浅析超声技术在化工生产中的应用

浅析超声技术在化工生产中的应用

程琼妍

常熟三爱富中昊化工新材料有限公司215522

摘要：我国工业化发展水平日益提升，形成许多新的技术手段，这在一定程度上推动化工生产企业长足发展。超声技术作为一种新型技术手段，在化工生产中运用十分普遍，通过运用超声技术的机械作用、热作用、空化作用等，使化工生产效率不断提升，加快化学反应速率，促进化工产业高速发展。

关键词：超声技术；化工生产；实践运用

结合现阶段我国对于超声技术的运用与研究的实际情况，超声技术的运用范围不断扩大，研究应用也逐渐加深，这也在一定程度上推动不同领域快速发展。化工业是我国第二产业，超声技术的运用相对普遍。文章将分析超声技术的基本原理，并以化工生产为例，介绍超声技术在化工生产中的实际运用，希望为推动我国化工产业发展贡献一份力量。

一、超声技术的作用原理

超声技术主要是通过换能器产生的，而换能器简单来讲，就是一种样式不同的能量转换系统[1]，超声换能器系统是机械能量或者电磁能量转换与能量相互作用的结果，传感器装置主要为机械式传感器和机电式传感器。现阶段，市面上常见的超声换能器系统主要是通过压电晶体制作而成。在20世纪80年代法国物理学家Cu2rie在研究中发现部分不存在中心对称的晶体，在一定方向外力作用下，晶体表面会产生电荷，此种效应也就是“压电效应”，而其晶体被称作为“压电晶体”。随后，该名物理学家发现压电晶体也有反压电作用，也就是在外电场的刺激下，晶体发生变形。形成压电作用是因晶体内部离子受到外力影响，出现不对称位移，产生新的电偶极矩，促使晶体表面产生电荷。然而，反压电效应是因为受到外电场影响，晶体内部离子出现相对移位，而形成内应力，促使晶体宏观发生变形。一旦晶体上下表面在电场影响下，因外电场和晶体内部带电原理的相互作用，导致晶体变形，交变电场在压电晶体上产生作用，其晶体也会处于振动状态，振动频率和电场频率相一致，一旦频率超过16kHz，就会形成超声源。换言之，超声技术因自身在传热、化学反应等方面有显著的优势，通过利用超声系统，为各个行业带来技术支持，在我国化工行业中对超声技术的运用极为重视。

二、在化工生产中超声技术的实践运用

（一）在提取中的运用

在食品加工生产中，常常会面临提取固体物质中的有效成分，例如速溶茶提取物、香料萃取、超声波空化形成微射流等，能够改变界面层，使扩散速度加快，进而提升萃取速度、浸出速度。

（二）在聚合反应中的运用

通常情况下，超声高强度会降解单体聚合和聚合物质。比较小的分子量分布于高纯度超声降解之后[2]，会形成降解效应；而单体聚合反应会通过超声空化作用，形成局部高压与高温现象，产生自由基，所获取的聚合物分子质量十分均匀，提高反应速率。在降解反应中，能够形成合成共聚物、聚合物自由基、基于超声空化的两种聚合物偶联。例如，在反应时，甲基丙烯酸甲酯聚合中，引发剂通过高功率超声技术，进一步促进聚合，形成自由基聚合反应作用。简单来讲，超声空化降解反应能够对聚合物分子量及其分布结构起到控制作用，以便获得更加理想的聚合物。

（三）在有机合成中的运用

在有机合成中，超声技术的运用已经有多年历史，反应条件得到进一步优化，反应时间逐渐缩短，反应效率不断提升，能够使反应方向与反应方式发生改变，为能量在分子中运用提供可靠依据。随着超声技术完善发展，均相催化反应作为有机均相反应中的常见形式之一[3]，在超声空化气泡崩溃时，利用超声技术手段形成能量，促使有机键发生断裂，导致溶剂与自由基结构发生改变，能够对反应速率产生影响。例如，在五羰基铁催化戊烯异构反应过程中，基于超声条件作用下，使反应速率进一步提升，催化有机金属化合物，且外力会使配体结合的金属链发生断裂，加快化学反应。超声技术在多相反应中合理运用，例如氧化还原反应、取代反应、加成反应等，以醋酸铵与乙酸为例，在温度为100℃下长时间反应，反应效果不明显，而在温度为22℃环境中，借助超声技术，反应3小时，该收率值为90%-99%，但是处于室温环境，如若没有超声技术支持，无法达到此种效果。

