大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學(xué)處理系統(tǒng)V2.0

一、概述：

超聲波技術(shù)作為一種物理手段和工具，能夠在化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)中產(chǎn)生一系列接近于的條件，這種能量不僅能夠激發(fā)或促進(jìn)許多化學(xué)反應(yīng)、加快化學(xué)反應(yīng)速度，甚至還可以改變某些化學(xué)反應(yīng)的方向，產(chǎn)生一些令人意想不到的效果和奇跡。這就是聲化學(xué)。聲化學(xué)可應(yīng)用于幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)，如萃取與分離、合成與降解、生物柴油生產(chǎn)、治理微生物、降解有毒有機(jī)污染物、生物降解處理、生物細(xì)胞粉碎、分散和凝聚，等等。

南京先歐大功率超聲國內(nèi)*的大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學(xué)處理系統(tǒng)處理設(shè)備。不改變客戶現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程，通過簡單的安裝就可將你的普通設(shè)備升級為帶有超聲波的化工設(shè)備。超聲波功率大，投資少、安裝簡易、產(chǎn)量和效率得到明顯的提高。

超聲波技術(shù)還有一個突出的優(yōu)點，那就是它沒有運(yùn)動部件，沒有電磁輻射，安裝固定非常簡單，特別適合在高壓高溫、有毒、有爆炸危險的環(huán)境應(yīng)用。

大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學(xué)處理系統(tǒng)的另一個應(yīng)用是在污水處理和防垢除垢領(lǐng)域。眾多專家學(xué)者已經(jīng)做過大量的研究試驗，證明超聲波在管道和設(shè)備的防垢除垢方面卓有成效。功耗低，適應(yīng)面廣，安裝簡便，設(shè)備幾乎不用做任何改裝。

大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學(xué)處理系統(tǒng)V2.0典型技術(shù)參數(shù)：

其它頻率、功率和結(jié)構(gòu)有特殊要求可以定制。

二、超聲波基本原理及特性

超聲波是指頻率為2×104 Hz～107 Hz的聲波，它超過了人耳收聽頻率的范圍。超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時，通過機(jī)械作用、空化作用和熱作用，產(chǎn)生力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等一系列效應(yīng)。尤其是高功率的超聲波，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化作用，從而在局部形成瞬時高溫，高壓、真空和微射流。

超聲波技術(shù)作為一種物理手段和工具,能夠在化學(xué)反應(yīng)常用的介質(zhì)中產(chǎn)生一系列接近于的條件,這種能量不僅能夠激發(fā)或促進(jìn)許多化學(xué)反應(yīng)、加快化學(xué)反應(yīng)速度,甚至還可以改變某些化學(xué)反應(yīng)的方向,產(chǎn)生一些令人意想不到的效果和奇跡。一般認(rèn)為上述現(xiàn)象的發(fā)生主要源于超聲的機(jī)械作用和空化作用，是它們改變了反應(yīng)的條件和環(huán)境的結(jié)果。

    機(jī)械作用--將超聲波引入化學(xué)反應(yīng)體系，超聲波可使物質(zhì)作劇烈強(qiáng)迫運(yùn)動，產(chǎn)生單向力加速了物質(zhì)的傳遞、擴(kuò)散，可代替機(jī)械攪拌，能使物質(zhì)從表面剝離，從而使界面更新。

    空化作用--在一些情況下，超聲效應(yīng)的產(chǎn)生則要與空化機(jī)制相，聲空化是指在聲波作用下，存在于液體中的微小氣泡（空穴）所發(fā)生的一系列動力學(xué)過程：振蕩、擴(kuò)大、收縮乃至崩潰。在發(fā)生空化處，液體局部的狀態(tài)發(fā)生很大的變化，會產(chǎn)生的高溫和高壓。

 聲化學(xué)的應(yīng)用范圍很廣，涉及到生物化學(xué)、分析化學(xué)、催化化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、礦物化學(xué)處理、萃取與分離、合成與降解，等等。

