将基于振幅控制的超声波设备用于化工装置的三步式方法

摘要

本发明涉及超声波设备应用领域，旨在提供一种将基于振幅控制的超声波设备用于化工装置的三步式方法。该方法主要分三步进行：先对实验级小试设备进行标定，绘制在小试生产中的振幅曲线；然后制造和验证中试超声波设备；最后是制作和应用工业化生产的超声波设备。本发明能够精确计量超声波强度，使实验结果有可比性，能够重复再现实验数据。通过控制超声波设备振幅的方式能够指导中试设备的设计，确保中试设备能够重复再现小试设备的实验结果，为最终生产线的设计提供坚实的基础。解决了利用规范流程和严格数据，指导超声波设备在化工生产装置中的完美应用。保证不走弯路，使实验室的试验效果，在大规模生产线上精确再现。

说明书

技术领域

本发明涉及超声波设备的应用领域，特别涉及在将基于振幅控制的超声波设备用 于化工装置的三步式方法。

背景技术

超声波应用于化学化工、生物学等过程，已经得到了越来越普遍的应用。这主要是 基于超声波的空化作用。超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用 下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。超声波作用于液体时可产 生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液 体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一 空洞，称为空化。

空化阈是使液体介质产生空化作用的最低声强或声压振幅。只有当交变声压幅大 于静压力，才能出现负压。而只有当负压超过液体介质的黏度时，才会产生空化作用。空化 阈随不同的液体介质而不同，对于同一液体介质，不同的温度、压力、空化核的半径以及含 气量，空化阈值也不同。一般来说，液体介质含气量越少，空化阈就越高。空化阈还与液体介 质的黏滞性有关，液体介质的黏度越大，空化阈也越高。空化阈与超声波的频率有着十分密 切的关系，超声波的频率越高，空化阈也越高。超声波的频率越高，越难空化，要产生空化作 用，就必须增加超声波的强度。

超声波的广泛的运用于各个领域，就是应用了其空化作用以及其空化伴随着机械 效应、热效应、化学效应、生物效应等等。机械效应和化学效应的应用，前者主要表现在非均 相反应界面的增大；后者主要是由于空化过程中产生的高温高压使得高分子分解、化学键 断裂和产生自由基等。利用机械效应的过程包括吸附、结晶、电化学、非均相化学反应、过滤 以及超声清洗等，利用化学效应的过程主要包括有机物降解、高分子化学反应以及其他自 由基反应。

影响超声波空化作用最主要的因素，是超声波强度。其它如液体介质、温度、压力、 含气量，等等，也都有影响。显然，液体介质、温度、压力、含气量，等等，都是操作者所熟知 的，也是能够精确测量和控制的。而超声波强度，是操作者较为陌生的，又是很难精确测量 和控制的。超声波仪器或设备的生产单位，为了便于让操作者理解和控制，或者是为了回避 超声波强度的精确测量和控制，或者是本身概念就不够清楚。有意无意间，都借用了超声波 设备的功率的指标来替代。

超声波强度指单位面积上的超声功率。也就是超声波发射头向液体中发射超声波 时，其发射面处单位面积的功率。当然，距离发射面越远，超声波强度越低(由于液体的吸收 和功率的扩散)。超声波设备的功率，是指发射头总共向液体中发射的超声波功率。是超声 波强度与发射头面积的积分。显然，这二个参数有关联，但没有简单的相关性。把这两个概 念混淆后，造成的后果是，实验结果缺乏可对比性和重复性。或者，在小试得到效果后，扩大 中试时陷入困境，进而导致无法确定在化工生产装置的实际生产线上具体如何选择超声波 设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种将基于振幅 控制的超声波设备用于化工装置的三步式方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种将基于振幅控制的超声波设备用于化工装置的三步式方法。该方法主要 分三步进行：第一步，是对实验级小试设备进行标定，绘制在小试生产中的振幅曲线；第二 步，是制造和验证中试超声波设备；第三步，是制作和应用工业化生产的超声波设备。

