大功率超聲波生物柴油處理系統(tǒng)

生物柴油制備的關(guān)鍵是脂肪酸甘油酯與甲醇等低碳醇的催化酯交換反應(yīng)，而超聲波具有明顯的強(qiáng)化酯交換反應(yīng)的作用，特別是對非均相的反應(yīng)體系可明顯增強(qiáng)其混合（乳化）效果和促進(jìn)分子間接觸反應(yīng)，使原本需高溫（高壓）條件下進(jìn)行的反應(yīng)，在室溫（或接近室溫）條件下就可完成，并且縮短反應(yīng)時間。超聲波不僅用于酯交換反應(yīng)過程，而且用于反應(yīng)混合物的分離過程。

一、概述：

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(zhì)中傳播時，通過機(jī)械作用、空化作用和熱作用，產(chǎn)生力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等一系列效應(yīng)。尤其是高功率的超聲波，會產(chǎn)生強(qiáng)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。對化學(xué)萃取、生物柴油生產(chǎn)和聲化學(xué)反應(yīng)，造成了一個非常有利于反應(yīng)過程的局部小環(huán)境，能大大提高反應(yīng)速度，降低反應(yīng)條件。對生物質(zhì)提取而言，會造成植物細(xì)胞壁的破壞和溶劑的快速滲透，使被提取的有效成分迅速溶解到溶劑中，從而提高提取率、縮短提取時間、節(jié)省溶劑。超聲波用于生物質(zhì)資源加工則是近年來研究和開發(fā)的熱點，其中代表性的工作是超聲波用于植物有效成分的強(qiáng)化提取和超聲波用于生物柴油的制備。

    超聲波化學(xué)萃取、生物柴油生產(chǎn)和聲化學(xué)反應(yīng)生物質(zhì)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。一個原因是在超聲波系統(tǒng)頻率低，功率相應(yīng)大。國外的應(yīng)用實踐也證明20kzui有效，并且已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。

二、工作原理：

1、    基本構(gòu)成：

    作為國內(nèi)大功率超聲波核心部件的*，杭州成功超聲設(shè)備有限公司積極研發(fā)生產(chǎn)的大功率超聲波應(yīng)用設(shè)備。瞄準(zhǔn)技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)的應(yīng)用實際，在國內(nèi)*開發(fā)出大功率超聲波生物柴油處理設(shè)備。該設(shè)備不改變客戶現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程，安裝操作也非常方便。

超聲波生物柴油系統(tǒng)由超聲波振動部件和超聲波驅(qū)動電源兩部分構(gòu)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(fā)射頭），用于產(chǎn)生超聲波振動，并將此振動能量向液體中發(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回伸縮運(yùn)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(shè)計需要放大振幅，隔離反應(yīng)溶液和換能器，同時也起到固定整個超聲波振動系統(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。

圖中所示的是超聲波生物柴油處理器的典型結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際生產(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。

超聲波驅(qū)動電源（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)動超聲波振動部件工作。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)需要集成有時序控制器，設(shè)定控制超聲波發(fā)振時間和間歇時間。

2、    作用原理：

    生物柴油制備的關(guān)鍵是脂肪酸甘油酯與甲醇等低碳醇的催化酯交換反應(yīng)，而超聲波具有明顯的強(qiáng)化酯交換反應(yīng)的作用，特別是對非均相的反應(yīng)體系可明顯增強(qiáng)其混合（乳化）效果和促進(jìn)分子間接觸反應(yīng)，使原本需高溫（高壓）條件下進(jìn)行的反應(yīng)，在室溫（或接近室溫）條件下就可完成，并且縮短反應(yīng)時間。超聲波不僅用于酯交換反應(yīng)過程，而且用于反應(yīng)混合物的分離過程。  美國密西西比州立大學(xué)的研究人員在生物柴油生產(chǎn)中采用超聲波加工，5分鐘內(nèi)使生物柴油產(chǎn)率超過99%，而采用常規(guī)的批量反應(yīng)器系統(tǒng)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(fā)布。