 超聲波化學(xué)萃取、生物柴油生產(chǎn)和聲化學(xué)反應(yīng)生物質(zhì)提取所選取的頻率范圍為15KHz ～ 100KHz，其中頻率20KHz左右的超聲波使用zui多。其主要原因是超聲波系統(tǒng)頻率低，功率相應(yīng)大較，20k的超聲波系統(tǒng)也是zui成熟穩(wěn)定的。國外的應(yīng)用實踐也證明20kzui有效，并且已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。

三、大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學(xué)處理系統(tǒng)詳解：

基本構(gòu)成：

    大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學(xué)處理系統(tǒng)由超聲波振動部件和超聲波驅(qū)動電源和反應(yīng)釜三大部分構(gòu)成：超聲波振動部件主要包括大功率超聲波換能器、變幅桿、工具頭（發(fā)射頭），用于產(chǎn)生超聲波振動，并將此振動能量向液體中發(fā)射。換能器將輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，即超聲波。其表現(xiàn)形式是換能器在縱向作來回伸縮運(yùn)動，振幅一般在幾個微米。這樣的振幅功率密度不夠，是不能直接使用的。變幅桿按設(shè)計需要放大振幅，隔離反應(yīng)溶液和換能器，同時也起到固定整個超聲波振動系統(tǒng)的作用。工具頭與變幅桿相連，變幅桿將超聲波能量振動傳遞給工具頭，再由工具頭將超聲波能量發(fā)射到化學(xué)反應(yīng)液體中。

圖中所示的是超聲波聲化學(xué)處理器的典型結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際生產(chǎn)設(shè)備的不同要求，超聲波處理器的結(jié)構(gòu)形式和尺寸可以作相應(yīng)的變動。

超聲波驅(qū)動電源（超聲波發(fā)生器）包括整流電路，振蕩電路，放大電路，反饋電路，跟蹤電路、保護(hù)電路，匹配電路、顯示儀表等。用于產(chǎn)生高頻高功率電流，驅(qū)動超聲波振動部件工作。超聲波發(fā)生器的功率可調(diào)，以適應(yīng)不同的工作狀態(tài)。發(fā)生器內(nèi)還可根據(jù)需要集成有時序控制器，設(shè)定控制超聲波發(fā)振時間和間歇時間。

工作原理：

    目前對超聲化學(xué)的研究已涉及到化學(xué)、材料學(xué)、環(huán)保等許多領(lǐng)域，包括在有機(jī)合成、治理難生物降解有毒有機(jī)污染物方面的應(yīng)用。超聲波具傳播方向性強(qiáng)、介質(zhì)振動強(qiáng)度大、在液體中可產(chǎn)生空化現(xiàn)象等特點。超聲作用可以促使常規(guī)條件下不能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生或者提高現(xiàn)有的反應(yīng)速度及反應(yīng)程度。但這些并不是聲波直接作用于反應(yīng)物質(zhì)的結(jié)果，一般認(rèn)為上述現(xiàn)象的發(fā)生主要源于超聲的機(jī)械作用和空化作用，是它們改變了反應(yīng)的條件和環(huán)境的結(jié)果。

    機(jī)械作用--將超聲波引入化學(xué)反應(yīng)體系，超聲波可使物質(zhì)作劇烈強(qiáng)迫運(yùn)動，產(chǎn)生單向力加速了物質(zhì)的傳遞、擴(kuò)散，可代替機(jī)械攪拌，能使物質(zhì)從表面剝離，從而使界面更新。

    空化作用--在一些情況下，超聲效應(yīng)的產(chǎn)生則要與空化機(jī)制相，聲空化是指在聲波作用下，存在于液體中的微小氣泡（空穴）所發(fā)生的一系列動力學(xué)過程：振蕩、擴(kuò)大、收縮乃至崩潰。