具体地，本发明包括以下步骤：

(1)对超声波设备进行标定

对于以功率、功率百分比或功率绝对值作为调节刻度标识的超声波设备进行标 定，改成以振幅为计量单位的数值作为调节刻度标识；

(2)绘制小试化学反应过程中的振幅曲线

将标定过的超声波设备应用于相应化工生产的小试实验，在实验过程中逐级调节 超声波设备的振幅，同时观察实验效果；通过多组实验数据，整理得到实验效果与超声波设 备振幅之间的对应关系，绘制出振幅与实验效果的关系曲线；

所述实验效果是指化学反应过程所需要实现的特定目的；

(3)制造用于中试化学反应过程的设备

以最佳实验效果对应的振幅数据作为应用于中试实验的最佳振幅数值，据此完成 超声波设备的设计和制造；超声波设备的功率范围根据反应物料的用量和性质来确定，以 中试实验能顺利完成且设备功率不过载为依据；

(4)验证用于中试化学反应过程的设备

以小试化学反应过程中的振幅与实验效果的关系曲线为指导，在中试化学反应过 程的设备上进行实验；在实验过程中逐级调节超声波设备的振幅，并根据反应需要对反应 条件进行调整，以能够重复小试的试验结果为标准，且保证设备功率不过载；

(5)超声波设备在化工生产装置中的应用

根据化工生产的实际需要，将经过了中试验证定型的超声波设备，以单体串联的 方式应用于化工生产装置中，满足流速或超声波作用时间的要求；或者，以单体并联的方式 应用于化工生产装置中，满足设计产量的要求。

本发明中，所述超声波设备配备了恒振幅控制的超声波驱动电源，在20kHz条件下 至少能提供100微米的终端输出振幅，且振幅可调。

本发明中，所述应用于小试实验或中试实验的超声波设备，其发射头呈变截面的 棒状。

本发明中，所述超声波设备的发射头或变幅杆上标识了振幅放大倍数。

本发明中，所述变幅杆或发射头是能够拆卸和更换的，并能实现多个组合连接。

在本发明中，所述实验效果是指小试或中试的化学反应过程所需要实现的特定目 的；例如实现分散、实现乳化、完成化学反应，等等。超声波的导入能够实现使化工过程的时 间缩短、产率提高、分散度更佳等目的，而这些都是通过各种方式精确度量的化学反应效 果。

以石墨烯散热涂料为例。没有超声波作用时，需要搅拌2个小时才能够达到分散均 化效果，即散热特性满足要求。当20kHz的超声波振幅大于15微米作用时，搅拌时间有所缩 短。这就叫实验效果。所述最佳实验效果则是指：随着超声波振幅的增加，相应的搅拌时间， 也随之减少，散热效果还是能够满足要求。当超声波振幅大于70微米时，搅拌时间减少几乎 停滞了。那么，在超声波振幅15微米到70微米之间，对降低搅拌时间的边际效应最大的一 点，就是最佳实验效果。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明能够精确计量超声波强度，使实验结果有可比性，能够重复再现实验数 据。

2、通过控制超声波设备振幅的方式能够指导中试设备的设计，确保中试设备能够 重复再现小试设备的实验结果，为最终生产线的设计提供坚实的基础。

3、本发明解决了利用规范流程和严格数据，指导超声波设备在化工生产装置中的 完美应用。从实验室里的小试实验开始，到中试实验，最终到化工生产装置上的应用，保证 不走弯路，使实验室的试验效果，在大规模生产线上精确再现。

具体实施方式

下面结合具体实施例子对本发明的实现过程进行详细阐述。

(1)对超声波设备进行标定

在其他条件固定的情况下，超声波发射的强度是由超声波发射头的振幅决定的。 一般而言，通常的大功率超声波聚焦式发射头，都是以纵向方式振动的。那么，超声波强度， 也就是以纵向振动的振幅决定的。只要确定了超声波发射头的纵向振幅，也就确定了超声 波发射的强度。也就是说，这里问题的关键是超声波发射头的振幅。只要把振幅控制住了， 也就严格控制了超声波的发射强度。这样既避开了直接控制超声波强度的困难，又能够确 保超声波强度的控制精度，问题迎刃而解。其它模式(非纵向方式振动)的超声波振动也是 一样。只要是超声波振动，一定是振幅决定超声波强度。

