超聲波在石油化工的使用論文

摘要:簡(jiǎn)要概述了超聲波的發(fā)展歷程，并對(duì)超聲波在石油化工，尤其是在污水處理、除垢、乳化、有機(jī)合成、電化學(xué)、改善原油性質(zhì)、強(qiáng)化原油脫鹽脫硫以及分離技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。討論了超聲波技術(shù)在石油化工中的研究進(jìn)展，由于其清潔、高效、無污染的特點(diǎn)，將廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞:超聲波;石油化工;脫金屬;乳化

　　超聲波是指頻率高于20000Hz的彈性波，其有波長(zhǎng)短、能量集中等特點(diǎn)。超聲波的熱作用、機(jī)械作用和空化作用，能引起一連串的化學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面的改變。美國學(xué)者Ｒichard和Loomis于1920年首次發(fā)現(xiàn)超聲波可以促進(jìn)汞的分散、氯化銀的絮凝等［1］;1927年，由Loomis第一次提出超聲波化學(xué)的概念。1986年，哈威爾研究所首次于化工領(lǐng)域使用超聲波，成立超生化學(xué)協(xié)會(huì)。1994年，關(guān)于超聲波的學(xué)術(shù)刊物《UltrasonicsSonochemistry》公開發(fā)行。2014年6月1日至8日，第十四次歐洲聲化學(xué)會(huì)議(ESS14)在法國阿維尼翁大學(xué)舉行，探討了化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、氣泡動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)聲化學(xué)方面的問題和食品聲化學(xué)、化學(xué)催化劑等應(yīng)用聲化學(xué)方面的研究。在超聲波的早期應(yīng)用中，其更多應(yīng)用于有機(jī)合成、聚合物化學(xué)、電化學(xué)等方面。作為一種新興的手段，其成本低廉、應(yīng)用范圍大、操作過程方便，被廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。

1超聲波技術(shù)應(yīng)用

　　1．1超聲波處理污水

　　迄今，水污染問題日益嚴(yán)峻，其根本原因在于隨意排放污染物多、組成復(fù)雜的工業(yè)廢水和有機(jī)物含量高的生活污水。常見的廢水處理技術(shù)，如活性炭法、有機(jī)溶劑脫脂法、浮選法、膜法等都存在某些問題，并不能很好的達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)過超聲波作用后的膜生物反應(yīng)器能夠顯著提高水的凈化效率，劉紅等［2］經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)10W的超聲波作用效果最為明顯，凈化效率提升的幅度最大。對(duì)于低溫和常溫下超聲波對(duì)污水中生物的處理效果，進(jìn)一步的探索表明:在低溫時(shí)，超聲波作用后，污泥活性可以增加30%，較常溫下超聲波的作用效果更明顯［3］。Tian等［4］通過堿和超聲波(ALK+ULS)的協(xié)同作用處理污水，能夠使生物降解能力提高37．8%，可溶性腐殖酸類微生物排放量顯著增加。楊鐵金等［5］將超聲波與H2O2處理污水法相結(jié)合，可以大大降低氨氮含量，并將黑色的污水變?yōu)闇\黃色。Ping［6］課題組的研究結(jié)果表明，與金剛烷胺制藥廢水的處理方法相比，F(xiàn)enton/超聲波聯(lián)合作用能夠更有效的處理廢水中的有機(jī)物，尤其是含苯環(huán)的有機(jī)物。Abramov等［7］使用超聲波處理油污，得到水的凈化劑。利用超聲波的空化作用，姜秉辰等［8］對(duì)被工業(yè)污染的水進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:頻率相同時(shí)，超聲波功率越大，污水黏度降低得越多，復(fù)雜油分子的裂解先增多后減少，隨著超聲波作用時(shí)間的增加，污水的裂解效果和黏度不斷下降。王秀蘅等［9］將超聲波與膜生物反應(yīng)器結(jié)合，能夠有效降低水質(zhì)的化學(xué)需氧量(COD)。Kotowska等［10］結(jié)合了超聲波輔助乳化-萃取方法和氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)，檢測(cè)并處理城市污水中的氯，在處理含量0．06～551．96μg/L的酸性化合物和0．03～102．54μg/L的酚類化合物的污水時(shí)，去除率分別達(dá)到了85%和99%。

