专利名称：多频率超声波设备和生产生物燃料的方法
技术领域：
本发明总地涉及与生物柴油或其他生物燃料的生产相关的加工设备和相关的加 工方法，更特别是涉及使用双频超声波能量的改进方法。
背景技术：
已知用于生物柴油或其他生物燃料的脂肪醇酯的生产得益于在生产脂肪酸醇酯 的化学反应和随后从甘油中分离脂肪酸醇酯的过程中的超声波能量的应用。参见，例如，题 目为"生产脂肪酸醇酯的方法"的美国专利6， 884. 900。这项专利披露了在反应器或分离罐 的表面安装或在反应器或罐体的内部同轴地安装一个或多个超声波换能器。
发明概述 本发明是一种超声波设备，以及在生物燃料，更一般地，并且更具体地，在脂肪酸 醇酯的生产过程中利用多频率超声波能量的方法。通过在酯交换反应方法中给反应物施加 多频率超声波，该方法加速了植物油和/或脂肪酸转化为脂肪酸烷基酯的酯交换反应。多 个频率被按顺序地或者同时地施加。实验证实，在58kHz、 192kHz的频率和5000瓦功率下 施加多频超声波能量以每分钟1加仑的速率产生了纯度高达98%的烷基酯。
用于生产脂肪酸烷基酯的方法包括下列步骤(l)提供植物油或者脂肪酸、碱性 催化剂和烷基醇的乳液；(2)利用在多个频率下运行的超声波源对该乳液进行超声波处理 来加快酯交换过程；和(3)将酯交换过的乳液分离成分开的甘油/丙三醇相和脂肪酸烷基 酯相。 用于使植物油脂或脂肪酸发生酯交换反应而生成脂肪酸烷基酯的方法至少包括 以下步骤将包含植物油或脂肪酸的反应流体放入罐中，在两个分开的频率下，将在15kHz 至1. 5MHz范围内的超声波能量施加到罐中的反应流体上。 在反应物已经达到其最终的/平衡的化学状态之后，该方法加快了在酯交换过程 中产生的甘油/丙三醇相和脂肪酸烷基酯相的分离。甘油/丙三醇的分离过程涉及在相分 离步骤中从脂肪酸烷基酯和没有反应的化学物质中分离出甘油/丙三醇。
所述设备包括具有安装在罐上或者容纳在罐内的两个或多个频率的超声波换能 器的工艺罐。 一个优选的实施方案包括具有在外面安装的两个频率的超声波换能器的四边 形或五边形的管子。以较低频率的换能器与较高频率的换能器交替的模式来排列换能器， 使罐的内部被暴露在两个超声波的频率下。优选地，频率在15kHz至1.5MHz的范围内。例 如，一个优选的实施方案的第一组换能器具有58kHz的第一谐波频率，并且第二组换能器 具有192kHz的第三谐波频率。58kHz的换能器在58KHz处具有一个强的第一谐波振动，
4192kHz的换能器在192kHz处具有一个强的第三谐波振动。已经使用陶瓷组件使这两种类 型的换能器得到增强，正如在美国专利5， 748， 566、5， 998， 908和6， 924， 585以及美国申请 号10/936， 104(公开号为2005-0109368A1)中所公开的那样，在此将其引入作为参考。
或者，多频超声波换能器可以是位于罐内的推挽式换能器或可浸入的换能器，或 是部分地位于罐内而部分地位于罐外的棒式换能器。 该工艺罐的优选实施方案包括容纳反应物的管状室。这个工艺罐可以作为连续流
动设备来运行，反应物连续地进入流通罐的一端，而反应产物连续地从另一端流出。或者，
该工艺罐可以以间歇的方式运行，通过给其填入反应物，使反应物发生酯交换反应以形成
反应产物，同时同时地或按顺序地运行多频超声波换能器，然后将反应产物排出反应罐。 所述的加工设备包括至少一个反应罐，该反应罐具有一个或多个具有外表面的壁
并且具有一个入口和一个出口，其中所述罐限定了用于容纳待加工的反应流体的内部，并
至少具有两组与反应罐连接的超声波换能器，其中每一组换能器具有不同的谐波频率，并
且其中换能器组是散布的。 附图的简要说明
