超声波在石油化工中的应用及研究进展

　　超声波是指振动频率较高的物体在介质中所产生的频率高于20kHz的弹性波,具有波长较短、能量集中的特点,在各行业有着广泛的用途,如用于切削、钻孔、清洗、医疗诊断、测量、非破坏性材料检验等方面。在石油化工行业中,超声波的应用亦越来越受到重视。近年来,有关超声波在石油化工中的应用与日俱增,超声波在催化剂制造与活化、传质与传热、传递过程(包括吸附过程、结晶过程、乳化与破乳、膜过程、电化学过程以及非均相化学反应过程)、萃取分离等方面有广阔的应用前景。本文简单介绍了超声波在石油化工行业中的应用现状及进展,并探讨了其发展趋势。

　　1 超声波作用原理

　　超声波由一系列疏密相间的纵波构成,并通过液体介质向四周传播。当一定强度的超声波在媒质中传播时,会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。这些效应可归结为下列3种基本作用。

　　(1)机械作用。超声波是机械能量的传播形式,与波动过程有关,会产生线性交变的振动作用。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20kHz、1W/cm2的超声波在水中传播,则其产生的超声波压力在-173~173kPa内振动,这意味着超声波压力每秒钟内要在-173~173kPa之间变化2万次,最大质点加速度达14.4km/s²,大约为重力加速度的1500倍。因此当超声波作用于液体时会产生激烈而快速变化的机械运动。

　　(2)空化作用。超声波在液体媒质中传播时,液体中某些区域形成局部的暂时负压,于是在液体中产生空穴或气泡。在超声波强度足够高、超声波压力为负半周时,液体受到很大的拉力,气泡核迅速膨胀,可达到原来尺寸的数倍,继而在超声波压力为正半周时,气泡受压缩突然崩溃而裂解成许多小气泡,构成新的空化核。在气泡迅速收缩时,泡内的气体或蒸汽被压缩而产生约5000°C的高温和约50MPa的局部高压。并伴生强烈冲击波和时速达400km的射流,同时在水溶液中产生自由基OH。这就为化学及石油化工过程提供了一种非常特殊的物理和化学环境。在液体中进行的超声波处理技术几乎都与空化作用有关。因此,空化效应是超声波工作的基本原理。

　　(3)热作用。超声波在媒质中传播,其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。吸收的能量可升高媒质中的整体温度、边界外的局部温度和空化形成激波时波前处的局部温度等。

　　2 超声波的应用

　　2.1 阻垢方面

　　目前各种形式的阻垢处理技术发展迅速,主要有磁处理、高频电场处理、静电处理、高能电子辐射处理、超声波处理等。各种物理方法中,超声波所能提供的能量较大。超声波可以防止结垢,这是由于: