連續(xù)流超聲波微反應(yīng)裝置

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)生一系列接近于極端的條件，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。

    大功率超聲國(guó)內(nèi)開(kāi)創(chuàng)的連續(xù)流超聲波微反應(yīng)裝置 。不改變客戶現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程，通過(guò)簡(jiǎn)單的安裝就可將你的普通設(shè)備升級(jí)為帶有超聲波的先進(jìn)化工設(shè)備。超聲波功率大，投資少、安裝簡(jiǎn)易、產(chǎn)量和效率得到明顯的提高。

超聲波技術(shù)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，那就是它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，沒(méi)有電磁輻射，安裝固定非常簡(jiǎn)單，特別適合在高壓高溫、有毒、有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境應(yīng)用。

連續(xù)流超聲波微反應(yīng)裝置的另一個(gè)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(guò)大量的研究試驗(yàn)，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(jiǎn)便，設(shè)備幾乎不用做任何改裝。

選型表：

其它頻率、功率和結(jié)構(gòu)有特殊要求可以定制。

    三、大功率連續(xù)流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：

   連續(xù)流超聲波微反應(yīng)裝置由超聲波振動(dòng)部件和超聲波專用驅(qū)動(dòng)電源和反應(yīng)釜三大部分構(gòu)成：超聲波振動(dòng)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(dòng)，并將此振動(dòng)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(lái)回伸縮運(yùn)動(dòng)，振幅一般在幾個(gè)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(jì)需要放大振幅，隔離反應(yīng)溶液和換能器，同時(shí)也起到固定整個(gè)超聲波振動(dòng)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(dòng)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。

根據(jù)實(shí)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(dòng)。

超聲波專用驅(qū)動(dòng)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(dòng)超聲波振動(dòng)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(shí)序控制器，設(shè)定控制超聲波發(fā)振時(shí)間和間歇時(shí)間。

工作原理：

    目前對(duì)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(dòng)強(qiáng)度大、在液體中可產(chǎn)生空化現(xiàn)象等特點(diǎn)。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(dòng)，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)制相聯(lián)系，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(dòng)力學(xué)過(guò)程：振蕩、擴(kuò)大、收縮乃至崩潰。

上述這兩個(gè)作用是超聲能加速和通啟化學(xué)反應(yīng)的主要?jiǎng)右颉?

3、工作方式：

    連續(xù)流超聲波微反應(yīng)裝置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(guò)，同時(shí)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(duì)同樣大小的容器，液體的流量越小，或在容器中停留的時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)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專用的超聲波反應(yīng)釜，構(gòu)成一個(gè)完整的聲化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。被處理液體從反應(yīng)釜的一端流入，經(jīng)過(guò)超聲波的作用后，再?gòu)牧硪欢肆鞒?。這種方式對(duì)原化學(xué)系統(tǒng)的改動(dòng)*小，效果立竿見(jiàn)影。

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(shí)驗(yàn)室和小型或中試系統(tǒng)

2000W系統(tǒng)：適用于*大產(chǎn)量不超過(guò)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*大功率不超過(guò)3000W。如果需要更大的功率，可以用多個(gè)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(dòng)部件典型尺寸： Φ160mm×800mm

超聲波振動(dòng)部件典型重量：12kg

驅(qū)動(dòng)電源：模擬式電源，數(shù)控式電源，頻率自動(dòng)跟蹤、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)、功率大小可調(diào)。

驅(qū)動(dòng)電源典型尺寸：350×250×120mm

驅(qū)動(dòng)電源典型重量：18 kg

特別說(shuō)明，超聲波聲化學(xué)應(yīng)用沒(méi)有統(tǒng)一的方式，應(yīng)用要求也是千差萬(wàn)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(shí)際狀況，提供超聲波應(yīng)用的方案論證、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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*早應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是用超聲來(lái)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(guò)程，如用超聲照射液體營(yíng)養(yǎng)基可增加藻類細(xì)胞的生長(zhǎng)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(chǎng)的能量密度與空化泡崩潰時(shí)的能量密度相比,能量密度被擴(kuò)大了萬(wàn)億倍,引起能量的巨大集中;空化泡產(chǎn)生的極端高溫和高壓導(dǎo)致的聲化學(xué)現(xiàn)象和聲致發(fā)光,是聲化學(xué)中特有的能量和物質(zhì)交換形式。所以，超聲波對(duì)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(lái)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?jiǎng)恿?lái)自超聲空化作用?？栈莺说谋罎a(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(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)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(gè)新興的研究領(lǐng)域已引起業(yè)內(nèi)工作者越來(lái)越濃厚的興趣。超聲波對(duì)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(jià)碳，形成更為活潑的反應(yīng)物種；

(2)沖擊波和微射流對(duì)固體表面(如催化劑)有解吸和清洗作用，可**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(guó)Suslick等人發(fā)現(xiàn)，用超聲處理鎳催化劑，可以實(shí)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 的超聲活化羰基鐵催化劑，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(bào)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)格干燥的乙醚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(jí)乙醚而無(wú)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(méi)有超聲時(shí)增加了105倍。Suclik等分析認(rèn)為，超聲空化氣泡崩潰時(shí)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(duì)多相催化過(guò)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(lái)，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(guò)還原無(wú)水氯化鋅來(lái)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(shí)該混合物超聲5min后，產(chǎn)率可達(dá)95％以上，同時(shí)發(fā)現(xiàn)助催劑在此對(duì)產(chǎn)率和反應(yīng)時(shí)間并無(wú)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(gè)數(shù)量級(jí)。

    眾所周知、普通鎳粉對(duì)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(dòng)，其反應(yīng)速率先隨超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)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(shí)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獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)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(guó)Exxon公司Henry報(bào)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。*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(jí)Fe-Co合金催化劑，其對(duì)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(duì)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(shí)的高壓影響，另外部分降解可能是來(lái)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)聚乙烯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。