大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學處理系統V2.0

一、概述：

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

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

超聲波技術還有一個突出的優點，那就是它沒有運動部件，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、有爆炸危險的環境應用。

大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學處理系統的另一個應用是在污水處理和防垢除垢領域。眾多專家學者已經做過大量的研究試驗，證明超聲波在管道和設備的防垢除垢方面卓有成效。功耗低，適應面廣，安裝簡便，設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處理系統V2.0典型技術參數：

其它頻率、功率和結構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。超聲波在液體媒質中傳播時，通過機械作用、空化作用和熱作用，產生力學、熱學、光學、電學和化學等一系列效應。尤其是高功率的超聲波，會產生強烈的空化作用，從而在局部形成瞬時高溫，高壓、真空和微射流。

超聲波技術作為一種物理手段和工具,能夠在化學反應常用的介質中產生一系列接近于的條件,這種能量不僅能夠激發或促進許多化學反應、加快化學反應速度,甚至還可以改變某些化學反應的方向,產生一些令人意想不到的效果和奇跡。一般認為上述現象的發生主要源于超聲的機械作用和空化作用，是它們改變了反應的條件和環境的結果。

    機械作用--將超聲波引入化學反應體系，超聲波可使物質作劇烈強迫運動，產生單向力加速了物質的傳遞、擴散，可代替機械攪拌，能使物質從表面剝離，從而使界面更新。

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

 聲化學的應用范圍很廣，涉及到生物化學、分析化學、催化化學、電化學、光化學、環境化學、礦物化學處理、萃取與分離、合成與降解，等等。

 超聲波化學萃取、生物柴油生產和聲化學反應生物質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頻率低，功率相應大較，20k的超聲波系統也是zui成熟穩定的。國外的應用實踐也證明20kzui有效，并且已經大規模應用。

三、大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學處理系統詳解：

基本構成：

    大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學處理系統由超聲波振動部件和超聲波驅動電源和反應釜三大部分構成：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（發射頭），用于產生超聲波振動，并將此振動能量向液體中發射。換能器將輸入的電能轉換成機械能，即超聲波。其表現形式是換能器在縱向作來回伸縮運動，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。變幅桿按設計需要放大振幅，隔離反應溶液和換能器，同時也起到固定整個超聲波振動系統的作用。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射到化學反應液體中。

圖中所示的是超聲波聲化學處理器的典型結構。根據實際生產設備的不同要求，超聲波處理器的結構形式和尺寸可以作相應的變動。

超聲波驅動電源（超聲波發生器）包括整流電路，振蕩電路，放大電路，反饋電路，跟蹤電路、保護電路，匹配電路、顯示儀表等。用于產生高頻高功率電流，驅動超聲波振動部件工作。超聲波發生器的功率可調，以適應不同的工作狀態。發生器內還可根據需要集成有時序控制器，設定控制超聲波發振時間和間歇時間。

工作原理：

    目前對超聲化學的研究已涉及到化學、材料學、環保等許多領域，包括在有機合成、治理難生物降解有毒有機污染物方面的應用。超聲波具傳播方向性強、介質振動強度大、在液體中可產生空化現象等特點。超聲作用可以促使常規條件下不能發生的化學反應發生或者提高現有的反應速度及反應程度。但這些并不是聲波直接作用于反應物質的結果，一般認為上述現象的發生主要源于超聲的機械作用和空化作用，是它們改變了反應的條件和環境的結果。

    機械作用--將超聲波引入化學反應體系，超聲波可使物質作劇烈強迫運動，產生單向力加速了物質的傳遞、擴散，可代替機械攪拌，能使物質從表面剝離，從而使界面更新。

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

上述這兩個作用是超聲能加速和通啟化學反應的主要動因。

3、工作方式：

 大功率超聲波聲聚能探頭式聲化學處理系統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中，超聲波發射頭插入該液體中，發射超聲波。被處理的液體在容器中流過，同時就被強烈的超聲波作用。反應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，超聲波作用的強度也越強，當然產量也越少。反之，控制超聲波作用時間越短，則超聲波作用強度就低，流量（即產量）就越高。這種方式也適用于防垢除垢應用。