    另據(jù)報道，采用超聲波加工使常規(guī)攪拌所需的5-10個小時的分離時間縮短到15分鐘以內(nèi)。由一家小型德國公司提供的超聲波加工設(shè)備已應(yīng)用于各種聲化學(xué)領(lǐng)域，用于生物柴油生產(chǎn)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(chǎn)物甘油的純度。

將超聲波應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)和工藝過程的聲化學(xué)，是基于在大功率超聲波能量作用下的空化現(xiàn)象：液體中無數(shù)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(huán)境。這不僅可為化學(xué)反應(yīng)提供能量，而且可達(dá)到較好的混合和更快的分離效果。據(jù)估算，在商業(yè)規(guī)模生物柴油加工中應(yīng)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。

另據(jù)報道，將超聲波技術(shù)應(yīng)用于其他生物燃料和替代燃料產(chǎn)品生產(chǎn)的還有：美國愛荷華州立大學(xué)正在研發(fā)用超聲波提高從谷物中生產(chǎn)乙醇的產(chǎn)率；*植物醫(yī)藥品公司在生物柴油加工中采用超聲波處理，以降低生產(chǎn)成本；GreenShift公司組建通用超聲波公司，現(xiàn)已推出技術(shù)，改進(jìn)物理和化學(xué)反應(yīng)，包括使蒸汽重整更高效地制取氫氣。

3、    工作方式：

被處理液體盛在容器中，發(fā)射頭插入液體中，發(fā)射超聲波。被處理的液體在容器中流過，同時也被強(qiáng)烈的超聲波作用。被處理液體量可多可少，一般而言，對同樣大小的容器，液體流量越小，則在容器中停留的時間也越長，超聲波作用的時間也越長。反之，控制超聲波作用時間越短，則流量（即產(chǎn)量）就越高。

根據(jù)許多客戶的經(jīng)驗積累，一般作如下的配備：

1000W以下系統(tǒng)：主要用于實驗室和小型或中試系統(tǒng)

1000W系統(tǒng)：適用于zui大產(chǎn)量不超過800  L/h的生物柴油生產(chǎn)設(shè)備

1500W系統(tǒng)：適用于產(chǎn)量 200-1000  L/h的生物柴油生產(chǎn)設(shè)備

2000W系統(tǒng)：適用于產(chǎn)量 300-2000 L/h的生物柴油生產(chǎn)設(shè)備

一般一套超聲波處理單元的zui大功率不超過2000W。如果需要更大的功率，可以用多個單元組合。

三、主要技術(shù)指標(biāo)：

1、    可選頻率范圍：15KHz ～ 60 KHz。

2、    常用頻率：20kHz

3、    每單元標(biāo)稱功率：500W、1000W、1500W、2000W、，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。

4、    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。

5、    超聲波振動部件典型尺寸： Φ160mm×800mm

6、    超聲波振動部件典型重量：12 kg

7、    驅(qū)動電源：模擬式電源，數(shù)控式電源，頻率自動跟蹤、過流過壓保護(hù)、功率大小可調(diào)。

8、    驅(qū)動電源典型尺寸：350×250×120mm

9、    驅(qū)動電源典型重量：18 kg

四、我公司超聲波生物柴油處理系統(tǒng)實物圖

南非客戶采用我公司生物柴油生產(chǎn)設(shè)備

美國客戶采用我公司生物柴油生產(chǎn)設(shè)備

大功率超聲波生物柴油處理技術(shù)正是我公司在新型超聲波應(yīng)用領(lǐng)域的又一重大突破。這一技術(shù)國外也是剛開發(fā)不久，國內(nèi)還沒有單位能夠生產(chǎn)。我公司密切跟蹤國外的*技術(shù)和工藝，并將的技術(shù)簡單化，實用化。幫助我們的合作伙伴成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，既是我們努力的方向，也一定會給我們雙方帶來zui大的效益。

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

以zui成熟常用的化學(xué)法合成生物柴油為例，存在以下缺點：工藝復(fù)雜，醇必須過量，后續(xù)工藝必須有相應(yīng)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(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。根據(jù)用戶的實驗結(jié)果，在反應(yīng)過程中增加超聲波后，

