- Ultrasoon ontgassen van gesmolten metalen tot 2300 °C en gesmolten glas
- Maandag - vrijdag: 09:00 - 19:00
- Sialon Keramiek Aps - Østerbrogade 226 st. TV. - 2100 Kopenhagen - Denemarken
We verdubbelen de grootte van de bellen en verlagen de temperatuur (de wet van Stokes)
Ultrasoon effect van de bubbelgrootte op de raffinagesnelheid
Ultrasoon-ondersteunde glasraffinage kan mogelijk worden gebruikt om gasbellen uit gesmolten glas bij aanzienlijk lagere temperaturen dan het standaardproces en, heel belangrijk, zonder de verwerkingstijd te verlengen. Omdat het glasraffinageproces zeer energie-intensief is, levert het verlagen van de raffinagetemperatuur aanzienlijke energiebesparingen op. We laten hier zien dat ultrasone glasraffinage de totale energiekosten met wel 20% kan verlagen.
Glas smelten en glas raffineren
De glasproductie is een zeer energie-intensief proces dat zowel smelten als raffineren omvat. Smelten verwijst naar het beheersen van de chemische reacties die optreden bij de vorming van het glas uit de grondstoffen, en raffineren naar het proces waarbij luchtbellen uit het gevormde gesmolten glas worden verwijderd.
Het smelten van sodakalkglas gebeurt bij temperaturen rond de 1300 °C, terwijl het raffineren aanzienlijk hogere temperaturen vereist, namelijk ongeveer 1450 °C. Bij deze hogere temperatuur is de viscositeit van het gesmolten glas voldoende laag om luchtbellen in het glas naar het oppervlak te laten stijgen.
Het verhogen van de temperatuur van 1300 °C naar de raffinagetemperatuur van 1450 °C verbruikt ongeveer 40% van de totale energie die nodig is voor het volledige smelt- en glasraffinageproces. Het gecombineerde smelt- en raffinageproces duurt doorgaans zo'n 24 uur en verbruikt dus een aanzienlijke hoeveelheid energie.
Er bestaat een sterke correlatie tussen de grootte van de bellen, de temperatuur van het glasraffinageproces en de tijd. Simpel gezegd: grotere bellen stijgen sneller dan kleinere bellen; hogere raffinagetemperaturen verlagen de viscositeit van het gesmolten glas; bellen stijgen sneller wanneer de viscositeit lager is. Om de efficiëntie van het raffinageproces te verbeteren, willen we dus de diameter van de bellen vergroten en/of de viscositeit van het gesmolten glas verlagen. Zoals we zullen zien, stelt ultrasoon raffinage ons in staat om de grootte van de bellen te vergroten en bellen efficiënt te verwijderen zonder de temperatuur van het gesmolten glas te verhogen.
Het effect van de bubbelgrootte op de snelheid van ultrasoon geassisteerde glasraffinage
Meer formeel geformuleerd: als de gasbellen zouden samensmelten, dan zou volgens de wet van Stokes dezelfde zuiveringssnelheid bij hogere viscositeiten kunnen worden gehandhaafd. De wet van Stokes beschrijft de kracht F van een stilstaande bol met straal R, opgehangen in een vloeistof met een viscositeit η die beweegt met een relatieve snelheid v.
F = 6 π η R v
We kunnen deze relatie gebruiken om aan te tonen dat een verdubbeling van de bubbeldiameter, bijvoorbeeld van 0,4 mm naar 0,8 mm, theoretisch gezien dezelfde zuiveringssnelheid in gesmolten glas met een viscositeit van 400 Pa zou opleveren als met de kleinere bellen en een viscositeit van 100 Pa. Merk op dat 0,4 mm doorgaans de kleinste bubbeldiameter is die in ongeveer 16 uur door een diepte van één meter gesmolten glas stijgt, een snelheid van 20 micrometer per seconde.
Het verband is duidelijk te zien in het diagram, dat de viscositeit versus temperatuur weergeeft voor een typisch commercieel glas. Bij 1450 °C is de viscositeit 100 Pa, terwijl deze bij 1280 °C is gedaald tot 400 Pa. Volgens de wet van Stokes is de stijgsnelheid van een bel van 0,4 mm bij een viscositeit van 100 Pa gelijk aan die van een bel van 0,8 mm bij 400 Pa.
Met andere woorden, door de grootte van de bel te verdubbelen, zouden we dezelfde raffinagesnelheid kunnen bereiken bij een lagere temperatuur van ongeveer 1250 °C. Dit zou doorgaans een besparing van 20% op de totale energiekosten van het proces opleveren.
Hoewel deze analyse suggereert dat we aanzienlijke energiebesparingen kunnen realiseren in het raffinageproces door de diameter van de bellen in gesmolten glas te vergroten, is dit in de praktijk wel haalbaar?
viscositeit versus temperatuur
Het forceren van de samensmelting van bellen met behulp van ultrasone energie
De nieuwste ontwikkelingen in ultrasoon raffinage betekenen dat we nu ultrasone energie kunnen gebruiken om de grootte van bellen te vergroten tijdens het raffineren van glas. Hoewel er meerdere processen bij betrokken zijn, is cavitatie het belangrijkste.
Cavitatie is een energierijk proces dat de druk in het gesmolten glas snel verandert, waardoor lagedrukholtes of -vacuüms ontstaan. Deze vacuüms fungeren als kiemcentra waarin opgeloste gassen en bellen diffunderen en zich ophopen. Kleine bellen smelten samen tot grotere bellen, die, zoals we hebben aangetoond, sneller naar het oppervlak stijgen waar ze verdwijnen.
Conclusie
Door de bubbelgrootte tijdens het raffineren van glas met behulp van ultrasone energie , kunnen we standaard raffinagetijden bereiken zonder de viscositeit van het gesmolten glas te hoeven verlagen door de temperatuur na het smeltproces te verhogen. Dit betekent dat we kunnen kiezen tussen kortere verwerkingstijden of een lager energieverbruik.
Hoewel de potentiële energiebesparing per sector verschilt en afhankelijk is van vele factoren, waaronder de glasindustrie en de kwaliteitseisen, is een energiebesparing tot wel 20% mogelijk met ultrasoon ondersteunde glasraffinage. Deze energiebesparing biedt een aanzienlijk potentieel voordeel voor deze energie-intensieve industrie.