另一種處理方式是配用我公司的超聲波反應釜，構成一個完整的聲化學反應器。被處理液體從反應釜的一端流入，經過超聲波的作用后，再從另一端流出。這種方式對原化學系統的改動zui小，效果*。

根據化學反應條件、材料和目的的不同，一般作如下的配備：

1000W以下系統：主要用于實驗室和小型或中試系統

2000W系統：適用于zui大產量不超過800  L/h的化學反應生產設備

3000W系統：適用于產量 200-1000  L/h的化學反應生產設備

5000W系統：適用于產量 300-1600 L/h的化學反應生產設備

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、主要技術指標：

可選頻率范圍：15KHz ～ 60 KHz。

常用頻率：20KHz

每單元標稱功率：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

驅動電源：模擬式電源，數控式電源，頻率自動跟蹤、過流過壓保護、功率大小可調。

驅動電源典型尺寸：350×250×120mm

驅動電源典型重量：18 kg

特別說明，超聲波聲化學應用沒有統一的方式，應用要求也是千差萬別，以上規格只是常用的一種。我們可以根據客戶的使用要求和實際狀況，提供超聲波應用的方案論證、結構設計、系統配置及關鍵部件生產的全套解決方案。

五、超聲波聲化學背景資料：

    超聲在生物化學中的zui早應用應當是用超聲來粉碎細胞壁，以釋放出其內容物。隨后的研究表明，低強度超聲可以促進生化反應過程，如用超聲照射液體營養基可增加藻類細胞的生長速度，從而使這些細胞產生蛋白質的量增加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,能量密度被擴大了萬億倍,引起能量的巨大集中;空化泡產生的高溫和高壓導致的聲化學現象和聲致發光,是聲化學中*的能量和物質交換形式。所以，超聲波對化學萃取、生物柴油生產、有機合成、治理微生物、降解有毒有機污染物、化學反應速度和產率、催化劑的催化效率、生物降解處理，超聲波防垢除垢、生物細胞粉碎、分散和凝聚、和聲化學反應具有越來越大的作用。

1.超聲強化化學反應。

    超聲強化化學反應。主要動力來自超聲空化作用。空化泡核的崩潰產生局部高溫、高壓和強烈的沖擊波及微射流，為在一般條件下難以實現或不可能實現的化學反應提供了一種新的非常特殊的物理化學環境。

2，超聲催化反應。

    超聲催化反應作為一個新興的研究領域已引起業內工作者越來越濃厚的興趣。超聲波對催化反應的作用主要是：

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

(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，可清除表面反應產物或中間物及催化劑表面鈍化層；

(3)沖擊波可能破壞反應物結構

(4)分散反應物系；

(5)超聲空蝕金屬表面，沖擊波導致金屬晶格的變形和內部應變區的形成，提高金屬的化學反應活性；

6)促使溶劑深入到固體內部，產生所謂的夾雜反應；

(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。如美國Suslick等人發現，用超聲處理鎳催化劑，可以實現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異構為戊烯-2反應速度提高了10 倍。

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

    在超聲均相催化反應中，研究較多的是金屬羰基化合物作為催化劑的烯烴異構化反應。 Suclick等詳細研究了超聲條件下以Fe(co)5為催化劑的1—戊烯異構化生成2—戊烯的反應，發現超聲條件下的的反應速率比沒有超聲時增加了105倍。Suclik等分析認為，超聲空化氣泡崩潰時產生的高溫高壓以及周圍環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。

