1超声波在重油热反应中作用机理

　　超声波在液体媒质中传播时，不仅具有空化作用，而且还有机械搅拌作用和热效应。它们对油品的热反应提供了特殊物理化学环境，起着特殊的作用。

1．1 空化作用

　　一定频率的超声波通过液体时，使液体中的微小泡核被激活，表现出气泡核的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。气泡核崩溃时，在局部、瞬时产生高温达10 000℃和可达几千甚至几万个大气压压力，并伴随着强烈的冲击波和时速达400 km左右的射流。这就是空化现象。在液体中进行的超声处理技术几乎都与空化作用有关。超声空化产生的强大冲击力及高速微射流能使重油中长链石蜡烃分子、沥青质分子断裂，分子量减小，原油粘度降低，蜡的熔点降低_5 J。从而促进使油品的热反应进程。

1．2 机械搅拌作用

　　超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，会产生线!变的振动作用。超声波在液体中传播时，其间质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。若20 kHz、1 W／cm2的超声波在水中传播，则其产生的声压幅值为173 kPa 这意味着声压幅值每秒种内要在173～173 kPa之间变化2万次，质点加速度可达1．44×10 m／s ，大约为重力加速度的1 500倍[ 。这样激烈而快速变化的机械作用可加速油品中较小分子与惰性大的大分子链之间的相对运动，从而加大了它们之间的摩擦力。这种摩擦力可以打断C—C键，破碎大分子团，促进油品的热反应进程。超声波所产生的强烈的机械搅拌作用替代了传统的机械搅拌器，避免了反应器底部的结焦。

2 实验部分

2．1 原料及仪器

　　原料油采用内蒙古油砂油和渤海油田坨子里首站原油减压渣油(>450 oC)，分别定义为油样1和油样2。其中油样1经过室内脱水处理。原料性质见表1。

　　实验仪器主要有JP600G型超声波乳化罐(武汉嘉鹏电子有限公司生产)，功率可达1000 W。本实验采用Max．intensity为60％，Intensi．tv为10，Pulse为2．0 S和2．0 S。 

2．2 实验过程

　　将80 mL油样倒人容积为100 mL的烧杯中，利用恒温加热套进行加热，恒温在180℃。当油样温度达到试验温度稳定后，超声波发生器通过变幅杆作用于油样。声波作用结束后，待油样体系稳定后测定粘度、残炭值和沥青质含量。

3 结果与讨论

3．1 超声波作用对重油粘度的影响

　　超声波分别对油样1、油样2作用，作用结束后，待油样体系稳定后测定粘度，并计算降粘率。实验结果如图1。

　　由图1可以看出，随着时间的增长，油品的降粘率逐渐升高。反应时间小于1 h时，降粘效果较为显著；随着时间的增长，降粘率的变化并不显著，这是因为随着反应时间的增长，体系内部生成小分子组分增多，油品表面的汽化现象越来越严重，油品粘度降低的幅度会有所减小。反应时间为2 h时，油样2中饱和烃含量由23．76％增加为24．58％ ，沥青质含量降为1．44％。这与文献中重油的粘度随胶质和沥青质的质量分数的增加而呈指数函数关系升高，随饱和烃和芳烃质量分数的升高呈指数关系下降(相关系数大于0．98)的报道是相一致的。这说明超声空化产生的强大冲击力及高速微射流使其部分大分子发生了裂化反应。由图1还可以看出，超声波作用对油样1的影响更为显著。

超声波作用对重油残炭值的影响

　　油样1、油样2在相同操作条件反应，声波作用结束后，测定残炭值，实验结果如图2。可以看出，随着反应时间的增长，两种油样的残炭值逐渐升高。这表明超声波作用后油品内部发生了的缩合反应。缩合反应的发生与前面的随着反应时间的增长降粘率变化缓慢是相一致的。反应时间小于1 h时，油样1的残炭值变化非常明显，随着时间的增长残炭值升高较为缓慢；油样2的残炭值升高一直较为缓慢。这是因为油样1中<450 oC轻组分含量为10．95％ ，油样2中饱和分的含量较油样l中低，饱和分是不利于重油体系稳定的因素，饱和分的存在或增多总是降低重油体系的稳定性 。当超声波对油样1作用1 h后，粘度和残炭值变化均比较缓慢。 