上述這兩個作用是超聲能加速和通啟化學(xué)反應(yīng)的主要動因。

3、工作方式：

 大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學(xué)處理系統(tǒng)可以有兩種工作方式。

一種方式是被處理液體在正常的容器流通和反應(yīng)中，超聲波發(fā)射頭插入該液體中，發(fā)射超聲波。被處理的液體在容器中流過，同時就被強(qiáng)烈的超聲波作用。反應(yīng)容器大小或溫度高低均可。一般而言，對同樣大小的容器，液體的流量越小，或在容器中停留的時間越長，超聲波作用的強(qiáng)度也越強(qiáng)，當(dāng)然產(chǎn)量也越少。反之，控制超聲波作用時間越短，則超聲波作用強(qiáng)度就低，流量（即產(chǎn)量）就越高。這種方式也適用于防垢除垢應(yīng)用。

另一種處理方式是配用我公司的超聲波反應(yīng)釜，構(gòu)成一個完整的聲化學(xué)反應(yīng)器。被處理液體從反應(yīng)釜的一端流入，經(jīng)過超聲波的作用后，再從另一端流出。這種方式對原化學(xué)系統(tǒng)的改動zui小，效果*。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)條件、材料和目的的不同，一般作如下的配備：

1000W以下系統(tǒng)：主要用于實驗室和小型或中試系統(tǒng)

2000W系統(tǒng)：適用于zui大產(chǎn)量不超過800  L/h的化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備

3000W系統(tǒng)：適用于產(chǎn)量 200-1000  L/h的化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備

5000W系統(tǒng)：適用于產(chǎn)量 300-1600 L/h的化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備

一般一套超聲波處理單元的zui大功率不超過3000W。如果需要更大的功率，可以用多個單元組合。

四、主要技術(shù)指標(biāo)：

可選頻率范圍：15KHz ～ 60 KHz。

常用頻率：20KHz

每單元標(biāo)稱功率：1000W、2000W、3000W、5000W，頻率越低，每單元功率越大；頻率越高，每單元的功率越小。也可以多單元組合使用。

工具頭（探頭）材料：不銹鋼，鈦合金，也可根據(jù)用戶特殊要求定制。

超聲波振動部件典型尺寸： Φ160mm×800mm

超聲波振動部件典型重量：12 kg

驅(qū)動電源：模擬式電源，數(shù)控式電源，頻率自動跟蹤、過流過壓保護(hù)、功率大小可調(diào)。

驅(qū)動電源典型尺寸：350×250×120mm

驅(qū)動電源典型重量：18 kg

特別說明，超聲波聲化學(xué)應(yīng)用沒有統(tǒng)一的方式，應(yīng)用要求也是千差萬別，以上規(guī)格只是常用的一種。我們可以根據(jù)客戶的使用要求和實際狀況，提供超聲波應(yīng)用的方案論證、結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)配置及關(guān)鍵部件生產(chǎn)的全套解決方案。

五、超聲波聲化學(xué)背景資料：

    超聲在生物化學(xué)中的zui早應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是用超聲來粉碎細(xì)胞壁，以釋放出其內(nèi)容物。隨后的研究表明，低強(qiáng)度超聲可以促進(jìn)生化反應(yīng)過程，如用超聲照射液體營養(yǎng)基可增加藻類細(xì)胞的生長速度，從而使這些細(xì)胞產(chǎn)生蛋白質(zhì)的量增加3倍。

    超聲波聲場的能量密度與空化泡崩潰時的能量密度相比,能量密度被擴(kuò)大了萬億倍,引起能量的巨大集中;空化泡產(chǎn)生的高溫和高壓導(dǎo)致的聲化學(xué)現(xiàn)象和聲致發(fā)光,是聲化學(xué)中*的能量和物質(zhì)交換形式。所以，超聲波對化學(xué)萃取、生物柴油生產(chǎn)、有機(jī)合成、治理微生物、降解有毒有機(jī)污染物、化學(xué)反應(yīng)速度和產(chǎn)率、催化劑的催化效率、生物降解處理，超聲波防垢除垢、生物細(xì)胞粉碎、分散和凝聚、和聲化學(xué)反應(yīng)具有越來越大的作用。

