用于混合液体和多相介质的超声系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于声化学领域，利用声能来影响化学和物理过程的化学分支。
[0002]本发明涉及用于混合液体和多相介质的超声系统和方法。
【背景技术】
[0003]声化学的潜力被Loomis在二十世纪二十年代首次确认。产生于液体中的高强度的声波被发现可产生导致“明显加速效果”的空化效应(例如，NI3的爆炸)，以及来自容器壁的玻璃碎片的“雾化”。
[0004]通过声空化的手段产生自由基聚合起始的超声振动的应用由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)]。这些科学工作者发现功率超声在水介质中的单体(例如苯乙烯)乳液中的应用可产生较好的分散，其也能显著地加速苯乙烯聚合的速率。
[0005]在过去的几十年里，引入了一系列的超声装置和工艺来提高各种实验室和工业工艺，包括均质化、乳化、排气、结晶化、固体颗粒还原以及增强化学反应。在生物学和生物化学中，声空化已被证实能够导致生物细胞壁破碎以及能够分离细胞内含物[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]。特别是研究显示可通过超声释放选定的细胞内含物实现酶法转化。
[0006]用于在液体和多相介质中传播声能的大部分常规超声装置利用的是由电声换能器在半浸调谐变幅器中激励的纵向振动。纵向调谐变幅器可包括圆柱形、梯状、圆锥形或指数轮廓。另外，锥形变幅器的几何形状需要放大换能器的有限的纵向振动运动，从而提供足够的能量以在介质中产生空化。振幅放大器，被称为助推器，也可被放置于换能器和调谐变幅器之间来放大换能器的振动[Romdhane，M., Gourdon, C.，“Investigation in solid - liquid extract1n:1nfluence of ultrasound，，Chemical EngineeringJournal, 87 (1), pp 11 - 19,2002]。
[0007]依赖于处理的介质，声空化包括通过在强度上高于特定应用的功率阈值的声波传播的脉动气泡的产生(以及随后的破裂)。特别高的局部温度和压力由气泡的内爆产生，所述气泡的内爆造成与空化效应相关的剪切力，例如震荡波、声流以及微喷射流。这些现象已被证实是显著提高混合工艺以及产生/增强化学反应的主要原因。
[0008]常规纵向振动超声设备的主要问题是，这些设备仅能有效“声波处理”在变幅器尖端附近的少量体积的处理介质。结果，文献报道中的功率超声在液体中的惊人效果通常仅可在实验室规模水平上被观察到和重现，其中处理产品的体积很小。
[0009]用于声化学应用的常规超声系统的主要组件显示在图1中，其中从超声发生器2接收交变电场的常规电声换能器1产生纵向振动。换能器振动被传递到附加的助推器3，然后与操作部件变幅器4耦合。助推器3和变幅器4都被调谐到纵向模式的共振。变幅器的尖端被浸在包含于反应器7中的液体或多相流体6中，目的是产生声空化。因为在现有技术的构造中，尖端输出面为变幅器唯一活动的部分，所以实际上仅少量的液体能被处理。这样的限制是目前难以扩大声化学应用的主要的原因。
[0010]为了扩大应用，处理较大的产品体积，可以使用一系列的纵向振动系统。然而，这样的安排可能导致不切实际以及高价格。为了克服常规超声设备的局限性，最近提出了新的系统构造。Gallego-Juarez等已开发了一系列通过纵向共振压电振动器激励的弯曲振动板(EP 1010796 Bl)o与常规纵向系统相比，这些辐射板能够在大量的处理介质中产生空化。在涂料制备工艺中，这些设备已经被研究用于纺织品洗涤以及颜料尺寸减小。
[0011]Sodeva公司开发了包括由垂直于变幅器的换能器激励的管状变幅器的调谐装配结构(EP 1372809 B1)。变幅器以弯曲振动模式振动，并且在间歇和连续操作中能够声处理较大量的液体。带有增强发光面的空心变幅器由Telsonic推出(US4537511)。在该特别设计的调谐工具内，部分纵向振动被转化成允许变幅器侧面作为辐射区的径向运动。
