- Degassamento a ultrasuoni di metalli fusi fino a 2.300 °C e vetro fuso
- Dal lunedì al venerdì: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramiche Aps - Østerbrogade 226 st. TV. - 2100 Copenaghen - Danimarca
Raddoppiamo le dimensioni della bolla e riduciamo la temperatura (legge di Stokes)
Effetto degli ultrasuoni sulla dimensione delle bolle e sulla velocità di raffinazione
La raffinazione del vetro fuso assistita da ultrasuoni può essere potenzialmente utilizzata per rimuovere le bolle di gas dal vetro fuso a temperature notevolmente inferiori rispetto al processo standard e, aspetto molto importante, senza la necessità di aumentare i tempi di lavorazione. Poiché il processo di raffinazione del vetro fuso è ad alta intensità energetica, la riduzione della temperatura di raffinazione del vetro consente un notevole risparmio energetico. In questo studio dimostriamo che la raffinazione ha il potenziale per ridurre i costi energetici totali fino al 20%.
Fusione e raffinazione del vetro
La produzione del vetro è un processo ad alta intensità energetica che prevede sia la fusione che la raffinazione. La fusione consiste nel controllo delle reazioni chimiche che avvengono durante la formazione del vetro a partire dalle materie prime, mentre la raffinazione è il processo di rimozione delle bolle d'aria dal vetro fuso.
La fusione dei vetri sodico-calcici avviene a temperature intorno ai 1.300 °C, mentre la raffinazione richiede temperature significativamente più elevate, intorno ai 1.450 °C. A questa temperatura più alta, la viscosità del vetro fuso è sufficientemente bassa da permettere alle bolle presenti nel vetro di risalire in superficie.
L'innalzamento della temperatura da 1.300 °C alla temperatura di raffinazione di 1.450 °C consuma circa il 40% dell'energia totale utilizzata nell'intero processo di fusione e raffinazione del vetro. In genere, i processi combinati di fusione e raffinazione richiedono circa 24 ore e quindi consumano una notevole quantità di energia.
Esiste una forte correlazione tra la dimensione delle bolle, la temperatura di raffinazione del vetro e il tempo. In parole semplici, le bolle più grandi risalgono più velocemente di quelle più piccole; temperature di raffinazione più elevate riducono la viscosità del vetro fuso; le bolle risalgono più rapidamente quando la viscosità è inferiore. Pertanto, per migliorare l'efficienza del processo di raffinazione, è auspicabile aumentare il diametro delle bolle e/o ridurre la viscosità del vetro fuso. Come vedremo, la raffinazione a ultrasuoni consente di aumentare le dimensioni delle bolle e di rimuoverle efficacemente senza la necessità di innalzare la temperatura del vetro fuso.
L'effetto della dimensione delle bolle sulla velocità di raffinazione del vetro assistita da ultrasuoni
Più formalmente, se le bolle di gas dovessero coalescere, allora, secondo la legge di Stokes, lo stesso tasso di raffinazione potrebbe essere mantenuto a viscosità più elevate. La legge di Stokes esprime la forza F di una sfera stazionaria di raggio R sospesa in un fluido con viscosità η che si muove con una velocità relativa v.
F = 6 π η R v
Possiamo usare questa relazione per dimostrare che raddoppiando il diametro delle bolle, ad esempio da 0,4 mm a 0,8 mm, potremmo teoricamente ottenere lo stesso tasso di raffinazione in un vetro fuso con una viscosità di 400 Pa che si otterrebbe con bolle più piccole e una viscosità di 100 Pa. Si noti che 0,4 mm è in genere il diametro minimo delle bolle che risalgono attraverso uno strato di vetro fuso di un metro in circa 16 ore, a una velocità di 20 micrometri/secondo.
La relazione è evidente dal diagramma, che mostra la viscosità in funzione della temperatura per un tipico vetro commerciale. A 1450 °C, la viscosità è di 100 Pa, mentre a 1280 °C si è ridotta a 400 Pa. Per la legge di Stokes, la velocità di risalita di una bolla di 0,4 mm con una viscosità di 100 Pa è la stessa di quella di una bolla di 0,8 mm con una viscosità di 400 Pa.
In altre parole, raddoppiando le dimensioni della bolla, potremmo ottenere lo stesso tasso di raffinazione a una temperatura ridotta di circa 1250 °C. In genere, ciò consentirebbe un risparmio del 20% sul costo energetico totale del processo.
Sebbene questa analisi suggerisca che possiamo ottenere un notevole risparmio energetico nel processo di raffinazione aumentando il diametro delle bolle nel vetro fuso, è possibile raggiungere questo obiettivo nella pratica?
viscosità in funzione della temperatura
Coalescenza forzata delle bolle mediante energia ultrasonica
I recenti progressi nella raffinazione a ultrasuoni ci consentono ora di utilizzare l'energia ultrasonica per aumentare le dimensioni delle bolle durante la raffinazione del vetro. Sebbene siano coinvolti molteplici processi, quello dominante è la cavitazione.
La cavitazione è un processo ad alta energia che modifica rapidamente la pressione nel vetro fuso, creando cavità o vuoti a bassa pressione. Questi vuoti fungono da centri di nucleazione in cui i gas disciolti e le bolle diffondono e si accumulano. In pratica, le piccole bolle si uniscono formando bolle più grandi che, come abbiamo dimostrato, risalgono più rapidamente in superficie dove si disperdono.
Conclusione
L'aumento delle dimensioni delle bolle durante la raffinazione del vetro mediante energia ultrasonica ci consente di raggiungere tempi di raffinazione standard senza la necessità di ridurre la viscosità del vetro fuso aumentandone la temperatura dopo il processo di fusione. Ciò significa che abbiamo la possibilità di ridurre i tempi di lavorazione o di ridurre l'energia utilizzata nel processo.
Sebbene il potenziale risparmio energetico vari a seconda del settore e dipenda da numerosi fattori, tra cui il comparto vetrario e i requisiti di qualità, la raffinazione del vetro assistita da ultrasuoni può consentire un risparmio energetico fino al 20%. Questo risparmio energetico rappresenta un vantaggio considerevole per un settore ad alta intensità energetica come questo.