1.超聲強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)。

    超聲強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)。主要動力來自超聲空化作用。空化泡核的崩潰產(chǎn)生局部高溫、高壓和強(qiáng)烈的沖擊波及微射流，為在一般條件下難以實現(xiàn)或不可能實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種新的非常特殊的物理化學(xué)環(huán)境。

2，超聲催化反應(yīng)。

    超聲催化反應(yīng)作為一個新興的研究領(lǐng)域已引起業(yè)內(nèi)工作者越來越濃厚的興趣。超聲波對催化反應(yīng)的作用主要是：

(1)高溫高壓條件有利于反應(yīng)物裂解成自由基和二價碳，形成更為活潑的反應(yīng)物種；

(2)沖擊波和微射流對固體表面(如催化劑)有解吸和清洗作用，可清除表面反應(yīng)產(chǎn)物或中間物及催化劑表面鈍化層；

(3)沖擊波可能破壞反應(yīng)物結(jié)構(gòu)

(4)分散反應(yīng)物系；

(5)超聲空蝕金屬表面，沖擊波導(dǎo)致金屬晶格的變形和內(nèi)部應(yīng)變區(qū)的形成，提高金屬的化學(xué)反應(yīng)活性；

6)促使溶劑深入到固體內(nèi)部，產(chǎn)生所謂的夾雜反應(yīng)；

(7)改善催化 劑分散性。

    在催化劑的制備中，常用到超聲波，超聲波的輻照可以增加催化劑的表面積使活性組分分散更均勻，催化活性增強(qiáng)。如美國Suslick等人發(fā)現(xiàn)，用超聲處理鎳催化劑，可以實現(xiàn)烯烴的常溫常壓加氫，在超聲波作用下，用鎳催化劑的烯烴加氫反應(yīng)活性可增大 倍以上，用 的超聲活化羰ji鐵催化劑，在室溫下使戊烯-1異構(gòu)為戊烯-2反應(yīng)速度提高了10 倍。

    已有大量的研究報道表明，超聲在化學(xué)合成方面有驚人的作用。在有機(jī)合成方面已成為常規(guī)合成技術(shù)，如格林試劑的合成中，傳統(tǒng)工藝需使用嚴(yán)格干燥的乙mi且需加入少量碘作誘導(dǎo)劑，而在超聲照射下，只需普通試劑級乙mi而無需干燥。反應(yīng)的誘導(dǎo)期也大大縮短至幾秒；用鎳粉催化的烯烴加氫反應(yīng)，在超聲照射下，反應(yīng)速度可以加快 倍以上。

    在超聲均相催化反應(yīng)中，研究較多的是金屬羰基化合物作為催化劑的烯烴異構(gòu)化反應(yīng)。 Suclick等詳細(xì)研究了超聲條件下以Fe(co)5為催化劑的1—戊烯異構(gòu)化生成2—戊烯的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)超聲條件下的的反應(yīng)速率比沒有超聲時增加了105倍。Suclik等分析認(rèn)為，超聲空化氣泡崩潰時產(chǎn)生的高溫高壓以及周圍環(huán)境的快速冷卻有利于Fe(CO)5解離，形成更高活性物種Fe3(C0)12。

    前蘇聯(lián)的Mai，tsev較早研究了超聲對多相催化過程的影響，發(fā)現(xiàn)超聲能使單程轉(zhuǎn)化率提高近1 0倍，其原因認(rèn)為是增加了催化劑 的分散度。近年來，Han等考察了低強(qiáng)度超聲（≤10W／cm2)作用下Reformatsky反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在超聲30min后，反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)到90％以上。更重要的是，不必再通過還原無水氯化鋅來制備具有高度活性的鋅粉， 也不必再使用*基硼酸鹽。Suslick等在聲強(qiáng)為50W／cm2條件下研究了此反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在25℃時該混合物超聲5min后，產(chǎn)率可達(dá)95％以上，同時發(fā)現(xiàn)助催劑在此對產(chǎn)率和反應(yīng)時間并無影響。Suslick等詳細(xì)研究了鎳粉作為催化劑的加氫反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在超聲作用下其反應(yīng)活性提高了5 個數(shù)量級。