图1是一个根据本发明的反应罐的透视图，呈在外表面上安装了超声波换能器的 五边形管的形状。 图2是图1的反应罐的顶视图。 图3是没有安装换能器的图1的反应罐的剖视图。 图4是根据本发明的一个圆柱形反应罐的透视图，其内部具有双频推挽式换能 器。 图5是图4的反应罐的剖视图。 图6是图4的反应罐的内部结构透视图。 优选实施方案的详细说明 附图描绘了本发明的各种优选的实施方案，目的只是为了举例说明。本领域技术 人员将会很容易地从下面的讨论中认识到可以使用在此举例说明的结构和方法的备选实 施方案，而没有脱离在此所述的本发明的原理。 本发明在在先加工设备的基础上作了改进，改进了将超声波能量施加到反应器或 分离罐上的方式。在本发明的一个实施方案中，如图1-3中所示，工艺罐10是具有5个平面 侧壁12的管子。每个侧壁上都有一排安装在它上面的换能器14、16。换能器14的谐波频 率比换能器16的低。每行换能器具有与高频换能器16交替的低频换能器14。优选地，这 两种换能器的数目基本上相同，并且它们均匀地分布在罐10的壁12上。超声换能器更优选 地是由压电晶体或者压电陶瓷构成的压电换能器(PZT)，压电陶瓷例如为钛酸钡或者锆钛 酸铅。换能器优选地具有层叠的结构，包括在组件的顶部的尾块22、压电层24、非压电陶瓷 共振器25和在组件的底部的头块26，并与中心轴处的一个压縮螺栓28固定在一起。每个 换能器14、16的头块与壁12的表面连接。可以用环氧聚合物黏合剂例如Supreme 10A0HT 将换能器14和16连接在罐上。这种环氧聚合物粘合剂包含氧化铝(矾土)的陶制填充物。 它是一种具有高剪切强度和高抗剥离强度的热固化的环氧树脂。它同时是导热的，并且对 强烈的热循环有抵御能力。 罐10包括一个入口连接件18，反应物通过该连接件进入罐中。出口连接件20在
5罐的相反端，通过该出口连接件将反应产物从罐中取出。优选地，罐10的侧壁和端板是用 14标准规格的不锈钢薄板金属制作的。其他的金属和非金属材料也可以被用来制作罐。
每组换能器14、 16都与超声波发生器(未显示)连接。低频换能器14与在换能 器14的基频处提供交流电驱动信号的发生器连接。类似地，高频换能器16与在换能器16 的基频处提供交流电驱动信号的发生器(未显示)连接。优选地，频率在15kHz到1. 5MHz 的范围内。例如，可以使用58kHz的较低频率(第一谐波频率)和192kHz的较高频率(第 三谐波频率)。 当超声波发生器将交流电驱动信号提供给换能器组14、 16时，换能器震动并将声 波传送到罐10的壁12上。声波穿过壁传输并且进入罐内的反应物中，并且加速了罐中的 酯交换反应和分离过程。 罐10不必象举例说明的那样需要具有5个侧壁，可以具有提供密闭容器的任何形 状。例如，罐可以有3、4或者6个矩形的侧壁，加端板。同样，罐可以是圆柱形的，在这种情 况下换能器的接触表面将会是辐射式的以与罐的外半径匹配。或者，罐通常可以是具有平 的轴向条的圆柱形的，该平的轴向条给换能器提供了平的安装面。其他形状的变化也可以 被使用，只要它们允许安装散布的换能器组，并且提供用于容纳反应物和反应产物的封闭 容器。 上述工艺罐的另一种替换方案是具有超过两组的换能器。例如，与反应罐相关联 的换能器可以包含一个低频组、一个中频组和一个高频组，每一组的换能器均匀地分布在 罐上。 进一步的替换方案是通过位于罐内并浸入反应物中的双频推挽式换能器给罐内 的反应物提供多频声能。这一方案被举例说明在图4-6中。圆柱形的罐40分别具有进口 和出口连接件42和44。在罐40的内部有两个较低频率的推挽式换能器46和两个较高频 率的推挽式换能器48。换能器的末端含有一个当受到交流电驱动信号驱动时以超声频率振 动的压电器件。在该实施方案的一个实施中，较低频率的推挽式换能器46是25kHz的，较 高频率的推挽式换能器48是45kHz的，这两者都是第一谐波频率。 其他替换方案是使用具有两个或更多频率的可浸入的换能器或探针式换能器。
