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超声波声聚焦探头式声化学处理

 

一、概述:

    超声波技术作为一种物理手段和工具,能够在化学反应的介质中产生一系列接近于极端的条件,这种能量不仅能够激发或促进许多化学反应、加快化学反应速度,甚 至还可以改变某些化学反应的方向,产生一些令人意想不到的效果和奇迹。这就是声化学。声化学可应用于几乎所有的化学反应,如萃取与分离、合成与降解、生物 柴油生产、治理微生物、降解有毒有机污染物、生物降解处理、生物细胞粉碎、分散和凝聚,等等。

    威海国升超声首创的聚焦探头式大功率超声波声化学处理设备。不改变客户现有的生产设备和工艺流程,通过简单的安装就可将你的普通设备升级为带有超声波 的先进化工设备。超声波功率大,投资少、安装简易、产量和效率得到明显的提高。

    超声波技术还有一个突出的优点,那就是它没有运动部件,没有电磁辐射,安装固定非常简单,特别适合在高压高温、有毒、有爆炸危险的环境应用。

    声化学处理系统的另一个应用是在污水处理和防垢除垢领域。众多专家学者已经做过大量的研究试验,证明超声波在管道和设备的防垢除垢方面卓有成效。功耗低, 适应面广,安装简便,设备几乎不用做任何改装。

典型技术参数

型号

gch0520

gch1020

gch1520

gch2020

工作频率

20kHz

20kHz

20kHz

20kHz

最大功率

500W

1000W

1500W

2000W

处理量L/h

≤500

≤800

200-1000

300-1600

适用于

实验室

生产线,可以多台组合使用

反应釜

15L,20L,35L, 不锈钢

允许压力

最大≥5 MPa

允许温度

最大≥350℃

其它频率、功率和结构有特殊要求可以定制。

二、超声波基本原理及特性

    超声波是指频率为2×104 Hz~107 Hz的声波,它超过了人耳收听频率的范围。超声波在液体媒质中传播时,通过机械作用、空化作用和热作用,产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。 尤其是高功率的超声波,会产生强烈的空化作用,从而在局部形成瞬时高温,高压、真空和微射流。

    超声波技术作为一种物理手段和工具,能够在化学反应常用的介质中产生一系列接近于极端的条件,这种能量不仅能够激发或促进许多化学反应、加快化学反应速 度,甚至还可以改变某些化学反应的方向,产生一些令人意想不到的效果和奇迹。一般认为上述现象的发生主要源于超声的机械作用和空化作用,是它们改变了反应 的条件和环境的结果。

    机械作用--将超声波引入化学反应体系,超声波可使物质作剧烈强迫运动,产生单向力加速了物质的传递、扩散,可代替机械搅拌,能使物质从表面剥离,从而使 界面更新。

    空化作用--在一些情况下,超声效应的产生则要与空化机制相联系,声空化是指在声波作用下,存在于液体中的微小气泡(空穴)所发生的一系列动力学过程:振 荡、扩大、收缩乃至崩溃。在发生空化处,液体局部的状态发生很大的变化,会产生极端的高温和高压。

    声化学的应用范围很广,涉及到生物化学、分析化学、催化化学、电化学、光化学、环境化学、矿物化学处理、萃取与分离、合成与降解,等等。

    超声波化学萃取、生物柴油生产和声化学反应生物质提取所选取的频率范围为15KHz ~ 100KHz,其中频率20KHz左右的超声波使用最多。其主要原因是超声波系统频率低,功率相应大较,20k的超声波系统也是最成熟稳定的。国外的应用 实践也证明20k最有效,并且已经大规模应用。

    三、大功率超声波聚焦探头式化学处理系统详解:

1 基本构成:

    大功率超声波声化学处理系统由超声波振动部件和超声波专用驱动电源和反应釜三大部分构成:超声波振动部件主要包括大功率超声波换能器、变幅杆、工具头(发 射头),用于产生超声波振动,并将此振动能量向液体中发射。换能器将输入的电能转换成机械能,即超声波。其表现形式是换能器在纵向作来回伸缩运动,振幅一 般在几个微米。这样的振幅功率密度不够,是不能直接使用的。变幅杆按设计需要放大振幅,隔离反应溶液和换能器,同时也起到固定整个超声波振动系统的作用。 工具头与变幅杆相连,变幅杆将超声波能量振动传递给工具头,再由工具头将超声波能量发射到化学反应液体中。