3．2 超声波作用对重油沥青质的影响

　　超声波对油样2作用，超声波作用结束后，测定沥青质含量，实验结果可以看出，恒温条件下，随着声波作用时间的增长，油样2中的沥青质含量在逐渐降低。这与文献中的报道是相一致的L9J。当超声波作用时间小于1 h时，油样中的沥青质含量迅速降低，说明油样中的部分大分子发生了裂化反应。当超声波作用时间超过1 h后，油样的沥青质含量下降较为缓慢。油品的牯度随胶质和沥青质的质量分数的增加而呈指数函数关系升高，是影响重油粘度的主要因素。这与前面粘度降低是相一致的。

4 结论

(1)在低温条件下超声波作用可促进重油的热反应进：程。

(2)随着超声波作用时间的增长，降粘率逐渐升高，当反应时间为2 h时，降粘率可达24％左右；沥青质含量由2．66％降为1．44％；残炭值也逐渐升高。

(3)超声波作用对不同的油样的热反应影响程度不同。

　　产品型号：JP600G型超声波提取/乳化机组

　　机型结构：超声波发生器与提取罐分体式

　　超声频率：28KHz

　　超声峰值功率：1000W （由原600W升级至1000W，价格不变）

　　提取罐内尺寸：直径320 ×高250mm

　　提取罐容积：小于等于20L

　　搅拌电机功率：15W

　　搅拌电机转速：10-30转/min（可调）

　　电加热功率：2KW

　　供电电源：220VAC 50HZ 

　　具有数显时钟可调功能

　　具有数显功率可调功能

　　具有数显扫频可调功能

　　具有数显温度可调功能

　　武汉嘉鹏电子有限公司专业致力于超声波提取/萃取、超声波乳化、超声波清洗、超声波污水处理、超声波酒类醇化产品的研发、生产及销售。公司拥有多项技术。其中“数字式大功率多用途超声波电源系统”获武汉市重大科技成果奖。数字扫频实现了用户迫切需要的变频要求的同时还弥补了早期双频或多频技术带来的超声转换效率很低的弊端。此项技术经由全国各大院校的用户使用后反应很好。应用于植物提取、乳化、污水处理等领域，院校包括：清华大学、北京大学、浙江大学、华中科技大学、武汉大学、华中师大、中国地质大学、武汉科技大学、上海交大、浙江工业大学、兰州大学、河南农业大学、武汉化工学院、吉林大学、四川大学、华南理工大学、华东理工大学、江汉大学、长江大学、中科院武汉植物所、昆明植物所、中科院过程所、中科院武汉物理所、武汉市药检所等。公司产品行销全国除港、澳、台外的所有省份及直辖市。售后方面：公司产品使用自主技术故性能稳定、质量很佳。公司承诺5年内免费质保。用户采用超声波需注意的事项：超声波提取方面：一、被提取物需粉碎到20目或更细。粉碎越细得率越高。二、选用合适的提取溶剂。三、根据产品的特性和产量合理的安排提取工艺。

　　超声波乳化方面：一、乳化液的配方包括乳化剂的用量。二、乳化时间的选定，并不是时间长就越好，乳化过程是分散和聚合不停的循环的过程。按现有试验结果显示10－15分钟的乳化粒径可达100纳米。

　　重要的是数字扫频的选择，此项共有16档选择，数值越低则气泡越粗、力量越大；数值越高则气泡越细、力量越小。不同的提取或乳化物质改变数字扫频会带来不同的效果及效率。

　　超声波提取天然产物包括超声波提取多肽、氨基酸、核酸、各种酶类、单糖、寡糖、多糖、糖蛋白、树脂、胶体物、木质素、维生素、脂肪、油脂、蜡、生物碱、挥发油、黄酮、糖苷类、苯丙素类、有机酸、酚类、醌类、甾体化合物、抗生素类等。