超声波在石油化工的使用论文
摘要:简要概述了超声波的发展历程，并对超声波在石油化工，尤其是在污水处理、除垢、乳化、有机合成、电化学、改善原油性质、强化原油脱盐脱硫以及分离技术中的应用进行了详细的介绍。讨论了超声波技术在石油化工中的研究进展，由于其清洁、高效、无污染的特点，将广泛应用于石油化工领域。
关键词:超声波;石油化工;脱金属;乳化
超声波是指频率高于20000Hz的弹性波，其有波长短、能量集中等特点。超声波的热作用、机械作用和空化作用，能引起一连串的化学、热学和力学等方面的改变。美国学者Ｒichard和Loomis于1920年首次发现超声波可以促进汞的分散、氯化银的絮凝等［1］;1927年，由Loomis第一次提出超声波化学的概念。1986年，哈威尔研究所首次于化工领域使用超声波，成立超生化学协会。1994年，关于超声波的学术刊物《UltrasonicsSonochemistry》公开发行。2014年6月1日至8日，第十四次欧洲声化学会议(ESS14)在法国阿维尼翁大学举行，探讨了化学反应机理、气泡动力学等基础声化学方面的问题和食品声化学、化学催化剂等应用声化学方面的研究。在超声波的早期应用中，其更多应用于有机合成、聚合物化学、电化学等方面。作为一种新兴的手段，其成本低廉、应用范围大、操作过程方便，被广泛应用于石油化工领域。
1超声波技术应用
1．1超声波处理污水
迄今，水污染问题日益严峻，其根本原因在于随意排放污染物多、组成复杂的工业废水和有机物含量高的生活污水。常见的废水处理技术，如活性炭法、有机溶剂脱脂法、浮选法、膜法等都存在某些问题，并不能很好的达到预期目标。经过超声波作用后的膜生物反应器能够显著提高水的净化效率，刘红等［2］经实验证实10W的超声波作用效果最为明显，净化效率提升的幅度最大。对于低温和常温下超声波对污水中生物的处理效果，进一步的探索表明:在低温时，超声波作用后，污泥活性可以增加30%，较常温下超声波的作用效果更明显［3］。Tian等［4］通过碱和超声波(ALK+ULS)的协同作用处理污水，能够使生物降解能力提高37．8%，可溶性腐殖酸类微生物排放量显著增加。杨铁金等［5］将超声波与H2O2处理污水法相结合，可以大大降低氨氮含量，并将黑色的污水变为浅黄色。Ping［6］课题组的研究结果表明，与金刚烷胺制药废水的处理方法相比，Fenton/超声波联合作用能够更有效的处理废水中的有机物，尤其是含苯环的有机物。Abramov等［7］使用超声波处理油污，得到水的净化剂。利用超声波的空化作用，姜秉辰等［8］对被工业污染的水进行了一系列实验，结果表明:频率相同时，超声波功率越大，污水黏度降低得越多，复杂油分子的裂解先增多后减少，随着超声波作用时间的增加，污水的裂解效果和黏度不断下降。王秀蘅等［9］将超声波与膜生物反应器结合，能够有效降低水质的化学需氧量(COD)。Kotowska等［10］结合了超声波辅助乳化-萃取方法和气相色谱质谱(GC-MS)，检测并处理城市污水中的氯，在处理含量0．06～551．96μg/L的酸性化合物和0．03～102．54μg/L的酚类化合物的污水时，去除率分别达到了85%和99%。
1．2超声波合成有机物
超声波可以使合成反应的'条件更温和、效率更高、时间更短。张素风等［11］通过超声波水解胶原蛋白合成施胶剂，超声波处理后的胶原蛋白分子结构不变，分子变小且分布均匀。安琳［12］通过超声波辐射，由叔丁基杯［n］芳烃制备磺化杯［n］芳烃。熊利芝等［13］通过超声辐射，合成糠酸正丁酯，与传统方法相比较，超声波合成有机物具有用时短，收率高、能耗低等特点。Shabalala等［14］通过超声波辐射合成吡唑，避免了传统色谱法中纯化的步骤，其选择性高、无副产物。
1．3超声波电化学
超声波可以提高电流效率，改善电路微观分布，还能影响电沉积过程中的金属镀层。盛敏奇等［15］通过超声波作用可以提高Co-Ni合金层平整度，与传统方法相比，其没有裂纹、硬度变大、腐蚀性高。有研究表明通过超声波辅助化学电镀，在室温下进一步活化合成亚微米级的Co-Al2O3，随着粉末负载的增加，Co-Al2O3相对含量降低。Lili等［16］在泡沫炭上用真空法和超声波协同无电镀铜，泡沫炭内壁及表面涂层均匀，其机械性能明显改善。超声波与电化学的协同作用还可以合成纳米材料。通过超声波作用合成的纳米Ni(OH)2有α和β相混合结构［17］。张仲举等［18］将超声波与共沉淀法协同作用制备α-Ni(OH)2，实验表明，该方法制备的样品化学性能更好，放电比容量更大。
1．4超声波除垢、清洗技术
超声波除垢技术具有安全、可靠、高效等特点，近年来已广泛应用于各种换热器中［19］。例如，大港石化公司在油浆换热器中应用超声波在线除垢技术，该技术可以使油浆换热器的传热系数大幅度增加，运行周期有所延长，汽包发汽量增加0．404t/h，油浆系统的运行状况得到了较大改进［20］。超声波由于空化作用产生的微射流能够不断冲击物体表面，使得污垢难以在表面附着，Chang等［21］将超声波应用于一种数码设备清洗过程中，并设计和制作了一个多功能的超声波清洗系统，极大的提高了清洗效率。对于超声波参数与除垢效果的相关性，黄磊落等［22］经实验证明，随着超声波功率和流体流速的增加，除垢效果越来越好，当流体温度为60℃时，除垢效果最佳。
1．5超声波的乳化作用
超声波的乳化是指在超声波作用下，使两种或两种以上的不相溶液体以及其微小的液滴均匀的分布在另一种液体中形成的乳状溶液的过程。李博等［23］通过超声波-机械搅拌联合乳化重质油工艺，研究影响乳化重油中分散相(水)的分散度的因素。结果表明:联合法乳化重油比超声波法乳化的重油分散度高。使用超声波乳化技术可以洗煤，Sahino-glu等［24］实验表明，超声波作用后，灰分和黄铁矿含量显著降低。Lemos等［25］利用一种基于超声波辅助乳化微萃取的火焰原子吸收光谱法进行镍的测定，该方法简单、经济、快速、高效，被用于测定参考材料和水中的镍。近十年，超声波乳化应用于越来越多的方面，其在食品、涂料、高分子聚合以及液-液不相溶液体反应等方面都具有重要影响。例如，Tonanon等［26］利用超声波的乳化作用得到一种亚微米级的介孔碳球，其表面纹理和介孔性能较机械乳化法制得的碳球有明显改变，且其尺寸更小、数量更多。Gashti等［27］使用超声波辐射软水剂，发现其乳化作用可以提高软水剂的分散性。目前，大部分研究都属于工业应用研究，对于其乳化机理的理论研究较少，这将是未来的研究热点问题。