权利要求
一种加工设备，包括一个工艺罐，其具有一个或多个具有外表面的壁并且具有一个进口和一个出口，其中所述工艺罐限定了用于容纳待加工的反应流体的内部；和与所述工艺罐连接的至少两组超声换能器，其中每一组换能器具有不同的谐波频率，并且其中换能器组是散布的。
2. 如权利要求l中所述的加工设备，进一步包含容纳在工艺罐中用于进行酯交换反应以产生脂肪酸烷基酯的反应流体。
3. 如权利要求l中所述的加工设备，还包含一个或多个超声波发生器，用来给超声波换能器提供驱动信号，以使换能器给工艺罐中的反应流体提供超声波能量。
4. 如权利要求l中所述的加工设备，其中所述工艺罐具有五棱柱的形状，具有五个矩形侧壁和两个端壁。
5. 如权利要求1中所述的加工设备，其中所述工艺罐具有圆柱的形状，具有圆柱形侧壁和两个端壁。
6. 如权利要求l中所述的加工设备，其中所述换能器通过连接工艺罐的外表面而与工艺罐连接，并且其中超声波能量由换能器辐射出来并且穿过所述的壁到达工艺罐中的反应流体中。
7. 如权利要求6中所述的加工设备，其中换能器组被均匀地散布在工艺罐的至少一些壁上。
8. 如权利要求6中所述的加工设备，其中工艺罐具有矩形的侧壁，并且其中换能器组以平行于矩形侧壁边缘的多行形式排列。
9. 如权利要求6中所述的加工设备，其中换能器在头块和尾块之间具有一个含有压电层的堆积构造，并且其中头块与工艺罐连接。
10. 如权利要求9中所述的加工设备，其中采用环氧黏合剂将头块与工艺罐连接。
11. 如权利要求1中所述的加工设备，其中通过置于工艺罐的内部使换能器与工艺罐连接。
12. 如权利要求11中所述的加工设备，其中所述换能器是推挽式换能器。
13. 如权利要求l中所述的加工设备，其中第一组换能器在所述第一组的第一谐波频率下工作，第二组换能器在所述第二组的第三谐波频率下工作。
14. 如权利要求13中所述的加工设备，其中所述第一组换能器的第一谐波频率为大约58kHz，并且其中所述第二组换能器的第三谐波频率为大约192kHz。
15. 用于使植物油或者脂肪酸发生酯交换反应而生成脂肪酸烷基酯的方法，该方法包括以下步骤将包括植物油和脂肪酸的反应流体放入罐中；在两个分开的频率下给罐中的反应流体施加15kHz到1. 5MHz范围内的超声波能量。
16. 如权利要求15中所述的方法，其中施加超声波能量的步骤包括给至少两组换能器提供动力，每一组换能器具有不同的谐波频率。
17. 如权利要求16中所述的方法，其中第一组换能器在所述第一组的第一谐波频率下工作，并且第二组换能器在所述第二组的第三谐波频率下工作。
18. 如权利要求17中所述的方法，其中所述第一组换能器的第一谐波频率为大约58kHz，并且其中第二组换能器的第三谐波频率为大约192kHz。
19. 如权利要求15中所述的方法，进一步包括将反应流体连续地提供给所述罐并且连续地从所述罐中取出反应了的流体的步骤。
20. 如权利要求15中所述的方法，其中在两个分开的频率下施加超声波能量的步骤包括同时施加这两个频率。
全文摘要
本发明是一种超声波设备和在生物燃料的生产过程中利用多频超声波能量的方法。该超声波设备包括一个工艺罐，工艺罐内容纳了反应流体和至少两组与工艺罐连接的超声波换能器，其中每一组换能器产生不同的频率。用于使植物油或脂肪酸发生酯交换反应而生成脂肪酸烷基酯的方法包括以下步骤将包括植物油或脂肪酸的反应流体放入工艺罐中，并且在两个分开的频率下给工艺罐中的反应流体施加15kHz到1.5MHz范围内的超声波能量。
文档编号C11C1/00GK101743297SQ200880019597
公开日2010年6月16日 申请日期2008年6月11日 优先权日2007年6月13日
发明者J·迈克尔·古德森 申请人:J·迈克尔·古德森