    前蘇聯的Mai，tsev較早研究了超聲對多相催化過程的影響，發現超聲能使單程轉化率提高近1 0倍，其原因認為是增加了催化劑 的分散度。近年來，Han等考察了低強度超聲（≤10W／cm2)作用下Reformatsky反應，發現在超聲30min后，反應產率達到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等在聲強為50W／cm2條件下研究了此反應，結果發現在25℃時該混合物超聲5min后，產率可達95％以上，同時發現助催劑在此對產率和反應時間并無影響。Suslick等詳細研究了鎳粉作為催化劑的加氫反應，發現在超聲作用下其反應活性提高了5 個數量級。

    *、普通鎳粉對烯烴加氫反應的催化活性很差， 一般在300h左右后反應都難以進行。但用超聲處理鎳粉后，反應很快啟動，其反應速*隨超聲處理時間的延長而增加，后又逐漸減少。Ronmy和Price等研究了在相轉移堿催化中的烷基硝基苯自氧化反應，發現在超聲作用下反應速度大幅上升，反應時間縮短2h，酸的選擇性顯著提高，產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*的優勢。美國伊利諾斯大學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的相互作用發現：在強超聲作用下形成了納米級Fe-Co合金催化劑，其對環已烷的脫氫解具有很高的活性，詳細的機理正進一步研究中。

超聲聚合物化學

    超聲波正聚合物化學方面的應用引起了人們的廣泛關注。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、橡膠和蛋白質等經超聲處理后都可得到很好的降解效果。目前對超聲降解機理一般認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聚合，強超聲輻照可引發聚乙xi醇與丙烯腈共聚制備嵌段共聚物、聚醋酸乙烯與聚環氧乙烷共聚形成接枝共聚物等。

超聲場強化新型化學反應技術

    新型化學反應技術和超聲場強化相結合是超聲化學領域中又一潛力的發展方向。如以超臨界流體為介質，用超聲場進行強化的催化反應。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散系數，這使得其溶解相當于液體，傳質能力相當于氣體。利用超臨界流體良好的溶解性能和擴散性能，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行強化，則無疑是錦上添花。超聲空化產生的沖擊波和微射流不但可以極大地增強超臨界流體溶解某些導致催化劑失活的物質，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，能分散反應物系，令超臨界流體化學反應傳質速率更上一層樓。另外，超聲空化形成的局部點高溫高壓將有利于反應物裂解成自由基，大大加快反應速率。目前對超臨界流體化學反應研究較多，但利用超聲場強化此類反應的研究極少。

大功率超聲波應用于生物柴油生產

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

    另據報道，采用超聲波加工使常規攪拌所需的5-10個小時的分離時間縮短到15分鐘以內。由一家小型德國公司提供的超聲波加工設備已應用于各種聲化學領域，用于生物柴油生產是其中之一。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%，并能提高副產物甘油的純度。

將超聲波應用于化學反應和工藝過程的聲化學，是基于在大功率超聲波能量作用下的空化現象：液體中無數個微型氣泡體形成、增長，再瞬間爆破，從而在局部形成高溫、高壓的環境。這不僅可為化學反應提供能量，而且可達到較好的混合和更快的分離效果。據估算，在商業規模生物柴油加工中應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。

將超聲波技術應用于其他生物燃料和替代燃料產品生產的還有：美國愛荷華州立大學正在研發用超聲波提高從谷物中生產乙醇的產率；植物醫藥品公司在生物柴油加工中采用超聲波處理，以降低生產成本；GreenShift公司組建通用超聲波公司，現已推出技術，改進物理和化學反應，包括使蒸汽重整更高效地制取氫氣。

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

    以zui成熟常用的化學法合成生物柴油為例，存在以下缺點：工藝復雜，醇必須過量，后續工藝必須有相應的醇回收裝置，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；酯化產物難于回收，成本高；生產過程有廢堿液排放。根據用戶的實驗結果，在反應過程中增加超聲波后，

反應速率提高20%～60%，

酯化反應溫度降低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。