用于混合液體和多相介質(zhì)的超聲系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲化學(xué)領(lǐng)域，利用聲能來影響化學(xué)和物理過程的化學(xué)分支。
[0002]本發(fā)明涉及用于混合液體和多相介質(zhì)的超聲系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003]聲化學(xué)的潛力被Loomis在二十世紀(jì)二十年代首次確認(rèn)。產(chǎn)生于液體中的高強(qiáng)度的聲波被發(fā)現(xiàn)可產(chǎn)生導(dǎo)致“明顯加速效果”的空化效應(yīng)(例如，NI3的爆炸)，以及來自容器壁的玻璃碎片的“霧化”。
[0004]通過聲空化的手段產(chǎn)生自由基聚合起始的超聲振動(dòng)的應(yīng)用由A.S.0stroski和 R.B.Stambaugh 在 1950 年引入[Ostroski, A.S., and Stambaugh, R.B., “Emuls1nPolymerizat1n with Ultrasonic Vibrat1n，，，J.Appl.Phys.21，pp.478 (1950)]。這些科學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)功率超聲在水介質(zhì)中的單體(例如苯乙烯)乳液中的應(yīng)用可產(chǎn)生較好的分散，其也能顯著地加速苯乙烯聚合的速率。
[0005]在過去的幾十年里，引入了一系列的超聲裝置和工藝來提高各種實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)工藝，包括均質(zhì)化、乳化、排氣、結(jié)晶化、固體顆粒還原以及增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)。在生物學(xué)和生物化學(xué)中，聲空化已被證實(shí)能夠?qū)е律锛?xì)胞壁破碎以及能夠分離細(xì)胞內(nèi)含物[Gogate，P.R.;Kabadi, A.Μ.〃A review of applicat1ns of cavitat1n in b1chemical engineering/b1technology".B1chemical Engineering Journal, 44 (1), pp.60 - 72, 2009]。特別是研究顯示可通過超聲釋放選定的細(xì)胞內(nèi)含物實(shí)現(xiàn)酶法轉(zhuǎn)化。
[0006]用于在液體和多相介質(zhì)中傳播聲能的大部分常規(guī)超聲裝置利用的是由電聲換能器在半浸調(diào)諧變幅器中激勵(lì)的縱向振動(dòng)?？v向調(diào)諧變幅器可包括圓柱形、梯狀、圓錐形或指數(shù)輪廓。另外，錐形變幅器的幾何形狀需要放大換能器的有限的縱向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而提供足夠的能量以在介質(zhì)中產(chǎn)生空化。振幅放大器，被稱為助推器，也可被放置于換能器和調(diào)諧變幅器之間來放大換能器的振動(dòng)[Romdhane，M., Gourdon, C.，“Investigation in solid - liquid extract1n:1nfluence of ultrasound，，Chemical EngineeringJournal, 87 (1), pp 11 - 19,2002]。
[0007]依賴于處理的介質(zhì)，聲空化包括通過在強(qiáng)度上高于特定應(yīng)用的功率閾值的聲波傳播的脈動(dòng)氣泡的產(chǎn)生(以及隨后的破裂)。特別高的局部溫度和壓力由氣泡的內(nèi)爆產(chǎn)生，所述氣泡的內(nèi)爆造成與空化效應(yīng)相關(guān)的剪切力，例如震蕩波、聲流以及微噴射流。這些現(xiàn)象已被證實(shí)是顯著提高混合工藝以及產(chǎn)生/增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的主要原因。
[0008]常規(guī)縱向振動(dòng)超聲設(shè)備的主要問題是，這些設(shè)備僅能有效“聲波處理”在變幅器尖端附近的少量體積的處理介質(zhì)。結(jié)果，文獻(xiàn)報(bào)道中的功率超聲在液體中的驚人效果通常僅可在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模水平上被觀察到和重現(xiàn)，其中處理產(chǎn)品的體積很小。
