на степень укрупнения и уменьшения концентрации дисперсных частиц; б) исследование влияния параметров дисперсных частиц на степень их укрупнения и концентрацию; в) исследование влияния скорости и режима течения пылегазового потока на степень укрупнения и уменьшения концентрации дисперсных частиц; г) экспериментальное исследование размеров, плотности, формы и устойчивости полученных агрегатов частиц.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
-


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
В результате ранее проведенных исследовательских работ, поддержанных грантами Президента РФ и г/к в рамках ФЦП были получены следующие результаты по теме проекта: - экспериментально установлена эффективность применения ультразвукового воздействия для коагуляции аэрозолей (при повышении частоты ультразвукового воздействия, свыше 22–35 кГц, эффективность коагуляции мелкодисперсных аэрозолей возрастает при сохранении эффективности коагуляции грубодисперсных аэрозолей); - установлен минимальный уровень звукового давления, при котором происходит процесс коагуляции (на частоте более 22 кГц), равный 140 дБ для аэрозолей с размером дисперсной фазы менее 10 мкм, а для аэрозолей более 10–15 мкм – 130 дБ; - разработаны предварительные подходы к построению математической модели взаимодействия двух дисперсных частиц в акустическом поле ультразвуковой частоты, основанные на одновременном учете ортокинетического и гидродинамического взаимодействия частиц; - разработан новый тип излучателей ультразвуковых колебаний в газовые среды – электроакустических преобразователей, устройств трансформирующих электрическую энергию в энергию упругих колебаний твёрдого тела, которая в дальнейшем преобразуется в энергию акустического воздействия на газовые среды; - определены основные конструктивные параметры разработанных излучателей для воздействия на газовые среды, которые должны включать в себя концентратор ультразвуковых колебаний, согласующее бустерное звено, пьезоэлектрический преобразователь, дисковый излучающий элемент, отражатель для использования энергии излучения тыльной стороны диска и электронный генератор, предназначенный для питания преобразователя; - при проектировании и моделировании ультразвуковых колебательных систем на основе пьезоэлектрических преобразователей обоснован выбор активных пьезоэлектрических элементов, рассчитаны и оптимизированы тепловые режимы и режимы минимизации действующих механических напряжений; - для преодоления существенного различия акустических сопротивлений металла (титана) и воздуха, а также ограничения на диаметр поверхности, совершающей продольные колебания, не позволяющих создавать с помощью продольно колеблющихся излучателей в воздушной среде плоские или сферические волны с уровнем звукового давления свыше 140 дБ (необходимых для эффективной коагуляции мелкодисперсных частиц), излучающий элемент был выполнен в виде изгибно-колеблющегося диска, размеры и форма которого выбраны из условия обеспечения необходимой частоты и направленности излучения ультразвуковых колебаний; - разработан экспериментальный комплекс, состоящий из малой коагуляционной камеры (объемом 1,25 м3) и генератора образцового жидкостного аэрозоля с регулируемой дисперсностью; - предложен принцип генерации направленных в заданное пространство акустических колебаний путем закономерно пространственного расположения ультразвуковых излучателей и задания временного режима включения излучателей. Разработанный принцип расположения излучателей позволяет увеличить уровень звукового давления создаваемого в технологическом объеме пылеуловителя на 25-40%.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Имеются патенты


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
В ходе выполнения проекта в 2013 году будут получены следующие результаты: 1. Впервые получено научное обоснование необходимости рассмотрения ранее не учитываемых физических факторов, влияющих на эффективность процесса коагуляции дисперсных частиц. 2. Математическая модель поведения отдельной взвешенной частицы в акустическом поле ультразвуковой частоты высокой интенсивности, построенная с учетом выявленных влияющих факторов. 3. Математическая модель пространственного единичного взаимодействия двух субмикронных частиц в акустическом поле ультразвуковой частоты, разработанная с учетом степени влияния выявленных факторов. 4. Впервые найденные закономерности образования агрегатов частиц, зависимости размеров, плотности, формы и устойчивости полученных агрегатов частиц от характеристик ультразвукового воздействия. 5. Результаты экспериментальных исследований, подтвердившие оптимальность теоретически выявленных параметров ультразвукового воздействия.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
-


Срок реализации Проекта (месяцев)
-


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
350000


Ключевые слова

Технология очистки


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-