超声波处理系列
大功率超声波声聚焦探头式声化学处理系统
大功率超声波声聚焦探头式声化学处理系统

    超声采用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。

大功率超声波声聚焦探头式声化学处理系统
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。这就是超声化学。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。
南京顺流超声采用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、环境应用。
超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。

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。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:
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。
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
2000W系统:适用于最大产量不超过50  L/h的化学反应生产设备
3000W系统:适用于产量 30-100  L/h的化学反应生产设备
4000W系统:适用于产量50-200 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3000W。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:
可选频率范围:15KHz ~ 60 KHz。
常用频率:20kHz
每单元标称功率:1000W、2000W、3000W、4000W,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。
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。
超声波振动部件典型尺寸: Φ160mm×800mm
超声波振动部件典型重量:12 kg
驱动电源:模拟式电源,数控式电源,频率自动跟踪、过流过压保护、功率大小可调。
驱动电源典型尺寸:350×250×120mm
驱动电源典型重量:18 kg
特别说明,超声波声化学应用没有统一的方式,应用要求也是千差万别,以上规格只是常用的一种。我们可以根据客户的使用要求和实际状况,提供超声波应用的方案论证、结构设计、系统配置及关键部件生产的全套解决方案。
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。
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。
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。
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。




 
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