將基于振幅控制的超聲波設(shè)備用于化工裝置的三步式方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲波設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及在將基于振幅控制的超聲波設(shè)備用 于化工裝置的三步式方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波應(yīng)用于化學(xué)化工、生物學(xué)等過(guò)程，已經(jīng)得到了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。這主要是 基于超聲波的空化作用。超聲波空化作用是指存在于液體中的微氣核空化泡在聲波的作用 下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生的生長(zhǎng)和崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn) 生大量小氣泡。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液 體的氣體過(guò)飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體"撕開"成一 空洞，稱為空化。
[0003] 空化閾是使液體介質(zhì)產(chǎn)生空化作用的最低聲強(qiáng)或聲壓振幅。只有當(dāng)交變聲壓幅大 于靜壓力，才能出現(xiàn)負(fù)壓。而只有當(dāng)負(fù)壓超過(guò)液體介質(zhì)的黏度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生空化作用。空化 閾隨不同的液體介質(zhì)而不同，對(duì)于同一液體介質(zhì)，不同的溫度、壓力、空化核的半徑以及含 氣量，空化閾值也不同。一般來(lái)說(shuō)，液體介質(zhì)含氣量越少，空化閾就越高?？栈撨€與液體介 質(zhì)的黏滯性有關(guān)，液體介質(zhì)的黏度越大，空化閾也越高?？栈撆c超聲波的頻率有著十分密 切的關(guān)系，超聲波的頻率越高，空化閾也越高。超聲波的頻率越高，越難空化，要產(chǎn)生空化作 用，就必須增加超聲波的強(qiáng)度。
[0004] 超聲波的廣泛的運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，就是應(yīng)用了其空化作用以及其空化伴隨著機(jī)械 效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等等。機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用，前者主要表現(xiàn)在非均 相反應(yīng)界面的增大；后者主要是由于空化過(guò)程中產(chǎn)生的高溫高壓使得高分子分解、化學(xué)鍵 斷裂和產(chǎn)生自由基等。利用機(jī)械效應(yīng)的過(guò)程包括吸附、結(jié)晶、電化學(xué)、非均相化學(xué)反應(yīng)、過(guò)濾 以及超聲清洗等，利用化學(xué)效應(yīng)的過(guò)程主要包括有機(jī)物降解、高分子化學(xué)反應(yīng)以及其他自 由基反應(yīng)。
[0005] 影響超聲波空化作用最主要的因素，是超聲波強(qiáng)度。其它如液體介質(zhì)、溫度、壓力、 含氣量，等等，也都有影響。顯然，液體介質(zhì)、溫度、壓力、含氣量，等等，都是操作者所熟知 的，也是能夠精確測(cè)量和控制的。而超聲波強(qiáng)度，是操作者較為陌生的，又是很難精確測(cè)量 和控制的。超聲波儀器或設(shè)備的生產(chǎn)單位，為了便于讓操作者理解和控制，或者是為了回避 超聲波強(qiáng)度的精確測(cè)量和控制，或者是本身概念就不夠清楚。有意無(wú)意間，都借用了超聲波 設(shè)備的功率的指標(biāo)來(lái)替代。
[0006] 超聲波強(qiáng)度指單位面積上的超聲功率。也就是超聲波發(fā)射頭向液體中發(fā)射超聲波 時(shí)，其發(fā)射面處單位面積的功率。當(dāng)然，距離發(fā)射面越遠(yuǎn)，超聲波強(qiáng)度越低（由于液體的吸收 和功率的擴(kuò)散）。超聲波設(shè)備的功率，是指發(fā)射頭總共向液體中發(fā)射的超聲波功率。是超聲 波強(qiáng)度與發(fā)射頭面積的積分。顯然，這二個(gè)參數(shù)有關(guān)聯(lián)，但沒(méi)有簡(jiǎn)單的相關(guān)性。把這兩個(gè)概 念混淆后，造成的后果是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏可對(duì)比性和重復(fù)性?；蛘?，在小試得到效果后，擴(kuò)大 中試時(shí)陷入困境，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法確定在化工生產(chǎn)裝置的實(shí)際生產(chǎn)線上具體如何選擇超聲波 設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種將基于振幅 控制的超聲波設(shè)備用于化工裝置的三步式方法。
[0008] 為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是：
[0009] 提供一種將基于振幅控制的超聲波設(shè)備用于化工裝置的三步式方法。該方法主要 分三步進(jìn)行:第一步，是對(duì)實(shí)驗(yàn)級(jí)小試設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，繪制在小試生產(chǎn)中的振幅曲線;第二 步，是制造和驗(yàn)證中試超聲波設(shè)備;第三步，是制作和應(yīng)用工業(yè)化生產(chǎn)的超聲波設(shè)備。