反應(yīng)速率提高20%～60%，

酯化反應(yīng)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(chǎn)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。

正?；旌蠒r間可達(dá)90分鐘，結(jié)合以上兩套設(shè)備后，混合時間可低到30-45分鐘。另外一個優(yōu)勢是由于空化氣泡形成與超聲波大量轉(zhuǎn)換是更好，更快。這個允許少量的化學(xué)物質(zhì)，像催化劑及。 一些反應(yīng)，做少20%的甲醇和可達(dá)少40%以下的，很好的效果。

為解決上述問題，人們開始研究用生物酶法合成生物柴油，即用動物油脂和低碳醇通過脂肪酶進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，制備相應(yīng)的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有條件溫和、醇用量小、無污染排放的優(yōu)點。但目前主要問題有：對甲醇及乙醇的轉(zhuǎn)化率低，一般僅為40%-60%。由于目前脂肪酶對長鏈脂肪醇的酯化或轉(zhuǎn)酯化有效，而對短鏈脂肪醇（如甲醇或乙醇等）轉(zhuǎn)化率低，而且短鏈醇對酶有一定毒性，酶的使用壽命短。副產(chǎn)物甘油和水難于回收，不但對產(chǎn)物形成抑制，而且甘油對固定化酶有毒性，使固定化酶使用壽命短。

這項技術(shù)正在開發(fā)，所謂超聲和射流反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油。 生射流反應(yīng)器是由Prof Leon Lorenzen from the university of Slnboosch鑒別的。.然后Biofuelson進(jìn)一步考慮這一觀點及開發(fā)了一個為生物柴油的特別射流反應(yīng)器。 這個反應(yīng)器是一個非常緊密的混合器， 所以熱量發(fā)展，當(dāng)油跑進(jìn)反應(yīng)器時。 當(dāng)油進(jìn)入這個設(shè)置只要30度（南非正常室外溫度），對脂化反應(yīng)不需要加熱。射流反應(yīng)器將自行開發(fā)熱量，同時只要你混合油，混合熱量將上升。 這是非常肯定的，對于南非低電力。同時這對農(nóng)村來說是非常有吸引力的。結(jié)合以上兩 套設(shè)備可以使請看結(jié)果。還有另外一個優(yōu)勢是甘油的分離時間，這個同樣很快捷。

成功超聲設(shè)備公司研發(fā)的愛達(dá)普牌新型超聲波設(shè)備有：
超聲波乳化攪拌機(jī)
超聲波絕緣電纜剝線機(jī)，
超聲波消除焊縫應(yīng)力沖擊槍，
超聲波塑焊焊接機(jī)釬焊設(shè)備
超聲波化工水溶液分散機(jī)
超聲波蛋糕食品切割機(jī)
超聲波霧化（加濕）機(jī)、
超聲波金屬焊接震動系統(tǒng)
超聲波智能卡天線植入機(jī)
超聲波無縫縫紉機(jī)芯、
超聲波分散機(jī)
超聲波智能卡埋線機(jī)
超聲波智能卡繞線機(jī)
超聲波焊線機(jī)；
超聲波錫包線植入機(jī)
超聲波智能卡植線機(jī)
超聲波金屬制粉（霧化）機(jī)芯，
超聲波切割封邊機(jī)，
超聲波金屬結(jié)晶（鑄造）機(jī)，
超聲波金屬制粉設(shè)備
超聲波技術(shù)拉絲機(jī)芯，
超聲波結(jié)石粉碎機(jī)芯，
超聲波硅晶片切割機(jī)芯，
超聲波振幅測量儀，
超聲波聲強(qiáng)測量儀，
超聲波提取機(jī)器
超聲波生物柴油聲化學(xué)輔助催化機(jī)，
超聲波細(xì)胞破碎機(jī)芯，
超聲波金屬表面拋光設(shè)備，
超聲波磁芯打孔，
超聲波污水降解機(jī)
超聲波胎面切割，
超聲波震動篩。
超聲波空蝕機(jī)（磨損實驗機(jī)）
超聲波合金熔體結(jié)晶晶粒細(xì)化連鑄機(jī)

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