Образование аэрозолей

Существует два пути образования аэрозолей: дробление крупных тел (диспергация) и объединение отдельных молекул (конденсация). В результате протекания первого способа возникают пылевые облака. Такие аэрозоли называются соответственно диспергационные.

Также существуют туманы и дымы. К первым относятся конденсационные аэрозоли, состоящие из жидких частиц, а ко вторым – из твёрдых. Следует отметить непредсказуемый характер процесса их образования. Как было сказано выше, существует всего два основных механизма его протекания – конденсация и диспергация. Они также могут быть во множестве вариантов.

Рассмотрим эти два процесса по порядку.

Конденсационное образование частиц может происходить за счёт присоединения молекул к уже существующей пылинке или иону. В этом случае его принято называть гетерогенным. Существует также и гомогенная конденсация. При её протекании частица зарождается из пара путём объединения одинаковых молекул. Рассмотренный процесс называется нуклеацией (от лат. «nucleus» - ядро).

Как известно, каждой температуре соответствует такое давление, при котором обеспечивается равновесие пара и жидкости (равновесное). Обычно конденсация начинается из-за охлаждения пара или образования большого количества вещества в паровой форме. Последнее происходит путём газофазной химической реакции. В результате протекания выше описанных процессов давление пара превышает равновесное – точку росы. В ней не происходит никакого образования аэрозолей в объёме. В этом случае конденсация может происходить только на поверхности и при перенасыщенной системе, т. е. когда давление паров значительно превышает равновесное.

Создатель статической термодинамики Джозайя Уиллард Гиббс объяснил, что это явление происходит в связи с избыточной поверхностной энергией частиц. При этом давление паров p над ними значительно превышает значение данного показателя на плоскостью p0. Соотношение между этими двумя величинами, а также зависимость первой от температуры и поверхностного натяжения на границе пар-жидкость описывается формулой Кельвина:

p=p0exp(-2σM/RTaρ), (1.7)

где: σ – поверхностное натяжение; М – молекулярный вес; R – универсальная газовая постоянная; ρ – плотность.

Из формулы Кельвина видно, что чем меньше размер частицы, тем больше разница между давлением над плоскость и равновесным. При этом образование кластеров (0,0005…0,001 мкм) оказывается термодинамически невыгодным, так как для него необходимо затратить работу, составляющую, согласно оценке Гиббса, их поверхностной энергии.

В основе механизма диспергирования жидкости лежит метод подвода энергии, расходуемой непосредственно на распыливание. Такой принцип разделения был предложен В. С. Галустовым. Согласно этой классификации, основанной на методе подвода энергии на диспергирование и дополнении известных ранее новыми, выделяют десять способов распыливания. Рассмотрим их по порядку.

При гидравлическом распыливании основной энергетический фактор распада жидкости на частицы – давление нагнетания. Вначале поток рабочего раствора проходит через форсунку. Вследствие этого он приобретает высокую скорость. В зависимости от принадлежности форсунки к тому или иному классу, жидкостный поток преобразуется в форму, за счёт которой происходит быстрый и эффективный его распад (струя, плёнка, крупные осколки и возбуждённые частицы).

Рис.  – Способы распыливания жидкости

Пневматическое распыление предусматривает подвод энергии к распыливаемой жидкости при помощи динамического взаимодействия с высокоскоростным потоком диспергирующего агента (газа). За счёт этого в форсунке и за её пределами рабочий раствор расслаивается на отдельные нити, распадающиеся после этого на частицы.

Механическое распыливание осуществляется при трении жидкости о быстро вращающийся рабочий элемент. Вследствие этого она приобретает энергию и вращательное движение. Далее жидкость под действием центробежных сил срывается с форсунки (в виде плёнки или струи) и дробится на частицы.

Существует также электростатическое распыливание. Оно осуществляется за счёт сообщения жидкости электрического заряда либо до её истечения, либо непосредственно при нём. На распыливаемый рабочий раствор действуют кулоновские силы. Вследствие этого его струя (плёнка) распадается на частицы, размеры которых обеспечивают уравновешивание сил взаимного отталкивания силами поверхностного натяжения.

Ультразвуковое распыливание осуществляется в результате подачи жидкости на колеблющийся с ультразвуковой частотой элемент пьезоэлектрического или магнитострикционного генератора, откуда она срывается в виде мелких частиц.

Акустический метод во многом схож с пневматическим. Но, в отличие от него, при получении жидкостью энергии за счёт взаимодействия с потоком газа последнему сообщаются колебания ультразвуковой частоты. В результате этого при прочих равных условиях осуществляется более тонкое и однородное дробление струи (плёнки).

Отличительной особенностью пульсационного распыливания является воздействие колебаний давления и/или расхода на поток вытекающей из форсунки жидкости. В результате дополнительных её пульсаций происходит увеличение поверхностной энергии, вследствие чего устойчивость потока быстро теряется. За счёт этого дробление жидкости получается более тонким.

Данный способ распыливания может сочетаться с любым из рассмотренным выше. При этом к ним прибавляется ещё одно преимущество: возможность обеспечения более тонкого и однородного распыла без увеличения энергозатрат при незначительном усложнении конструкции форсунок.

При распыливании с предварительным газонасыщением последнее осуществляется перед подачей в распылитель или непосредственно в нём. Газ, распределённый в жидкости в виде пузырьков сжимается до её давления и частично растворяется. При этом возрастает и поверхностная энергия потока. Это происходит за счёт предварительного дробления жидкости ещё до истечения. Следовательно, распад рабочего раствора на более мелкие, чем при обычном гидравлическом распыливании, частицы при истечении его из форсунки осуществляется из-за взрывного расширения пузырьков и десорбции растворённого газа.

Сущность электрогидравлического распыливания заключается в передаче потоку жидкости дополнительной энергии за счёт высоковольтного электрического разряда (пробоя) в полости распылителя. При этом в плазменном шнуре колебания температуры достигают нескольких тысяч градусов, а перепады давления исчисляются сотнями мегапаскалей. Выбрасываемый в результате этого высокоскоростной поток капель догоняет и дополнительно дробит частицы, покинувшие форсунку в интервале между импульсами. При этом присутствуют эффекты, сопровождающие разряд (ударная волна, кавитация). По продолжительности они практически равны интервалам между импульсами и обеспечивают эффективное дробление выходящей из форсунки жидкости.

Комбинированные способы распыливания представляют собой сочетание нескольких выше перечисленных способов.

Однако для осуществления качественного дробления жидкости необходимо не только правильно выбрать тип распылителя, но и обосновать технологическую схему и рациональные параметры распылителя.