[0009]用于聲化學(xué)應(yīng)用的常規(guī)超聲系統(tǒng)的主要組件顯示在圖1中，其中從超聲發(fā)生器2接收交變電場(chǎng)的常規(guī)電聲換能器1產(chǎn)生縱向振動(dòng)。換能器振動(dòng)被傳遞到附加的助推器3，然后與操作部件變幅器4耦合。助推器3和變幅器4都被調(diào)諧到縱向模式的共振。變幅器的尖端被浸在包含于反應(yīng)器7中的液體或多相流體6中，目的是產(chǎn)生聲空化。因?yàn)樵诂F(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)造中，尖端輸出面為變幅器唯一活動(dòng)的部分，所以實(shí)際上僅少量的液體能被處理。這樣的限制是目前難以擴(kuò)大聲化學(xué)應(yīng)用的主要的原因。
[0010]為了擴(kuò)大應(yīng)用，處理較大的產(chǎn)品體積，可以使用一系列的縱向振動(dòng)系統(tǒng)。然而，這樣的安排可能導(dǎo)致不切實(shí)際以及高價(jià)格。為了克服常規(guī)超聲設(shè)備的局限性，最近提出了新的系統(tǒng)構(gòu)造。Gallego-Juarez等已開發(fā)了一系列通過縱向共振壓電振動(dòng)器激勵(lì)的彎曲振動(dòng)板(EP 1010796 Bl)o與常規(guī)縱向系統(tǒng)相比，這些輻射板能夠在大量的處理介質(zhì)中產(chǎn)生空化。在涂料制備工藝中，這些設(shè)備已經(jīng)被研究用于紡織品洗滌以及顏料尺寸減小。
[0011]Sodeva公司開發(fā)了包括由垂直于變幅器的換能器激勵(lì)的管狀變幅器的調(diào)諧裝配結(jié)構(gòu)(EP 1372809 B1)。變幅器以彎曲振動(dòng)模式振動(dòng)，并且在間歇和連續(xù)操作中能夠聲處理較大量的液體。帶有增強(qiáng)發(fā)光面的空心變幅器由Telsonic推出(US4537511)。在該特別設(shè)計(jì)的調(diào)諧工具內(nèi)，部分縱向振動(dòng)被轉(zhuǎn)化成允許變幅器側(cè)面作為輻射區(qū)的徑向運(yùn)動(dòng)。
[0012]Pandit等已開發(fā)了含有六角橫斷面的聲化學(xué)反應(yīng)器，其中成排的Langevin換能器附在反應(yīng)器的側(cè)面上。該設(shè)計(jì)已顯示出可作為大規(guī)模應(yīng)用的候選，例如KI的放射量測(cè)定以及活性染料(羅丹明B)的降解。Hodnett等提出了帶有圓形截面以及多個(gè)附加的換能器的類似的反應(yīng)器(EP 1509301 B1)。該系統(tǒng)已被用于結(jié)晶工藝中來制造藥物。這兩個(gè)多換能器系統(tǒng)構(gòu)造均可在不同的頻率下進(jìn)行操作以獲得更均勻的空化場(chǎng)。
[0013]最后，為了增強(qiáng)混合效果，縱向振動(dòng)超聲設(shè)備已與機(jī)械攪拌器配合使用[US5484573]。機(jī)械攪拌附加超聲顯現(xiàn)出提高了液-液反應(yīng)速率，例如在基于電致發(fā)光熒光粉的硫化鋅的制備中[US20040007692]。然而，在燒瓶或罐中引入攪拌器和超聲變幅器可能是復(fù)雜的。
[0014]由于上述全部的原因，現(xiàn)在需要開發(fā)一種能夠有效地對(duì)較大產(chǎn)品體積進(jìn)行聲處理的緊湊型超聲設(shè)備，從而提高混合和聲化學(xué)工藝。也需要引入適用于各種工藝的可重構(gòu)系統(tǒng)。本文描述的發(fā)明解決了所有這些和其他的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明通過提供根據(jù)權(quán)利要求1的超聲系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求17的用于超聲處理的方法克服了上述問題。從屬權(quán)利限定了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式。