图中所示的是超声波声化学处理器的典型结构。根据实际生产设备的不同要求,超声波处理器的结构形式和尺寸可以作相应的变 动。

    超声波专用驱动电源(超声波发生器)包括整流电路,振荡电路,放大电路,反馈电路,跟踪电路、保护电路,匹配电路、显示仪表等。用于产生高频高功率电流, 驱动超声波振动部件工作。超声波发生器的功率可调,以适应不同的工作状态。发生器内还可根据需要集成有时序控制器,设定控制超声波发振时间和间歇时间。

2、 工作原理:

    目前对超声化学的研究已涉及到化学、材料学、环保等许多领域,包括在有机合成、治理难生物降解有毒有机污染物方面的应用。超声波具传播方向性强、介质振动 强度大、在液体中可产生空化现象等特点。超声作用可以促使常规条件下不能发生的化学反应发生或者提高现有的反应速度及反应程度。但这些并不是声波直接作用 于反应物质的结果,一般认为上述现象的发生主要源于超声的机械作用和空化作用,是它们改变了反应的条件和环境的结果。

    机械作用--将超声波引入化学反应体系,超声波可使物质作剧烈强迫运动,产生单向力加速了物质的传递、扩散,可代替机械搅拌,能使物质从表面剥离,从而使 界面更新。

    空化作用--在一些情况下,超声效应的产生则要与空化机制相联系,声空化是指在声波作用下,存在于液体中的微小气泡(空穴)所发生的一系列动力学过程:振 荡、扩大、收缩乃至崩溃。

上述这两个作用是超声能加速和通启化学反应的主要动因。

3、工作方式:

聚焦探头式大功率超声波声化学处理系统可以有两种工作方式。

一种方式是被处理液体在正常的容器流通和反应中,超声波发射头插入该液体中,发射超声波。被处理的液体在容器中流过,同时就被强烈的超声波作用。反 应容器大小或温度高低均可。一般而言,对同样大小的容器,液体的流量越小,或在容器中停留的时间越长,超声波作用的强度也越强,当然产量也越少。反之,控 制超声波作用时间越短,则超声波作用强度就低,流量(即产量)就越高。这种方式也适用于防垢除垢应用。

    另一种处理方式是配用我公司专用的超声波反应釜,构成一个完整的声化学反应器。被处理液体从反应釜的一端流入,经过超声波的作用后,再从另一端流出。这种 方式对原化学系统的改动最小,效果立竿见影。

    根据化学反应条件、材料和目的的不同,一般作如下的配备:

1000W以下系统:主要用于实验室和小型或中试系统

1000W系统:适用于最大产量不超过800  L/h的化学反应生产设备

1500W系统:适用于产量 200-1000  L/h的化学反应生产设备

2000W系统:适用于产量 300-1600 L/h的化学反应生产设备

3000W系统:适用于产量600-3200  L/h的化学反应生产设备

5000W系统:适用于产量1200-7000  L/h的化学反应生产设备

   一般一套超声波处理单元的最大功率不超过5000W。如果需要更大的功率,可以用多个单元组合。

四、主要技术指标:

1、可选频率范围:15KHz ~ 60 KHz。

2、常用频率:20kHz

3、每单元标称功率:500W、1000W、1500W、2000W、3000W,频率越低,每单元功率越大;频率越高,每单元的功率越小。也可以 多单元组合使用。

4、工具头(探头)材料:不锈钢,钛合金,也可根据用户特殊要求定制。

5、超声波振动部件典型尺寸: Φ160mm×800mm

6、 超声波振动部件典型重量:12 kg

7、 驱动电源:数控式电源,频率全自动跟踪

8 、驱动电源典型尺寸:350×250×120mm

9、 驱动电源典型重量:18 kg

五、 超声波声化学背景资料:

    超声在生物化学中的最早应用应当是用超声来粉碎细胞壁,以释放出其内容物。随后的研究表明,低强度超声可以促进生化反应过程,如用超声照射液体营养基可增 加藻类细胞的生长速度,从而使这些细胞产生蛋白质的量增加3倍。

    超声波声场的能量密度与空化泡崩溃时的能量密度相比,能量密度被扩大了万亿倍,引起能量的巨大集中;空化泡产生的极端高温和高压导致的声化学现象和声致发 光,是声化学中特有的能量和物质交换形式。所以,超声波对化学萃取、生物柴油生产、有机合成、治理微生物、降解有毒有机污染物、化学反应速度和产率、催化 剂的催化效率、生物降解处理,超声波防垢除垢、生物细胞粉碎、分散和凝聚、和声化学反应具有越来越大的作用。

