- Degassificazione a ultrasuoni di metalli fusi fino a 2.300°C e vetro fuso
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Raddoppiamo la dimensione della bolla e riduciamo la temperatura (legge di Stoke)
Effetto ultrasonico della dimensione della bolla sul tasso di raffinazione
La raffinazione del vetro fuso assistita dagli ultrasuoni può essere potenzialmente utilizzata per rimuovere le bolle di gas dal vetro fuso a temperature sostanzialmente inferiori rispetto al processo standard e, cosa 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 fornisce un significativo risparmio energetico. Qui dimostriamo che la raffinazione a ultrasuoni ha il potenziale di ridurre i costi energetici totali fino al 20%.
Fusione e raffinazione del vetro
La fabbricazione del vetro è un processo ad alta intensità energetica che coinvolge sia la fusione che la raffinazione. La fusione si riferisce al controllo delle reazioni chimiche che avvengono nella formazione del vetro dalle materie prime, e la raffinazione si riferisce al processo di rimozione delle bolle dal vetro fuso che si forma.
La fusione del vetro soda-calcico si ottiene a temperature di circa 1.300 °C, mentre la raffinazione richiede temperature significativamente più alte, circa 1.450 °C. A questa temperatura più alta, la viscosità del vetro fuso è sufficientemente bassa da permettere alle bolle nel vetro di salire in superficie.
L'aumento della temperatura da 1.300 °C alla temperatura di raffinazione di 1.450 °C consuma circa il 40% dell'energia totale utilizzata nel processo completo di fusione e raffinazione. Tipicamente i processi combinati di fusione e raffinazione richiedono circa 24 ore e quindi consumano una quantità considerevole di energia.
C'è una forte correlazione tra la dimensione delle bolle, la temperatura di raffinazione e il tempo. Semplicemente, le bolle più grandi salgono più velocemente di quelle più piccole; temperature di raffinazione più alte riducono la viscosità del vetro fuso; le bolle salgono più velocemente quando la viscosità è più bassa. Quindi, per migliorare l'efficienza del processo di raffinazione, vorremmo aumentare il diametro delle bolle e/o ridurre la viscosità del vetro fuso. Come vedremo, la raffinazione a ultrasuoni ci permette di aumentare la dimensione delle bolle e di rimuovere le bolle in modo efficiente senza la necessità di aumentare la temperatura del vetro fuso.
L'effetto della dimensione delle bolle sul tasso di raffinazione
Più formalmente, se le bolle di gas si coalizzassero, 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 una viscosità di η che si muove con una velocità relativa v.
F = 6 π η R v
Possiamo usare questa relazione per mostrare che raddoppiando il diametro della bolla da 0,4 mm a 0,8 mm, per esempio, si otterrebbe teoricamente la stessa velocità di raffinazione in un vetro fuso con una viscosità di 400 Pa, come avverrebbe con le bolle più piccole e una viscosità di 100 Pa. Si noti che 0,4 mm è tipicamente il più piccolo diametro di bolla che salirebbe attraverso una profondità di un metro di vetro fuso in circa 16 ore, un tasso di 20 micrometri/secondo.
La relazione è evidente dal diagramma, che mostra la viscosità in funzione della temperatura per un tipico vetro commerciale. A 1.450 °C, la viscosità è di 100 Pa, mentre a 1.280 °C si è ridotta a 400 Pa. Dalla legge di Stokes, la velocità di salita di una bolla di 0,4 mm a una viscosità di 100 Pa è la stessa di una bolla di 0,8 mm a 400 Pa.
In altre parole, raddoppiando la dimensione della bolla, potremmo ottenere lo stesso tasso di raffinazione a una temperatura ridotta di circa 1250 °C. In genere, questo consentirebbe di risparmiare il 20% del costo energetico totale del processo.
Mentre questa analisi suggerisce che possiamo fare un sostanziale risparmio energetico al processo di raffinazione aumentando il diametro delle bolle nel vetro fuso, possiamo realizzare questo praticamente?
viscosità rispetto alla temperatura
Forzare la coalescenza delle bolle usando l'energia ultrasonica
Gli ultimi progressi nella raffinazione a ultrasuoni significano che ora possiamo usare l'energia ultrasonica per aumentare la dimensione delle bolle durante la raffinazione del vetro. Mentre ci sono molteplici processi coinvolti, quello dominante è la cavitazione.
La cavitazione è un processo ad alta energia che cambia rapidamente la pressione nel vetro fuso creando cavità o vuoti a bassa pressione. I vuoti forniscono centri di nucleazione in cui i gas disciolti e le bolle si diffondono e si accumulano. In effetti, le piccole bolle si fondono formando bolle più grandi che, come abbiamo dimostrato, salgono più rapidamente in superficie dove si dissipano.
Conclusione
Aumentare la dimensione delle bolle durante la raffinazione del vetro usando l'energia ultrasonica significa che possiamo ottenere tempi di raffinazione standard senza la necessità di ridurre la viscosità del vetro fuso aumentando la sua temperatura dopo il processo di fusione del vetro. Questo significa che abbiamo la scelta di ridurre i tempi di lavorazione o di ridurre l'energia utilizzata nel processo.
Mentre il potenziale risparmio energetico varia a seconda dell'industria e dipende da molti fattori, tra cui il settore dell'industria del vetro e i requisiti di qualità, sono disponibili potenziali risparmi energetici fino al 20%. Questo risparmio energetico offre un vantaggio potenziale sostanziale per questa industria ad alta intensità energetica.