大功率超聲波生物柴油處理系統(tǒng)

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

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。超聲波在液體媒質中傳播時，通過機械作用、空化作用和熱作用，產生力學、熱學、光學、電學和化學等一系列效應。尤其是高功率的超聲波，會產生強烈的空化作用，從而在局部形成瞬時高溫，高壓、真空和微射流。對化學萃取、生物柴油生產和聲化學反應，造成了一個非常有利于反應過程的局部小環(huán)境，能大大提高反應速度，降低反應條件。對生物質提取而言，會造成植物細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化提取和超聲波用于生物柴油的制備。

    超聲波化學萃取、生物柴油生產和聲化學反應生物質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，功率相應大。國外的應用實踐也證明20kzui有效，并且已經大規(guī)模應用。

二、工作原理：

1、    基本構成：

    作為國內大功率超聲波核心部件的*，杭州成功超聲設備有限公司積極研發(fā)生產的大功率超聲波應用設備。瞄準技術，結合國內的應用實際，在國內*開發(fā)出大功率超聲波生物柴油處理設備。該設備不改變客戶現有的生產設備和工藝流程，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動電源兩部分構成：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換成機械能，即超聲波。其表現形式是換能器在縱向作來回伸縮運動，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。變幅桿按設計需要放大振幅，隔離反應溶液和換能器，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)射到化學反應液體中。

圖中所示的是超聲波生物柴油處理器的典型結構。根據實際生產設備的不同要求，超聲波處理器的結構形式和尺寸可以作相應的變動。

超聲波驅動電源（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、保護電路，匹配電路、顯示儀表等。用于產生高頻高功率電流，驅動超聲波振動部件工作。超聲波發(fā)生器的功率可調，以適應不同的工作狀態(tài)。發(fā)生器內還可根據需要集成有時序控制器，設定控制超聲波發(fā)振時間和間歇時間。

2、    作用原理：

    生物柴油制備的關鍵是脂肪酸甘油酯與甲醇等低碳醇的催化酯交換反應，而超聲波具有明顯的強化酯交換反應的作用，特別是對非均相的反應體系可明顯增強其混合（乳化）效果和促進分子間接觸反應，使原本需高溫（高壓）條件下進行的反應，在室溫（或接近室溫）條件下就可完成，并且縮短反應時間。超聲波不僅用于酯交換反應過程，而且用于反應混合物的分離過程。  美國密西西比州立大學的研究人員在生物柴油生產中采用超聲波加工，5分鐘內使生物柴油產率超過99%，而采用常規(guī)的批量反應器系統(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。由一家小型德國公司提供的超聲波加工設備已應用于各種聲化學領域，用于生物柴油生產是其中之一。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%，并能提高副產物甘油的純度。

將超聲波應用于化學反應和工藝過程的聲化學，是基于在大功率超聲波能量作用下的空化現象：液體中無數個微型氣泡體形成、增長，再瞬間爆破，從而在局部形成高溫、高壓的環(huán)境。這不僅可為化學反應提供能量，而且可達到較好的混合和更快的分離效果。據估算，在商業(yè)規(guī)模生物柴油加工中應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。

另據報道，將超聲波技術應用于其他生物燃料和替代燃料產品生產的還有：美國愛荷華州立大學正在研發(fā)用超聲波提高從谷物中生產乙醇的產率；*植物醫(yī)藥品公司在生物柴油加工中采用超聲波處理，以降低生產成本；GreenShift公司組建通用超聲波公司，現已推出技術，改進物理和化學反應，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（即產量）就越高。

根據許多客戶的經驗積累，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大產量不超過800  L/h的生物柴油生產設備

1500W系統(tǒng)：適用于產量 200-1000  L/h的生物柴油生產設備

2000W系統(tǒng)：適用于產量 300-2000 L/h的生物柴油生產設備

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、主要技術指標：

1、    可選頻率范圍：15KHz ～ 60 KHz。

2、    常用頻率：20kHz

3、    每單元標稱功率：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、    驅動電源：模擬式電源，數控式電源，頻率自動跟蹤、過流過壓保護、功率大小可調。

8、    驅動電源典型尺寸：350×250×120mm

9、    驅動電源典型重量：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設備

美國客戶采用我公司生物柴油生產設備

大功率超聲波生物柴油處理技術正是我公司在新型超聲波應用領域的又一重大突破。這一技術國外也是剛開發(fā)不久，國內還沒有單位能夠生產。我公司密切跟蹤國外的*技術和工藝，并將的技術簡單化，實用化。幫助我們的合作伙伴成功地應用于生產實踐中，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。

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

以zui成熟常用的化學法合成生物柴油為例，存在以下缺點：工藝復雜，醇必須過量，后續(xù)工藝必須有相應的醇回收裝置，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；酯化產物難于回收，成本高；生產過程有廢堿液排放。根據用戶的實驗結果，在反應過程中增加超聲波后，

反應速率提高20%～60%，

酯化反應溫度降低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90分鐘，結合以上兩套設備后，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換是更好，更快。這個允許少量的化學物質，像催化劑及。 一些反應，做少20%的甲醇和可達少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行轉酯化反應，制備相應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酯化有效，而對短鏈脂肪醇（如甲醇或乙醇等）轉化率低，而且短鏈醇對酶有一定毒性，酶的使用壽命短。副產物甘油和水難于回收，不但對產物形成抑制，而且甘油對固定化酶有毒性，使固定化酶使用壽命短。

這項技術正在開發(fā)，所謂超聲和射流反應生產生物柴油。 生射流反應器是由Prof Leon Lorenzen from the university of Slnboosch鑒別的。.然后Biofuelson進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器。 這個反應器是一個非常緊密的混合器， 所以熱量發(fā)展，當油跑進反應器時。 當油進入這個設置只要30度（南非正常室外溫度），對脂化反應不需要加熱。射流反應器將自行開發(fā)熱量，同時只要你混合油，混合熱量將上升。 這是非?？隙ǖ?，對于南非低電力。同時這對農村來說是非常有吸引力的。結合以上兩 套設備可以使請看結果。還有另外一個優(yōu)勢是甘油的分離時間，這個同樣很快捷。

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

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