[0016]在此描述的發(fā)明引入了由與彎曲共振槳葉耦合的彎曲的或縱向彎曲的子裝配體構(gòu)成的新的超聲裝配體家族。與常規(guī)縱向型超聲設(shè)備相比，這種復(fù)合型超聲設(shè)備容許聲波穿過較大體積的處理介質(zhì)有效傳播。這一成就可通過調(diào)諧槳葉的彎曲振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，所述調(diào)諧槳葉的彎曲振動(dòng)可在處理的產(chǎn)品中產(chǎn)生多個(gè)空化區(qū)域。此外，由槳葉振動(dòng)運(yùn)動(dòng)在處理液體內(nèi)產(chǎn)生的聲流可導(dǎo)致額外的有益效果。
[0017]因此，在本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種用于液體和多相介質(zhì)處理的超聲系統(tǒng)，包括:
[0018]i)交變電場(chǎng)源，
[0019]ii)與交變電場(chǎng)源連接的電聲換能器；
[0020]iii)與電聲換能器連接的助推器，所述助推器的遠(yuǎn)離電聲換能器的橫截面小于接近電聲換能器的橫截面；以及
[0021]iv)與助推器耦合的至少一個(gè)調(diào)諧槳葉，其中至少一個(gè)槳葉使彎曲振動(dòng)與液體或多相介質(zhì)親合。
[0022]有益的是，超聲系統(tǒng)包括具有尖端的變幅器，變幅器與助推器的遠(yuǎn)端耦合，并且變幅器的尖端與至少一個(gè)槳葉耦合。
[0023]通過該系統(tǒng)產(chǎn)生的混合效果，即通過將馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)用于調(diào)諧系統(tǒng)，電聲換能器、傳輸組件以及浸在處理介質(zhì)中的調(diào)諧槳葉可被有利地改進(jìn)。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的引入導(dǎo)致剪切力的協(xié)同組合，所述剪切力的協(xié)同組合是在處理介質(zhì)中由槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和超聲振動(dòng)產(chǎn)生的。
[0024]在有益的實(shí)施例中，激勵(lì)扭轉(zhuǎn)或縱向-扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)需要激勵(lì)槳葉的彎曲振動(dòng)，在換能器內(nèi)由在周向偏振的壓電元件的協(xié)作產(chǎn)生?；蛘撸詈系娇v向振動(dòng)聲電換能器的非均勻傳輸調(diào)諧組件，例如助推器和/或變幅器，在需要激勵(lì)槳葉彎曲的變幅器和/或助推器的尖端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)或縱向-扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
[0025]在本發(fā)明的第二個(gè)方面描述了一種用于包含在反應(yīng)器內(nèi)的液體和多相介質(zhì)的超聲處理的方法，包括步驟:
[0026]i)提供根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的超聲系統(tǒng)，
[0027]ii)將所述系統(tǒng)的至少一個(gè)槳葉定位于反應(yīng)器中，以及
[0028]iii)通過將交變電場(chǎng)應(yīng)用于電聲換能器來驅(qū)動(dòng)超聲系統(tǒng)。
[0029]在本說明書(包括權(quán)利要求、說明書和附圖)描述的所有特征和/或描述的方法的所有步驟能以任意結(jié)合的方式結(jié)合，除了相互排斥的特征和/或步驟的結(jié)合以外。
【附圖說明】
[0030]從下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些和其他特征和益處將被更清楚地理解，所述優(yōu)選實(shí)施方式通過參照附圖的示例性和非限制性的實(shí)施例方式提供。
[0031]圖1該圖顯示了現(xiàn)有技術(shù)中用于聲化學(xué)的超聲系統(tǒng)，由聲電換能器、助推器和變幅器構(gòu)成，在縱向振動(dòng)模式中全部調(diào)諧到共振。
[0032]圖2該圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于液體和多相介質(zhì)處理的扭轉(zhuǎn)