　　1．2超聲波合成有機(jī)物

　　超聲波可以使合成反應(yīng)的'條件更溫和、效率更高、時(shí)間更短。張素風(fēng)等［11］通過超聲波水解膠原蛋白合成施膠劑，超聲波處理后的膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)不變，分子變小且分布均勻。安琳［12］通過超聲波輻射，由叔丁基杯［n］芳烴制備磺化杯［n］芳烴。熊利芝等［13］通過超聲輻射，合成糠酸正丁酯，與傳統(tǒng)方法相比較，超聲波合成有機(jī)物具有用時(shí)短，收率高、能耗低等特點(diǎn)。Shabalala等［14］通過超聲波輻射合成吡唑，避免了傳統(tǒng)色譜法中純化的步驟，其選擇性高、無副產(chǎn)物。

　　1．3超聲波電化學(xué)

　　超聲波可以提高電流效率，改善電路微觀分布，還能影響電沉積過程中的金屬鍍層。盛敏奇等［15］通過超聲波作用可以提高Co-Ni合金層平整度，與傳統(tǒng)方法相比，其沒有裂紋、硬度變大、腐蝕性高。有研究表明通過超聲波輔助化學(xué)電鍍，在室溫下進(jìn)一步活化合成亞微米級(jí)的Co-Al2O3，隨著粉末負(fù)載的增加，Co-Al2O3相對(duì)含量降低。Lili等［16］在泡沫炭上用真空法和超聲波協(xié)同無電鍍銅，泡沫炭?jī)?nèi)壁及表面涂層均勻，其機(jī)械性能明顯改善。超聲波與電化學(xué)的協(xié)同作用還可以合成納米材料。通過超聲波作用合成的納米Ni(OH)2有α和β相混合結(jié)構(gòu)［17］。張仲舉等［18］將超聲波與共沉淀法協(xié)同作用制備α-Ni(OH)2，實(shí)驗(yàn)表明，該方法制備的樣品化學(xué)性能更好，放電比容量更大。

　　1．4超聲波除垢、清洗技術(shù)

　　超聲波除垢技術(shù)具有安全、可靠、高效等特點(diǎn)，近年來已廣泛應(yīng)用于各種換熱器中［19］。例如，大港石化公司在油漿換熱器中應(yīng)用超聲波在線除垢技術(shù)，該技術(shù)可以使油漿換熱器的傳熱系數(shù)大幅度增加，運(yùn)行周期有所延長(zhǎng)，汽包發(fā)汽量增加0．404t/h，油漿系統(tǒng)的運(yùn)行狀況得到了較大改進(jìn)［20］。超聲波由于空化作用產(chǎn)生的微射流能夠不斷沖擊物體表面，使得污垢難以在表面附著，Chang等［21］將超聲波應(yīng)用于一種數(shù)碼設(shè)備清洗過程中，并設(shè)計(jì)和制作了一個(gè)多功能的超聲波清洗系統(tǒng)，極大的提高了清洗效率。對(duì)于超聲波參數(shù)與除垢效果的相關(guān)性，黃磊落等［22］經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，隨著超聲波功率和流體流速的增加，除垢效果越來越好，當(dāng)流體溫度為60℃時(shí)，除垢效果最佳。

　　1．5超聲波的乳化作用

　　超聲波的乳化是指在超聲波作用下，使兩種或兩種以上的不相溶液體以及其微小的液滴均勻的分布在另一種液體中形成的乳狀溶液的過程。李博等［23］通過超聲波-機(jī)械攪拌聯(lián)合乳化重質(zhì)油工藝，研究影響乳化重油中分散相(水)的分散度的因素。結(jié)果表明:聯(lián)合法乳化重油比超聲波法乳化的重油分散度高。使用超聲波乳化技術(shù)可以洗煤，Sahino-glu等［24］實(shí)驗(yàn)表明，超聲波作用后，灰分和黃鐵礦含量顯著降低。Lemos等［25］利用一種基于超聲波輔助乳化微萃取的火焰原子吸收光譜法進(jìn)行鎳的測(cè)定，該方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、快速、高效，被用于測(cè)定參考材料和水中的鎳。近十年，超聲波乳化應(yīng)用于越來越多的方面，其在食品、涂料、高分子聚合以及液-液不相溶液體反應(yīng)等方面都具有重要影響。例如，Tonanon等［26］利用超聲波的乳化作用得到一種亞微米級(jí)的介孔碳球，其表面紋理和介孔性能較機(jī)械乳化法制得的碳球有明顯改變，且其尺寸更小、數(shù)量更多。Gashti等［27］使用超聲波輻射軟水劑，發(fā)現(xiàn)其乳化作用可以提高軟水劑的分散性。目前，大部分研究都屬于工業(yè)應(yīng)用研究，對(duì)于其乳化機(jī)理的理論研究較少，這將是未來的研究熱點(diǎn)問題。