    *、普通鎳粉對烯烴加氫反應(yīng)的催化活性很差， 一般在300h左右后反應(yīng)都難以進(jìn)行。但用超聲處理鎳粉后，反應(yīng)很快啟動，其反應(yīng)速*隨超聲處理時間的延長而增加，后又逐漸減少。Ronmy和Price等研究了在相轉(zhuǎn)移堿催化中的烷基硝基苯自氧化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在超聲作用下反應(yīng)速度大幅上升，反應(yīng)時間縮短2h，酸的選擇性顯著提高，產(chǎn)物中有大量硝基苯甲酸生成。

    超聲波在催化劑的活化、再生和制備中也顯示出*的優(yōu)勢。美國伊利諾斯大學(xué)研制成功一種超聲波洗滌浴，可用于除去鎳粉表面的氧化膜，使鎳催化劑活化。美國Exxon公司Henry報道，用超聲波可使加氫裂化使用的持久失活的鎳—鉬催化劑得以再生。zui近，Suslick等在超聲作用下研究fe(Co)5和Co(C0)3的相互作用發(fā)現(xiàn)：在強(qiáng)超聲作用下形成了納米級Fe-Co合金催化劑，其對環(huán)已烷的脫氫解具有很高的活性，詳細(xì)的機(jī)理正進(jìn)一步研究中。

超聲聚合物化學(xué)

    超聲波正聚合物化學(xué)方面的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。超聲處理可以降解大分子，尤其是處理高分子量聚合物的降解效果更顯著。纖維素、明膠、橡膠和蛋白質(zhì)等經(jīng)超聲處理后都可得到很好的降解效果。目前對超聲降解機(jī)理一般認(rèn)為超聲降解的原因是由于受到力的作用以及空化泡爆裂時的高壓影響，另外部分降解可能是來自熱的作用。 一定條件下功率超聲也可引發(fā)聚合，強(qiáng)超聲輻照可引發(fā)聚乙xi醇與丙烯腈共聚制備嵌段共聚物、聚醋酸乙烯與聚環(huán)氧乙烷共聚形成接枝共聚物等。

超聲場強(qiáng)化新型化學(xué)反應(yīng)技術(shù)

    新型化學(xué)反應(yīng)技術(shù)和超聲場強(qiáng)化相結(jié)合是超聲化學(xué)領(lǐng)域中又一潛力的發(fā)展方向。如以超臨界流體為介質(zhì)，用超聲場進(jìn)行強(qiáng)化的催化反應(yīng)。如以超臨界流體具有類似于液體的密度和類似于氣體的粘度和擴(kuò)散系數(shù)，這使得其溶解相當(dāng)于液體，傳質(zhì)能力相當(dāng)于氣體。利用超臨界流體良好的溶解性能和擴(kuò)散性能，可以很好地改善非均相催化劑的失活問題，但如能加以超聲場進(jìn)行強(qiáng)化，則無疑是錦上添花。超聲空化產(chǎn)生的沖擊波和微射流不但可以極大地增強(qiáng)超臨界流體溶解某些導(dǎo)致催化劑失活的物質(zhì)，起到解吸和清洗的作用，使催化劑長時間保持活性，而且還有攪拌的作用，能分散反應(yīng)物系，令超臨界流體化學(xué)反應(yīng)傳質(zhì)速率更上一層樓。另外，超聲空化形成的局部點高溫高壓將有利于反應(yīng)物裂解成自由基，大大加快反應(yīng)速率。目前對超臨界流體化學(xué)反應(yīng)研究較多，但利用超聲場強(qiáng)化此類反應(yīng)的研究極少。

