- Ultrasone ontgassing van gesmolten metalen tot 2.300 °C en gesmolten glas
- Maandag - vrijdag: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226, 1e verdieping - 2100 Kopenhagen - Denemarken
We verdubbelen de grootte van de bel en verlagen de temperatuur (de wet van Stoke)
Ultrasoon effect van de grootte van de luchtbellen op de raffinagesnelheid
Het verfijnen van gesmolten glas met behulp van ultrasone trillingen kan mogelijk worden ingezet om gasbellen uit gesmolten glas te verwijderen bij aanzienlijk lagere temperaturen dan bij het standaardproces en, wat heel belangrijk is, zonder dat de verwerkingstijd hoeft te worden verlengd. Aangezien het verfijningsproces van gesmolten glas zeer energie-intensief is, levert het verlagen van de verfijningstemperatuur een aanzienlijke energiebesparing op. Hier laten we zien dat het verfijnen van glas met ultrasone trillingen de totale energiekosten met wel 20% kan verlagen.
Glassmelten en glasveredeling
De glasproductie is een zeer energie-intensief proces dat zowel smelten als verfijnen omvat. Met smelten wordt bedoeld het beheersen van de chemische reacties die plaatsvinden bij de vorming van glas uit grondstoffen, en met verfijnen wordt het proces bedoeld waarbij luchtbellen uit het gesmolten glas worden verwijderd.
Het smelten van natrium-kalkglas vindt plaats bij temperaturen van ongeveer 1.300 °C, terwijl voor het raffineren aanzienlijk hogere temperaturen van ongeveer 1.450 °C nodig zijn. Bij deze hogere temperatuur is de viscositeit van het gesmolten glas laag genoeg om luchtbellen in het glas naar het oppervlak te laten stijgen.
Het verhogen van de temperatuur van 1.300 °C tot de raffinagetemperatuur van 1.450 °C kost ongeveer 40% van de totale energie die tijdens het gehele smelt- en glasraffinageproces wordt verbruikt. Doorgaans duren de gecombineerde smelt- en raffinageprocessen ongeveer 24 uur en verbruiken ze dus een aanzienlijke hoeveelheid energie.
Er bestaat een sterke samenhang tussen de grootte van de luchtbellen, de raffinagetemperatuur van het glas en de tijd. Eenvoudig gezegd: grotere luchtbellen stijgen sneller op dan kleinere; hogere raffinagetemperaturen verlagen de viscositeit van het gesmolten glas; luchtbellen stijgen sneller op wanneer de viscositeit lager is. Om de efficiëntie van het raffinageproces te verbeteren, willen we dus de diameter van de luchtbellen vergroten en/of de viscositeit van het gesmolten glas verlagen. Zoals we zullen zien, stelt ultrasoon raffineren ons in staat om de bubbelgrootte te vergroten en bubbels efficiënt te verwijderen zonder dat de temperatuur van het gesmolten glas hoeft te worden verhoogd.
Het effect van de bubbelgrootte op de snelheid van glasverfijning met behulp van ultrasone trillingen
Meer formeel gezegd: als de gasbellen zouden samensmelten, dan zou volgens de wet van Stokes bij hogere viscositeiten dezelfde raffinagesnelheid kunnen worden gehandhaafd. De wet van Stokes beschrijft de kracht F van een stilstaande bol met straal R die in een vloeistof met viscositeit η zweeft en zich met een relatieve snelheid v voortbeweegt.
F = 6 π η R v
We kunnen deze relatie gebruiken om aan te tonen dat een verdubbeling van de beldiameter, bijvoorbeeld van 0,4 mm naar 0,8 mm, ons theoretisch in staat zou stellen om in gesmolten glas met een viscositeit van 400 Pa dezelfde verfijningssnelheid te bereiken als bij de kleinere bellen en een viscositeit van 100 Pa. Merk op dat 0,4 mm doorgaans de kleinste bellen-diameter is die in ongeveer 16 uur door een diepte van één meter gesmolten glas zou stijgen, met een snelheid van 20 micrometer per seconde.
Dit verband blijkt uit de grafiek, die de viscositeit in functie van de temperatuur weergeeft voor een gangbaar commercieel glas. Bij 1.450 °C bedraagt de viscositeit 100 Pa, terwijl deze bij 1.280 °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 opleveren van 20% op de totale energiekosten van het proces.
Hoewel uit deze analyse blijkt dat we aanzienlijke energiebesparingen kunnen realiseren in het raffinageproces door de diameter van de luchtbellen in gesmolten glas te vergroten, is het dan ook in de praktijk haalbaar?
viscositeit versus temperatuur
Het samenvoegen van bellen door middel van ultrasone energie
Dankzij de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van ultrasone verfijning kunnen we nu ultrasone energie gebruiken om de grootte van de luchtbellen tijdens het verfijnen van glas te vergroten. Hoewel er meerdere processen bij betrokken zijn, speelt cavitatie hierbij de belangrijkste rol.
Cavitatie is een proces met hoge energie waarbij de druk in het gesmolten glas snel verandert, waardoor holtes of luchtbellen met lage druk ontstaan. Deze holtes fungeren als kernvormingscentra waarin opgeloste gassen en luchtbellen diffunderen en zich ophopen. In feite smelten kleine luchtbellen samen tot grotere luchtbellen, die – zoals we hebben aangetoond – sneller naar het oppervlak stijgen, waar ze verdwijnen.
Conclusie
Door de bubbelgrootte tijdens het verfijnen van glas met behulp van ultrasone energie te vergroten, kunnen we de standaard verfijningstijden halen zonder dat we de viscositeit van de glassmelt hoeven te verlagen door de temperatuur ervan na het smeltproces te verhogen. Dit betekent dat we de keuze hebben om ofwel de verwerkingstijden te verkorten, ofwel het energieverbruik in het proces te verminderen.
Hoewel de potentiële energiebesparing per bedrijfstak kan verschillen en afhankelijk is van talrijke factoren, waaronder de specifieke sector binnen de glasindustrie en de kwaliteitseisen, kan bij glasverfijning met behulp van ultrasone trillingen een potentiële energiebesparing tot 20% worden gerealiseerd. Deze energiebesparing biedt een aanzienlijk potentieel voordeel voor deze zeer energie-intensieve industrie.