（四）在结晶环节中的运用

在饱和溶液中，超声技术可形成新的形式，并利用高压，形成反应溶液碎片，对粒子形态起到良好的控制作用[4]，增强分散程度，提高成核率，加快微反应，确保结晶环节有序完成。需要注意的是，在超声空化气泡坍塌过程中，因形成微射流，表面点蚀结晶，一旦有强度比较大，容易对晶体生长产生影响，严重情况下会使晶体破碎，所以在超声技术运用过程中要重视频率的控制。以Mg3(OH)5Cl·4H2O结晶为例，可利用250W超声技术和33kHz超声技术，原本要通过12小时才能结晶的，可缩短为4小时，该成核速度也会随着超声波频率增加而提高，使诱导期和完全晶化时间进一步缩短。

（五）在食品添加剂合成中的运用

在化学合成研究中，超声技术运用是重要研究项目之一，且取得不错的研究成效。例如，利用超声辐射方法，合成马来酸和二乙酯，能够形成富马酸二乙酯食品添加剂，可发挥良好的杀菌、防腐、保鲜作用；运用超声技术进行大豆油催化加氢合成，所形成的氢化大豆油反应速率比原来快100倍不止；在食品添加剂不饱和脂肪酸、甘油三酸酯和二溴乙烷、锌的环丙烷化反应等，都通过运用超声技术，取得不错的合成效果。

（六）在超声凝聚中的运用

在超声波通过存有悬浮粒子的流体媒质过程中，悬浮粒子会和媒质产生振动[5]，但是因粒子大小存在差异，所以会形成不同的振动速度，粒子也会相互碰撞、相互粘合，体积与质量进一步扩大；然而，因粒子变化无法随着振动一起运动，而是进行毫无规律性的运动，继续相互碰撞、相互粘合、相互变大，最终沉降下来，这也是超声凝聚的基本过程。在超声场中还有一些促进粒子相互靠近的恒动力，如声辐射力、斯托克斯粘滞力，促使粒子向着声源方向移动；大振幅畸变导致奥星力以及让两粒子之间相互靠近的伯努利力等，会使粒子相互靠近、相互碰撞。同时，让存在于气体、液体之中的非均悬浮粒子快速聚集，且具有理想的超声频率，只要找出最理想的频率，就能为粒子提供更多的碰撞机会，形成良好的凝聚作用。凝聚还可超声作用的时间、功率存在一定关联性。如若声强比较高，能在比较短的时间范围内达到理想凝聚作用。除此之外，超声凝聚还和粒子的大小、属性、浓度等存在关联性，凝聚速度和离子浓度存在正比关系。

结束语：

综上所述，超声技术作为一种多学科交叉的边缘科学，有广阔的应用空间，其作用原理是运用超声波的空化效应。空化作用形成的极端作用环境，能够为许多化学反应提供必要条件。在空化环节中形成许多空化气泡，使两相接触面积增加，为催化剂制备带来方便。同时，超声技术效果十分明显，应用经济性良好，值得在化工生产中推广应用，推动我国化工产业长足稳定发展。

参考文献：

[1] 张磊.超声相控阵技术在石油化工领域中的应用进展[J].化工设计通讯,2020,46(8):48-48,59.

[2] 缪斌,陈荣华.超声波检测技术在压力容器检测中的应用[J].中国设备工程,2020,0(1):143-144.

[3] 宋红.超声波技术在酸性水汽提装置重沸器上的应用[J].广东化工,2020,47(5):176-177,180.

[4] 高峰,贠莹,杨秀娜,等.超声波强化技术在化工过程中的应用进展[J].当代石油石化,2022,30(8):22-27.

[5] 王天曜,刘文强,尚其铎.超声相控阵检测技术的发展与在化工设备领域的应用[J].化工管理,2020(26):56-57.

作者简介：程琼妍  1985.11 女 江苏常熟 汉 本科 中级  常熟三爱富中昊化工新材料有限公司 研究方向:化工