[0010]具體地，本發(fā)明包括以下步驟：
[0011] (1)對(duì)超聲波設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定
[0012] 對(duì)于以功率、功率百分比或功率絕對(duì)值作為調(diào)節(jié)刻度標(biāo)識(shí)的超聲波設(shè)備進(jìn)行標(biāo) 定，改成以振幅為計(jì)量單位的數(shù)值作為調(diào)節(jié)刻度標(biāo)識(shí)；
[0013] (2)繪制小試化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的振幅曲線
[0014] 將標(biāo)定過(guò)的超聲波設(shè)備應(yīng)用于相應(yīng)化工生產(chǎn)的小試實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐級(jí)調(diào)節(jié) 超聲波設(shè)備的振幅，同時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)效果;通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理得到實(shí)驗(yàn)效果與超聲波設(shè) 備振幅之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制出振幅與實(shí)驗(yàn)效果的關(guān)系曲線；
[0015] 所述實(shí)驗(yàn)效果是指化學(xué)反應(yīng)過(guò)程所需要實(shí)現(xiàn)的特定目的；
[0016] (3)制造用于中試化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備
[0017] 以最佳實(shí)驗(yàn)效果對(duì)應(yīng)的振幅數(shù)據(jù)作為應(yīng)用于中試實(shí)驗(yàn)的最佳振幅數(shù)值，據(jù)此完成 超聲波設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造;超聲波設(shè)備的功率范圍根據(jù)反應(yīng)物料的用量和性質(zhì)來(lái)確定，以 中試實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌瓿汕以O(shè)備功率不過(guò)載為依據(jù)；
[0018] (4)驗(yàn)證用于中試化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備
[0019]以小試化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的振幅與實(shí)驗(yàn)效果的關(guān)系曲線為指導(dǎo)，在中試化學(xué)反應(yīng)過(guò) 程的設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn);在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐級(jí)調(diào)節(jié)超聲波設(shè)備的振幅，并根據(jù)反應(yīng)需要對(duì)反應(yīng) 條件進(jìn)行調(diào)整，以能夠重復(fù)小試的試驗(yàn)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，且保證設(shè)備功率不過(guò)載；
[0020] (5)超聲波設(shè)備在化工生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用
[0021] 根據(jù)化工生產(chǎn)的實(shí)際需要，將經(jīng)過(guò)了中試驗(yàn)證定型的超聲波設(shè)備，以單體串聯(lián)的 方式應(yīng)用于化工生產(chǎn)裝置中，滿足流速或超聲波作用時(shí)間的要求;或者，以單體并聯(lián)的方式 應(yīng)用于化工生產(chǎn)裝置中，滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)量的要求。
[0022]本發(fā)明中，所述超聲波設(shè)備配備了恒振幅控制的超聲波驅(qū)動(dòng)電源，在20kHz條件下 至少能提供100微米的終端輸出振幅，且振幅可調(diào)。
[0023] 本發(fā)明中，所述應(yīng)用于小試實(shí)驗(yàn)或中試實(shí)驗(yàn)的超聲波設(shè)備，其發(fā)射頭呈變截面的 棒狀。
[0024] 本發(fā)明中，所述超聲波設(shè)備的發(fā)射頭或變幅桿上標(biāo)識(shí)了振幅放大倍數(shù)。
[0025] 本發(fā)明中，所述變幅桿或發(fā)射頭是能夠拆卸和更換的，并能實(shí)現(xiàn)多個(gè)組合連接。
[0026] 在本發(fā)明中，所述實(shí)驗(yàn)效果是指小試或中試的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程所需要實(shí)現(xiàn)的特定目 的;例如實(shí)現(xiàn)分散、實(shí)現(xiàn)乳化、完成化學(xué)反應(yīng)，等等。超聲波的導(dǎo)入能夠?qū)崿F(xiàn)使化工過(guò)程的時(shí) 間縮短、產(chǎn)率提高、分散度更佳等目的，而這些都是通過(guò)各種方式精確度量的化學(xué)反應(yīng)效 果。