1.超声强化化学反应。

    超声强化化学反应。主要动力来自超声空化作用。空化泡核的崩溃产生局部高温、高压和强烈的冲击波及微射流,为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应 提供了一种新的非常特殊的物理化学环境。

2,超声催化反应。

    超声催化反应作为一个新兴的研究领域已引起业内工作者越来越浓厚的兴趣。超声波对催化反应的作用主要是:

(1)高温高压条件有利于反应物裂解成自由基和二价碳,形成更为活泼的反应物种;

(2)冲击波和微射流对固体表面(如催化剂)有解吸和清洗作用,可清除表面反应产物或中间物及催化剂表面钝化层;

(3)冲击波可能破坏反应物结构

(4)分散反应物系;

(5)超声空蚀金属表面,冲击波导致金属晶格的变形和内部应变区的形成,提高金属的化学反应活性;

6)促使溶剂深入到固体内部,产生所谓的夹杂反应;

(7)改善催化 剂分散性。

    在催化剂的制备中,常用到超声波,超声波的辐照可以增加催化剂的表面积使活性组分分散更均匀,催化活性增强。如美国Suslick等人发现,用超声处理镍 催化剂,可以实现烯烃的常温常压加氢,在超声波作用下,用镍催化剂的烯烃加氢反应活性可增大 倍以上,用 的超声活化羰基铁催化剂,在室温下使戊烯-1异构为戊烯-2反应速度提高了10 倍。

    已有大量的研究报道表明,超声在化学合成方面有惊人的作用。在有机合成方面已成为常规合成技术,如格林试剂的合成中,传统工艺需使用严格干燥的乙醚且需加 入少量碘作诱导剂,而在超声照射下,只需普通试剂级乙醚而无需干燥。反应的诱导期也大大缩短至几秒;用镍粉催化的烯烃加氢反应,在超声照射下,反应速度可 以加快 倍以上。

    在超声均相催化反应中,研究较多的是金属羰基化合物作为催化剂的烯烃异构化反应。 Suclick等详细研究了超声条件下以Fe(co)5为催化剂的1—戊烯异构化生成2—戊烯的反应,发现超声条件下的的反应速率比没有超声时增加了 105倍。Suclik等分析认为,超声空化气泡崩溃时产生的高温高压以及周围环境的快速冷却有利于Fe(CO)5解离,形成更高活性物种 Fe3(C0)12。

    前苏联的Mai,tsev较早研究了超声对多相催化过程的影响,发现超声能使单程转化率提高近1 0倍,其原因认为是增加了催化剂 的分散度。近年来,Han等考察了低强度超声(≤10W/cm2)作用下Reformatsky反应,发现在超声30min后,反应产率达到90%以上。 更重要的是,不必再通过还原无水氯化锌来制备具有高度活性的锌粉, 也不必再使用三甲基硼酸盐。Suslick等在声强为50W/cm2条件下研究了此反应,结果发现在25℃时该混合物超声5min后,产率可达95%以 上,同时发现助催剂在此对产率和反应时间并无影响。Suslick等详细研究了镍粉作为催化剂的加氢反应,发现在超声作用下其反应活性提高了5 个数量级。

    众所周知、普通镍粉对烯烃加氢反应的催化活性很差, 一般在300h左右后反应都难以进行。但用超声处理镍粉后,反应很快启动,其反应速率先随超声处理时间的延长而增加,后又逐渐减少。Ronmy和 Price等研究了在相转移碱催化中的烷基硝基苯自氧化反应,发现在超声作用下反应速度大幅上升,反应时间缩短2h,酸的选择性显著提高,产物中有大量硝 基苯甲酸生成。

    超声波在催化剂的活化、再生和制备中也显示出独特的优势。美国伊利诺斯大学研制成功一种超声波洗涤浴,可用于除去镍粉表面的氧化膜,使镍催化剂活化。美国 Exxon公司Henry报道,用超声波可使加氢裂化使用的持久失活的镍—钼催化剂得以再生。最近,Suslick等在超声作用下研究fe(Co)5和 Co(C0)3的相互作用发现:在强超声作用下形成了纳米级Fe-Co合金催化剂,其对环已烷的脱氢解具有很高的活性,详细的机理正进一步研究中。