[0012]Pandit等已开发了含有六角横断面的声化学反应器，其中成排的Langevin换能器附在反应器的侧面上。该设计已显示出可作为大规模应用的候选，例如KI的放射量测定以及活性染料(罗丹明B)的降解。Hodnett等提出了带有圆形截面以及多个附加的换能器的类似的反应器(EP 1509301 B1)。该系统已被用于结晶工艺中来制造药物。这两个多换能器系统构造均可在不同的频率下进行操作以获得更均匀的空化场。
[0013]最后，为了增强混合效果，纵向振动超声设备已与机械搅拌器配合使用[US5484573]。机械搅拌附加超声显现出提高了液-液反应速率，例如在基于电致发光荧光粉的硫化锌的制备中[US20040007692]。然而，在烧瓶或罐中引入搅拌器和超声变幅器可能是复杂的。
[0014]由于上述全部的原因，现在需要开发一种能够有效地对较大产品体积进行声处理的紧凑型超声设备，从而提高混合和声化学工艺。也需要引入适用于各种工艺的可重构系统。本文描述的发明解决了所有这些和其他的需求。
【发明内容】
[0015]本发明通过提供根据权利要求1的超声系统和根据权利要求17的用于超声处理的方法克服了上述问题。从属权利限定了本发明的优选的实施方式。
[0016]在此描述的发明引入了由与弯曲共振桨叶耦合的弯曲的或纵向弯曲的子装配体构成的新的超声装配体家族。与常规纵向型超声设备相比，这种复合型超声设备容许声波穿过较大体积的处理介质有效传播。这一成就可通过调谐桨叶的弯曲振动来实现，所述调谐桨叶的弯曲振动可在处理的产品中产生多个空化区域。此外，由桨叶振动运动在处理液体内产生的声流可导致额外的有益效果。
[0017]因此，在本发明的第一个方面，提供了一种用于液体和多相介质处理的超声系统，包括:
[0018]i)交变电场源，
[0019]ii)与交变电场源连接的电声换能器；
[0020]iii)与电声换能器连接的助推器，所述助推器的远离电声换能器的横截面小于接近电声换能器的横截面；以及
[0021]iv)与助推器耦合的至少一个调谐桨叶，其中至少一个桨叶使弯曲振动与液体或多相介质親合。
[0022]有益的是，超声系统包括具有尖端的变幅器，变幅器与助推器的远端耦合，并且变幅器的尖端与至少一个桨叶耦合。
[0023]通过该系统产生的混合效果，即通过将马达驱动的转动应用于调谐系统，电声换能器、传输组件以及浸在处理介质中的调谐桨叶可被有利地改进。旋转马达的引入导致剪切力的协同组合，所述剪切力的协同组合是在处理介质中由桨叶的转动运动和超声振动产生的。
[0024]在有益的实施例中，激励扭转或纵向-扭转的振动需要激励桨叶的弯曲振动，在换能器内由在周向偏振的压电元件的协作产生。或者，耦合到纵向振动声电换能器的非均匀传输调谐组件，例如助推器和/或变幅器，在需要激励桨叶弯曲的变幅器和/或助推器的尖端产生扭转或纵向-扭转振动。
[0025]在本发明的第二个方面描述了一种用于包含在反应器内的液体和多相介质的超声处理的方法，包括步骤:
[0026]i)提供根据本发明第一个方面的超声系统，
[0027]ii)将所述系统的至少一个桨叶定位于反应器中，以及
[0028]iii)通过将交变电场应用于电声换能器来驱动超声系统。
[0029]在本说明书(包括权利要求、说明书和附图)描述的所有特征和/或描述的方法的所有步骤能以任意结合的方式结合，除了相互排斥的特征和/或步骤的结合以外。
【附图说明】
[0030]从下面对优选实施方式的详细说明，本发明的这些和其他特征和益处将被更清楚地理解，所述优选实施方式通过参照附图的示例性和非限制性的实施例方式提供。
[0031]图1该图显示了现有技术中用于声化学的超声系统，由声电换能器、助推器和变幅器构成，在纵向振动模式中全部调谐到共振。
[0032]图2该图显示了根据本发明的实施方式的用于液体和多相介质处理的扭转