- Penghilangan Gas dengan Ultrasonik pada Logam Cair hingga 2.300°C dan Kaca Cair
- Senin–Jumat: 09.00–19.00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226, lantai bawah - 2100 Kopenhagen - Denmark
Kami menggandakan ukuran gelembung dan menurunkan suhunya (Hukum Stoke)
Pengaruh ultrasonik ukuran gelembung terhadap laju pemurnian
Proses pemurnian kaca cair dengan bantuan ultrasonik berpotensi digunakan untuk menghilangkan gelembung gas dari kaca cair pada suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan proses standar dan, yang sangat penting, tanpa perlu memperpanjang waktu pemrosesan. Karena proses pemurnian kaca cair sangat boros energi, penurunan suhu pemurnian kaca dapat menghasilkan penghematan energi yang signifikan. Di sini kami menunjukkan bahwa pemurnian kaca dengan ultrasonik berpotensi mengurangi total biaya energi hingga 20%.
Peleburan kaca dan pemurnian kaca
Pembuatan kaca merupakan proses yang sangat boros energi, yang melibatkan dua tahap, yaitu peleburan dan pemurnian. Peleburan mengacu pada pengendalian reaksi kimia yang terjadi dalam pembentukan kaca dari bahan baku, sedangkan pemurnian mengacu pada proses penghilangan gelembung dari kaca cair yang telah terbentuk.
Peleburan kaca soda-lime dilakukan pada suhu sekitar 1.300 °C, sedangkan proses pemurnian memerlukan suhu yang jauh lebih tinggi, yaitu sekitar 1.450 °C. Pada suhu yang lebih tinggi ini, viskositas kaca cair sudah cukup rendah sehingga gelembung-gelembung di dalam kaca dapat naik ke permukaan.
Menaikkan suhu dari 1.300 °C hingga suhu pemurnian sebesar 1.450 °C menghabiskan sekitar 40% dari total energi yang digunakan dalam seluruh proses peleburan dan pemurnian kaca. Biasanya, proses peleburan dan pemurnian secara keseluruhan memakan waktu sekitar 24 jam dan karenanya menghabiskan jumlah energi yang cukup besar.
Terdapat korelasi yang kuat antara ukuran gelembung, suhu pemurnian kaca, dan waktu. Secara sederhana, gelembung yang lebih besar naik lebih cepat daripada gelembung yang lebih kecil; suhu pemurnian yang lebih tinggi menurunkan viskositas kaca cair; gelembung naik lebih cepat ketika viskositasnya lebih rendah. Oleh karena itu, untuk meningkatkan efisiensi proses pemurnian, kita perlu meningkatkan diameter gelembung dan/atau menurunkan viskositas kaca cair. Sebagaimana akan kita lihat, pemurnian ultrasonik memungkinkan kita untuk meningkatkan ukuran gelembung dan menghilangkan gelembung secara efisien tanpa perlu menaikkan suhu kaca cair.
Pengaruh ukuran gelembung terhadap laju pemurnian kaca dengan bantuan ultrasonik
Secara lebih formal, jika gelembung-gelembung gas tersebut bergabung, maka, menurut Hukum Stokes, laju pemurnian yang sama dapat dipertahankan pada viskositas yang lebih tinggi. Hukum Stokes menyatakan gaya F yang dialami oleh bola diam berjari-jari R yang terendam dalam fluida dengan viskositas η dan bergerak dengan kecepatan relatif v.
F = 6 π η R v
Kita dapat menggunakan hubungan ini untuk menunjukkan bahwa menggandakan diameter gelembung—misalnya dari 0,4 mm menjadi 0,8 mm—secara teoritis akan memungkinkan kita mencapai laju pemurnian yang sama pada kaca cair dengan viskositas 400 Pa, seperti yang terjadi pada gelembung yang lebih kecil dengan viskositas 100 Pa. Perlu dicatat bahwa 0,4 mm umumnya merupakan diameter gelembung terkecil yang dapat naik melalui kedalaman satu meter kaca cair dalam waktu sekitar 16 jam, dengan laju 20 mikrometer per detik.
Hubungan tersebut terlihat jelas dari diagram yang menunjukkan hubungan viskositas terhadap suhu pada kaca komersial pada umumnya. Pada suhu 1.450 °C, viskositasnya sebesar 100 Pa, sedangkan pada suhu 1.280 °C viskositasnya telah berkurang menjadi 400 Pa. Berdasarkan hukum Stokes, laju naik gelembung berdiameter 0,4 mm pada viskositas 100 Pa sama dengan laju naik gelembung berdiameter 0,8 mm pada viskositas 400 Pa.
Dengan kata lain, dengan menggandakan ukuran gelembung, kita dapat mencapai laju pemurnian yang sama pada suhu yang lebih rendah, yaitu sekitar 1250 °C. Biasanya, hal ini akan menghemat 20% dari total biaya energi proses tersebut.
Meskipun analisis ini menunjukkan bahwa kita dapat menghemat energi secara signifikan dalam proses pemurnian dengan meningkatkan diameter gelembung pada kaca cair, apakah hal ini dapat diwujudkan secara praktis?
viskositas terhadap suhu
Mendorong penggabungan gelembung menggunakan energi ultrasonik
Kemajuan terbaru dalam proses pemurnian ultrasonik memungkinkan kita kini memanfaatkan energi ultrasonik untuk memperbesar ukuran gelembung selama proses pemurnian kaca. Meskipun terdapat beberapa proses yang terlibat, proses yang paling dominan adalah kavitasi.
Kavitasi adalah proses berenergi tinggi yang secara cepat mengubah tekanan dalam kaca cair sehingga membentuk rongga atau ruang hampa bertekanan rendah. Ruang hampa tersebut berfungsi sebagai pusat nukleasi tempat gas terlarut dan gelembung menyebar serta terakumulasi. Pada dasarnya, gelembung-gelembung kecil tersebut bergabung membentuk gelembung yang lebih besar, yang—sebagaimana telah kami tunjukkan—naik lebih cepat ke permukaan, di mana gelembung-gelembung tersebut kemudian menghilang.
Kesimpulan
Dengan meningkatkan ukuran gelembung selama proses pemurnian kaca menggunakan energi ultrasonik, kita dapat mencapai waktu pemurnian standar tanpa perlu menurunkan viskositas lelehan kaca dengan menaikkan suhunya setelah proses peleburan kaca. Hal ini berarti kita memiliki pilihan untuk mempersingkat waktu pemrosesan atau mengurangi energi yang digunakan dalam proses tersebut.
Meskipun potensi penghematan energi akan bervariasi di seluruh industri dan bergantung pada banyak faktor, termasuk sektor industri kaca dan persyaratan kualitas, penghematan energi hingga 20% dapat dicapai melalui proses pemurnian kaca dengan bantuan ultrasonik. Penghematan energi ini menawarkan manfaat potensial yang signifikan bagi industri yang sangat boros energi ini.