3、超声聚合物化学

    超声波正聚合物化学方面的应用引起了人们的广泛关注。超声处理可以降解大分子,尤其是处理高分子量聚合物的降解效果更显著。纤维素、明胶、橡胶和蛋白质等 经超声处理后都可得到很好的降解效果。目前对超声降解机理一般认为超声降解的原因是由于受到力的作用以及空化泡爆裂时的高压影响,另外部分降解可能是来自 热的作用。 一定条件下功率超声也可引发聚合,强超声辐照可引发聚乙烯醇与丙烯腈共聚制备嵌段共聚物、聚醋酸乙烯与聚环氧乙烷共聚形成接枝共聚物等。

4、 超声场强化新型化学反应技术

    新型化学反应技术和超声场强化相结合是超声化学领域中又一极具潜力的发展方向。如以超临界流体为介质,用超声场进行强化的催化反应。如以超临界流体具有类 似于液体的密度和类似于气体的粘度和扩散系数,这使得其溶解相当于液体,传质能力相当于气体。利用超临界流体良好的溶解性能和扩散性能,可以很好地改善非 均相催化剂的失活问题,但如能加以超声场进行强化,则无疑是锦上添花。超声空化产生的冲击波和微射流不但可以极大地增强超临界流体溶解某些导致催化剂失活 的物质,起到解吸和清洗的作用,使催化剂长时间保持活性,而且还有搅拌的作用,能分散反应物系,令超临界流体化学反应传质速率更上一层楼。另外,超声空化 形成的局部点高温高压将有利于反应物裂解成自由基,大大加快反应速率。目前对超临界流体化学反应研究较多,但利用超声场强化此类反应的研究极少。

5.大功率超声波应用于生物柴油生产

生物柴油制备的关键是脂肪酸甘油酯与甲醇等低碳醇的催化酯交换反应,而超声波具有明显的强化酯交换反应的作用,特别是对非均相的反应体系可明显增强 其混合(乳化)效果和促进分子间接触反应,使原本需高温(高压)条件下进行的反应,在室温(或接近室温)条件下就可完成,并且缩短反应时间。超声波不仅用 于酯交换反应过程,而且用于反应混合物的分离过程。  美国密西西比州立大学的研究人员在生物柴油生产中采用超声波加工,5分钟内使生物柴油产率超过99%,而采用常规的批量反应器系统需1个小时以上。该成果 近日已在美国《能源和燃料》杂志上发布。

    另据报道,采用超声波加工使常规搅拌所需的5-10个小时的分离时间缩短到15分钟以内。由一家小型德国公司提供的超声波加工设备已应用于各种声化学领 域,用于生物柴油生产是其中之一。另外,采用超声波加工还有助于使所需的催化剂用量减少50%~60%,并能提高副产物甘油的纯度。

    将超声波应用于化学反应和工艺过程的声化学,是基于在大功率超声波能量作用下的空化现象:液体中无数个微型气泡体形成、增长,再瞬间爆破,从而在局部形成 高温、高压的环境。这不仅可为化学反应提供能量,而且可达到较好的混合和更快的分离效果。据估算,在商业规模生物柴油加工中应用超声波处理的成本低于 0.01元/升,它取决于物料流速的大小。

    将超声波技术应用于其他生物燃料和替代燃料产品生产的还有:美国爱荷华州立大学正在研发用超声波提高从谷物中生产乙醇的产率;先进植物医药品公司在生物柴 油加工中采用超声波处理,以降低生产成本;GreenShift公司组建通用超声波公司,现已推出专利技术,改进物理和化学反应,包括使蒸汽重整更高效地 制取氢气。

    对生物柴油生产而言,市场不成问题,产品质量也不是大问题,降低产品成本是最主要的问题。生物柴油的产品成本包括原材料成本、生产成本、资本支出和运营成 本。采用超声波技术后可直接降低生产成本,同时也带来资本支出和运营成本的降低。

    以最成熟常用的化学法合成生物柴油为例,存在以下缺点:工艺复杂,醇必须过量,后续工艺必须有相应的醇回收装置,能耗高:色泽深,由于脂肪中不饱和脂肪酸 在高温下容易变质;酯化产物难于回收,成本高;生产过程有废碱液排放。根据用户的实验结果,在反应过程中增加超声波后,

反应速率提高20%~60%,

酯化反应温度降低30%~60%

甲醇用量减少5%~30%

催化剂如(KOH)用量减少20%~50%

综合生产成本下降15%~50%

同时因为甲醇用量减少,所以甘油的分离时间也更快。

 

[来源:原创] [作者:admin] [日期:10-02-28]

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