超声波发射系统的基本构成是两大部分：超声波驱动电源和超声波设备主机(包 括换能器、变幅杆、发射头)。超声波驱动电源产生高频高功率交流电流，驱动超声波设备主 机振动。超声波设备主机在驱动电源的推动下发射超声波。其过程是换能器首先把高频高 功率交流电流，转化为同频率的超声波机械振动(这里一般是纵向伸缩振动，严格来说是以 纵向为主的弹性形变)。变幅杆按照固定的倍率，放大振动的振幅。发射头同样是按照固定 的倍率，进一步放大振幅，然后向液体发射超声波。为确保超声波振幅可控，首先需要的是 配备恒振幅控制的超声波驱动电源。在这种驱动电源的控制下，换能器的振幅不会受外界 负载的影响。也就是说，只要在驱动电源上设定了换能器的振幅，那么无论是空载还是满负 载，或者是变化的负载，换能器的输出振幅，均能够保持不变。相应的，是输入输出功率，随 着负载的变化，作着相应的变化。用汽车做一个类比，振幅相当于汽车的速度，功率就相当 于汽车的功率。当汽车的速度恒定后，无论是上坡还是下坡，都可以保持不变。与此相对应， 上坡时，汽车的消耗功率增加；下坡时，汽车的消耗功率减少。这样，通过恒振幅控制的驱动 电源，就可以控制换能器的振幅。当调整驱动电源的输出时，实际上就是调整换能器的振 幅，也可以说是设定换能器的振幅。

传统的调整恒振幅驱动电源输出的方式，可以分档，也可以无极调节，一般都是用 输出功率百分比表示。无论哪一种方式，都是在换能器最大和最小振幅之间设定一个固定 的振幅。只要不去重新调整驱动电源的输出，就能够一直维持换能器的输出振幅恒定。可以 事先进行标定，不同的档位或不同的功率百分比，对应于实际的换能器振幅。也就是说，对 于恒振幅驱动电源，设定了电源的输出功率百分比或档位，也就是设定了换能器的输出振 幅。

变幅杆或发射头的振幅放大倍数，是由变幅杆或发射头的形状决定的。当它们的 形状确定时，它们的放大倍数也就随之确定。换句话说，可以通过改变它们的形状改变放大 倍数。他们彼此连接后，就形成了完整的超声波主机，得到我们需要的超声波振幅。例如，换 能器的输出振幅是5微米，变幅杆的放大倍数是2倍，发射头的放大倍数是3倍。那么，最后发 射头的输出振幅是5×2×3＝30微米。发射头的振幅确定了，相应的超声波强度也就确定 了。当然，具体的超声波强度的数值无法知道。但无论如何，有了一个表征超声波强度的具 体的数值。而且，这个数值与实际的超声波强度是唯一对应的。

通过以上的办法，就实现了本发明的第一个目的：精确计量超声波强度。尽管不是 直接确定超声波强度，但能够确定与超声波强度的一一对应关系。超声波振幅可以随时知 道，可以重复，也可以用振幅测量仪(如杭州成功超声设备有限公司生产的YP0901B振幅测 量仪)测量。

振幅测量仪的工作原理描述如下：将千分表靠在发射头的辐射面上。因为发射头 的振动频率远远大于千分表的共振频率，所以尽管发射头是在来回运动，但千分表的测量 头，几乎可以认为是静止的。这样，就可以通过测量出发射头的位移量获得超声波发射头的 振幅。如果采用激光来测量位移，还能够得到更精确的振幅值。

用于小试实验的超声波设备，是由恒振幅型超声波驱动电源带动的。其输出带有 功率百分比刻度。而且这个输出刻度事先进行了标定，与换能器的输出振幅是一一对应的。 需要多大的超声波振幅，可以通过设置电源的输出刻度轻松进行设定。配套的变幅杆和发 射头，其设计的放大倍数都直接标识在本体上。拿到任何一个变幅杆或发射头，就能够直观 地知道这个部件的放大倍数。把它们组合后，通过驱动电源的刻度，就可以准确知道发射头 的振幅，也就是确定了超声波的强度。

