А. Лиакумович - Научно-практические основы процесса дегидрирования этилбензола в присутствии водяного пара, полученного из воды, подвергнутой физическому воздействию Страница 4

1.2.2 Применение акустики в химии и химической технологии

Ак колебания с частотой от 20 кГц до 1 ГГц условно принято называть ультразвуковыми (УЗ), от 15 Гц до 20 кГц – звуковыми (ЗВ), а ниже 15 Гц – инфразвуковыми [86].

Часто в химических процессах УЗ действует как катализатор [87]. Вещества, участвующие в реакции, с его помощью делают мелкодисперсными, что намного повышает их химическую активность. Если среди продуктов реакции имеется газ, то УЗ способствует его быстрому выведению из смеси. УЗ облучение ускоряет многие реакции с участием органических веществ. Среди них, прежде всего, следует назвать реакцию алкилирования парафина при производстве топлива с высоким октановым числом. УЗ метод приготовления дисперсных металлических катализаторов, таких как натрий и ртуть, обладает значительными преимуществами перед традиционными механическими методами. Под действием УЗ во многих реакциях возможно увеличение скорости в несколько раз (например, в реакциях гидрирования, изомеризации, окисления и др.), иногда одновременно возрастает и выход. Обнаружено инициирование колебательных процессов в некоторых системах, содержащих диалкилдихлорсиланы, которые в присутствии Na образуют циклические и линейные олигомеры, в этих системах под действием УЗ возникают периодические изменения концентрации олигомеров в результате их взаимного превращения.

Химические реакции, возникающие в жидкости под действием УЗ, можно условно разделить на:

1. Окислительно-восстановительные реакции, протекающие в водных растворах между растворенными веществами и продуктами разложения молекул воды внутри кавитационного пузырька (H•, ОН•, H2, H2O2).

2. Реакции между растворенными газами и веществами с высоким давлением пара, находящимися внутри кавитационного пузырька.

3. Цепные реакции, инициируемые не радикальными продуктами разложения воды, а каким-либо другим веществом, диссоциирующимся в кавитационном пузырьке, например, изомеризация малеиновой кислоты в фумаровую под действием Br, образующегося в результате звукохимической диссоциации Br2.

4. Реакции с участием макромолекул. Для этих реакций важна не только кавитация и связанные с нею ударные волны и кумулятивные струи, но и механические силы, расщепляющие молекулы. Образующиеся при этом макрорадикалы в присутствии мономера способны инициировать полимеризацию.

5. Инициирование взрыва в жидких и твердых взрывчатых веществах.

6. Реакции в жидких неводных системах, например, пиролиз и окисление УВ, окисление альдегидов и спиртов, алкилирование ароматических соединений, получение тиоамидов и тиокарбаматов, восстановление гидридами, металлами, амальгамами, олигомеризация и полимеризация галогенсиланов, синтез нитрилов, альдольная конденсация кетонов.

Основная энергетическая характеристика звукохимической реакции – энергетический выход, который выражается числом молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ поглощенной энергии. Энергетический выход продуктов окислительно-восстановительных реакций обычно не превышает нескольких единиц, а для цепных реакций достигает нескольких тысяч. Мощность ЗВ и УЗ колебаний может достичь десятков и сотен ватт или даже нескольких киловатт, интенсивность – десятков и сотен ватт на каждый квадратный сантиметр.

Излучатель колебаний не только приводит прилегающие к нему частицы среды в колебательное движение соотносительно их положения равновесия, но и вызывает постоянное их смещение – так называемый ЗВ ветер. Это проявляется в виде сильных гидродинамических течений, приводящих к интенсивному перемешиванию жидкой среды.

Наиболее успешно ЗВ колебания используются в процессах, связанных с жидкими состояниями реагентов, поскольку только в них возникает специфический процесс − кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на различные вещества.

Наиболее глубоко вопросы звукохимии освещены в монографии А.А. Маргулиса [88], по праву являющегося одним из основоположников звукохимии, Б.Г. Новицкого, работы которого в большей степени касаются использования УЗ в химико-технологических процессах, связанных с измельчением, либо активизацией твердых поверхностей, таких как поверхность твердых катализаторов.

Одним из основных факторов, способствующих интенсификации целого ряда технологических процессов являются Ак течения [89-91]. Способность Ак колебаний нарушать устойчивость стойких эмульсий и суспензий определила их применение в процессах отстаивания, так, ЗВ Ак нашла широкое применение в нефтяной промышленности. Ее используют при извлечении газа из водонефтяной эмульсии, обезвоживании и обессоливании нефти. Роторнопульсационная Ак обработка водонефтяной системы позволяет более интенсивно и полно отделять воду от нефти, нежели при термическом или термохимическом воздействии [92].

В [93] выявлен эффект Ак воздействия на диэтиленгликоль, глицерин, его водные растворы, полиэфиры, выражающийся в изменении их физических показателей: вязкости, плотности и показателя преломления. Авторы предполагают, что это вызвано трансформацией ассоциативных структур. Низкочастотное воздействие на глицерин приводило к интенсификации процесса его обезвоживания, что позволило исключить стадию сушки в технологии получения литьевого полиуретана.

Виброакустическая обработка эпоксидных и полиэфирных смол в интервале частот от 50 Гц до 20 кГц позволяет увеличить их реакционную способность [94], при этом увеличивается смачиваемость, и снижается дефектность полимерной матрицы в композитах. C применением механических колебаний УЗ частоты разработана новая технология литья под давлением, которая обеспечивает уменьшение вязкости расплава и возрастание скорости течения термопластов, что значительно увеличивает формуемость (до 60 %) [95]. Однако, несмотря на колоссальную привлекательность внешних физических воздействий, отсутствие массового производства установок, позволяющих проводить процессы непосредственно в поле воздействия, тормозит внедрение столь эффективного способа интенсификации в промышленность. На данном этапе развития конструкций микроволновых и Ак установок проблему можно решить путем непрерывной обработки сырьевых потоков [96]. Так, в работе [97] показано повышение эффективности процесса пиролиза УВ при обработке МВИ одного из сырьевых потоков – воды, используемой в качестве пара разбавления. Исследования, проведенные ранее на кафедре ТСК КГТУ с применением воды, подвергнутой различным физическим воздействиям в процессе получения СТ, также показали возможность интенсификации процесса [98].

1.3 Влияние физических полей на воду

Вода является очень необычным веществом, сложным и удивительным по своему составу, и имеет простую формулу H2O. При воздействии электромагнитными волнами, переменным и постоянным магнитным полем (ПМП), плазмой, Ак вода приобретает иные свойства; зафиксированы изменения структурных, оптических, кинетических, магнитных и других физико-химических свойств исследуемых систем [99].

Вода является одним из сильно поглощающих МВИ веществ, т.к. обладает высокой диэлектрической проницаемостью, уступая только диметилформамиду. Поглощение излучения в водных средах связано с механизмом ориентационной поляризации молекул. Внешнее ЭМП вызывает поворот молекул воды таким образом, чтобы их дипольные моменты ориентировались по направлению поля, чему препятствует тепловое движение. В результате появляется сдвиг фазы поляризации среды относительно поля, что и определяет диэлектрические потери. Происходит перекачка энергии во вращательные степени свободы полярных молекул с последующей диссипацией энергии за интервалы времени порядка 10-9-10-10 с за счет межмолекулярных взаимодействий [100].

Конец ознакомительного фрагмента.