[0027] 以石墨烯散熱涂料為例。沒(méi)有超聲波作用時(shí)，需要攪拌2個(gè)小時(shí)才能夠達(dá)到分散均 化效果，即散熱特性滿足要求。當(dāng)20kHz的超聲波振幅大于15微米作用時(shí)，攪拌時(shí)間有所縮 短。這就叫實(shí)驗(yàn)效果。所述最佳實(shí)驗(yàn)效果則是指:隨著超聲波振幅的增加，相應(yīng)的攪拌時(shí)間， 也隨之減少，散熱效果還是能夠滿足要求。當(dāng)超聲波振幅大于70微米時(shí)，攪拌時(shí)間減少幾乎 停滯了。那么，在超聲波振幅15微米到70微米之間，對(duì)降低攪拌時(shí)間的邊際效應(yīng)最大的一 點(diǎn)，就是最佳實(shí)驗(yàn)效果。
[0028] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：
[0029] 1、本發(fā)明能夠精確計(jì)量超聲波強(qiáng)度，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果有可比性，能夠重復(fù)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)。
[0030] 2、通過(guò)控制超聲波設(shè)備振幅的方式能夠指導(dǎo)中試設(shè)備的設(shè)計(jì)，確保中試設(shè)備能夠 重復(fù)再現(xiàn)小試設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為最終生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
[0031] 3、本發(fā)明解決了利用規(guī)范流程和嚴(yán)格數(shù)據(jù)，指導(dǎo)超聲波設(shè)備在化工生產(chǎn)裝置中的 完美應(yīng)用。從實(shí)驗(yàn)室里的小試實(shí)驗(yàn)開始，到中試實(shí)驗(yàn)，最終到化工生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用，保證 不走彎路，使實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)效果，在大規(guī)模生產(chǎn)線上精確再現(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合具體實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0033] (1)對(duì)超聲波設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定
[0034]在其他條件固定的情況下，超聲波發(fā)射的強(qiáng)度是由超聲波發(fā)射頭的振幅決定的。 一般而言，通常的大功率超聲波聚焦式發(fā)射頭，都是以縱向方式振動(dòng)的。那么，超聲波強(qiáng)度， 也就是以縱向振動(dòng)的振幅決定的。只要確定了超聲波發(fā)射頭的縱向振幅，也就確定了超聲 波發(fā)射的強(qiáng)度。也就是說(shuō)，這里問(wèn)題的關(guān)鍵是超聲波發(fā)射頭的振幅。只要把振幅控制住了， 也就嚴(yán)格控制了超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。這樣既避開了直接控制超聲波強(qiáng)度的困難，又能夠確 保超聲波強(qiáng)度的控制精度，問(wèn)題迎刃而解。其它模式(非縱向方式振動(dòng)）的超聲波振動(dòng)也是 一樣。只要是超聲波振動(dòng)，一定是振幅決定超聲波強(qiáng)度。
[0035]超聲波發(fā)射系統(tǒng)的基本構(gòu)成是兩大部分:超聲波驅(qū)動(dòng)電源和超聲波設(shè)備主機(jī)(包 括換能器、變幅桿、發(fā)射頭）。超聲波驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生高頻高功率交流電流，驅(qū)動(dòng)超聲波設(shè)備主 機(jī)振動(dòng)。超聲波設(shè)備主機(jī)在驅(qū)動(dòng)電源的推動(dòng)下發(fā)射超聲波。其過(guò)程是換能器首先把高頻高 功率交流電流，轉(zhuǎn)化為同頻率的超聲波機(jī)械振動(dòng)(這里一般是縱向伸縮振動(dòng)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是以 縱向?yàn)橹鞯膹椥孕巫儯Ｗ兎鶙U按照固定的倍率，放大振動(dòng)的振幅。發(fā)射頭同樣是按照固定 的倍率，進(jìn)一步放大振幅，然后向液體發(fā)射超聲波。為確保超聲波振幅可控，首先需要的是 配備恒振幅控制的超聲波驅(qū)動(dòng)電源。在這種驅(qū)動(dòng)電源的控制下，換能器的振幅不會(huì)受外界 負(fù)載的影響。也就是說(shuō)，只要在驅(qū)動(dòng)電源上設(shè)定了換能器的振幅，那么無(wú)論是空載還是滿負(fù) 載，或者是變化的負(fù)載，換能器的輸出振幅，均能夠保持不變。相應(yīng)的，是輸入輸出功率，隨 著負(fù)載的變化，作著相應(yīng)的變化。用汽車做一個(gè)類比，振幅相當(dāng)于汽車的速度，功率就相當(dāng) 于汽車的功率。當(dāng)汽車的速度恒定后，無(wú)論是上坡還是下坡，都可以保持不變。與此相對(duì)應(yīng)， 上坡時(shí)，汽車的消耗功率增加;下坡時(shí)，汽車的消耗功率減少。這樣，通過(guò)恒振幅控制的驅(qū)動(dòng) 電源，就可以控制換能器的振幅。當(dāng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源的輸出時(shí)，實(shí)際上就是調(diào)整換能器的振 幅，也可以說(shuō)是設(shè)定換能器的振幅。
[0036] 傳統(tǒng)的調(diào)整恒振幅驅(qū)動(dòng)電源輸出的方式，可以分檔，也可以無(wú)極調(diào)節(jié)