(2)绘制小试化学反应过程中的振幅曲线

小试实验中搭建的试验机，其基本结构是超声波设备主机和超声波驱动电源，设 有单独设计盛放液体的容器。超声波设备主机是超声波的产生和输出部件，其超声波发射 头，负责向液体中发射超声波。发射头的超声波发射部分，一般是一个小圆柱体。直径约 10mm，长度约30mm。被作用的液体，通常是用烧杯盛放。液体的体积，在几百毫升。实验时，直 接把超声波发射头插入烧杯中的液体里面。液体少、超声波强度高，超声波能量就集中。这 样能够最快速度做出效果。

将标定过的超声波设备应用于相应化工生产的小试实验，在实验过程中逐级调节 超声波设备的振幅，同时观察实验效果；通过一系列的实验，能够得到实验效果与超声波振 幅之间一一对应的关系。通过多组实验数据，整理得到实验效果与超声波设备振幅之间的 对应关系，绘制出振幅与实验效果的关系曲线；

一般而言，实验效果与超声波振幅之间，不是一个线性关系。当超声波振幅(即超 声波强度)比较低时几乎是没有效果的，哪怕作用时间长也没有用。当超声波振幅超过一定 的数值时就开始有了效果。这个开始有效果的超声波振幅(强度)，把它叫做超声波阈值A1。 在超过阈值A1后，随着超声波强度的增加，效果也相应地增加。超声波振幅与实验效果之 间，存在着正相关性。当超声波振幅达到一定数值A2后，再增加振幅，实验效果就几乎没有 增加了。据此，既可以得到超声波作用是否有效的定性结论，同时还明确了超声波有效作用 的振幅(超声波强度)范围。这就为下一步中试实验所采用的超声波设备的选型奠定了坚实 的基础。

(3)制造用于中试化学反应过程的设备

以小试实验过程中最佳实验效果对应的振幅数据作为应用于中试实验的最佳振 幅数值，据此完成超声波设备的选择或制造；超声波设备的功率范围则根据反应物料的用 量和性质来确定，以中试实验能顺利完成且设备的功率不过载为依据；

根据小试实验的数据，再考虑可行性、设备稳定性、设备制造成本等因素，可以确 定中试试验机的最佳振幅(超声波强度)范围。这个振幅范围，至少包含从A1到A2，能够保证 实现超声波的作用效果。同时也需要综合考虑设备可行性、稳定性、设备制造成本。在保证 振幅的前提下，尽可能扩大发射头发射面积S1。发射面积S1的上限，是最大振幅(超声波强 度D1)时，最大负载介质条件下的功率P1。超声波设备的输出功率P2，只有大于大于1.2倍的 P1，才能够确保正常工作。否则，就要减小发射面积S1。

即P2≧1.2P1＝1.2×S1×D1

(4)验证用于中试化学反应过程的设备

以小试化学反应过程中的振幅与实验效果的关系曲线为指导，在中试化学反应过 程的设备上进行实验；在实验过程中逐级调节超声波设备的振幅，并根据反应需要对反应 条件进行调整。以能够重复小试的试验结果为标准，且保证设备功率不过载。

(5)超声波设备在化工生产装置中的应用

中试实验过程中搭建的试验机，其基本结构包括超声波设备主机、超声波驱动电 源、反应釜和控制系统。中试试验机的首先目的，是在放大的条件下复现小试试验机的实验 结果。然后，根据化工生产的实际需要，将经中试实验确认定型的超声波设备以单体串联的 方式应用于化工生产装置中，满足流速或超声波作用时间的要求；或者，以单体并联的方式 应用于化工生产装置中，满足设计产量的要求。

一个典型的本发明三步法应用实例描述如下：

经选型确认的超声波设备成为有实用价值的单体，通过简单的重复(串联和/或并 联)就成为一条完整的生产线。在这里，并联主要解决产量要求，串联主要解决流速和超声 波作用时间的要求。生产装置中，超声波设备主机的发射头插入在反应釜中，被作用的液体 也在反应釜中，受到超声波的强烈作用。为提高均匀性和处理效率，反应釜还有循环系统。