大功率超聲波應(yīng)用于生物柴油生產(chǎn)

生物柴油制備的關(guān)鍵是脂肪酸甘油酯與甲醇等低碳醇的催化酯交換反應(yīng)，而超聲波具有明顯的強(qiáng)化酯交換反應(yīng)的作用，特別是對非均相的反應(yīng)體系可明顯增強(qiáng)其混合（乳化）效果和促進(jìn)分子間接觸反應(yīng)，使原本需高溫（高壓）條件下進(jìn)行的反應(yīng)，在室溫（或接近室溫）條件下就可完成，并且縮短反應(yīng)時間。超聲波不僅用于酯交換反應(yīng)過程，而且用于反應(yīng)混合物的分離過程。  美國密西西比州立大學(xué)的研究人員在生物柴油生產(chǎn)中采用超聲波加工，5分鐘內(nèi)使生物柴油產(chǎn)率超過99%，而采用常規(guī)的批量反應(yīng)器系統(tǒng)需1個小時以上。該成果近日已在美國《能源和燃料》雜志上發(fā)布。

    另據(jù)報道，采用超聲波加工使常規(guī)攪拌所需的5-10個小時的分離時間縮短到15分鐘以內(nèi)。由一家小型德國公司提供的超聲波加工設(shè)備已應(yīng)用于各種聲化學(xué)領(lǐng)域，用于生物柴油生產(chǎn)是其中之一。另外，采用超聲波加工還有助于使所需的催化劑用量減少50%~60%，并能提高副產(chǎn)物甘油的純度。

將超聲波應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)和工藝過程的聲化學(xué)，是基于在大功率超聲波能量作用下的空化現(xiàn)象：液體中無數(shù)個微型氣泡體形成、增長，再瞬間爆破，從而在局部形成高溫、高壓的環(huán)境。這不僅可為化學(xué)反應(yīng)提供能量，而且可達(dá)到較好的混合和更快的分離效果。據(jù)估算，在商業(yè)規(guī)模生物柴油加工中應(yīng)用超聲波處理的成本低于0.01元/升，它取決于物料流速的大小。

將超聲波技術(shù)應(yīng)用于其他生物燃料和替代燃料產(chǎn)品生產(chǎn)的還有：美國愛荷華州立大學(xué)正在研發(fā)用超聲波提高從谷物中生產(chǎn)乙醇的產(chǎn)率；植物醫(yī)藥品公司在生物柴油加工中采用超聲波處理，以降低生產(chǎn)成本；GreenShift公司組建通用超聲波公司，現(xiàn)已推出技術(shù)，改進(jìn)物理和化學(xué)反應(yīng)，包括使蒸汽重整更高效地制取氫氣。

對生物柴油生產(chǎn)而言，市場不成問題，產(chǎn)品質(zhì)量也不是大問題，降低產(chǎn)品成本是zui主要的問題。生物柴油的產(chǎn)品成本包括原材料成本、生產(chǎn)成本、資本支出和運(yùn)營成本。采用超聲波技術(shù)后可直接降低生產(chǎn)成本，同時也帶來資本支出和運(yùn)營成本的降低。

    以zui成熟常用的化學(xué)法合成生物柴油為例，存在以下缺點：工藝復(fù)雜，醇必須過量，后續(xù)工藝必須有相應(yīng)的醇回收裝置，能耗高：色澤深，由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。根據(jù)用戶的實驗結(jié)果，在反應(yīng)過程中增加超聲波后，

反應(yīng)速率提高20%～60%，

酯化反應(yīng)溫度降低30%～60%

甲醇用量減少5%～30%

催化劑如（KOH）用量減少20%～50%

綜合生產(chǎn)成本下降15%～50%

同時因為甲醇用量減少，所以甘油的分離時間也更快。