用低频高能超声波对液体超声的方法与装置

具体实施方式

图1示出液体压力pmax(A)过程，经过它能够完全抑止空化的产生，因为在p＞pmax(A)时，液体被压在传播振动的超声波探头表面上，这样便不能出现局部真空气泡。与此相反，对每个液体压力p均有一个最小振动幅值Amin(p)，在低于它时不可能产生空化。最大液体压力pmax(A)和最小振动幅值Amin(p)可对不同液体通过经验来确定。可以比如将传播振动的超声波探头表面上的空化销蚀或高频超声波反射用作为测量值。后者用于在空化气泡发生爆破时产生兆赫级的振动。

通过根据本发明的对在传播振动的超声波探头表面不同距离D处的振动幅值A的改变，或通过对在传播振动的超声波探头表面不同距离D处的液体压力p的改变，或通过结合上述两种改变，可以极大地减小或完全抑止在上述的近区域中产生空化，而在该近区域之外的声场中则能够产生处理液体的空化。为此，在近区域中选择液体压力p接近pmax(A)，亦即p＞0.7＊pmax(A)，或高于pmax(A)，或者选择振动幅值A接近Amin(p)，亦即A＜1.3＊Amin(p)，或低于Amin(p)。在近区域之外的声场中，液体压力低于pmax(A)，或将幅值升高至高于Amin(p)。

近区域包括传播振动的超声波探头表面之前的0～50mm的距离D，优选地为0～10mm，比如在0～2mm区域中。

对在传播振动的超声波探头表面不同距离D处的振动幅值A的改变和对在传播振动的超声波探头表面不同距离D处的液体压力p的改变，以及通过结合上述两种改变，可以通过比如图2～图7中的装置来实现。

这些装置利用下述原理：

·在传播振动的超声波探头表面的近区域中增加压力，示出于图2和3中。

·在传播振动的超声波探头表面近区域以外的反应器中减小截面积，示出于图4和5中。

·在传播振动的超声波探头表面近区域以外通过介质来增加幅值，示出于图6和7中。

也可以将上述几种原理组合起来使用。

图2～图7中的所有变型总起来是低频高能超声波系统2的一种超声波探头1，它的传播振动的超声波探头表面3伸出到反应器容器5中。介质的注入通过一个合适的孔4来进行。在反应器容器5中，通过超声波探头1的工作来形成一个声场6。

在低频高能超声波系统2的视图旁是压力p随传播振动的超声波探头表面3的距离D的变化过程。

图2示出一种装置，用它通过孔4注入介质，孔在这里是环形喷嘴，从而将传播振动的超声波探头表面3的近区域中的压力p升高至值p1，由此在那些地方可以极大地降低或完全抑止掉空化。在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外，压力p下降至值p2，由此在声场6中产生空化。

该装置用工作频率15～100kHz，优选地为15～30kHz，比如20kHz的低频高能超声波工作。

为此，超声波的声功率为50～20,000W，优选地为100～20,000W，比如8,000W。在传播振动的超声波探头表面3上使用的振动幅值为0～200μm，优选地为10～100μm，比如10μm，来将超声波传播给液体。振动的超声波探头1相对于反应器容器5用一个压力密封圈，比如O型环，和一个振动解耦的法兰来密封住。一个反应器容器5具有0～50L的容量，优选地为1～10L，比如5L。反应器容器5可以用不同材料制成，优选地为钢、铝和精炼金属，比如不锈钢。

介质可以是从高黏性液体到低黏性液体，优选地为低黏性液体，比如水或油，所述介质通过一个合适的孔4，优选地为喷嘴，比如在反应器壁上部区域的一个高压喷嘴、导管或专门通道，被导入反应器容器5中，且被导向到传播振动的超声波探头表面3。通过让介质以一个5°～90°的角度，优选地为20°～80°，比如45°，以及以一个接近或高于pmax(A)的压力p撞击在传播振动的超声波探头表面3上，则能够极大地减少或完全抑止掉在传播振动的超声波探头表面3的近区域中的空化产生。压力p能够比如在10μm的振幅时为20bar。所选超声波探头1优选地以对应于λ/4的长度伸出到反应器容器5内，比如60mm。

通过在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外的反应器容器5中降低压力，则可使得不达到值pmax(A)，就能够在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外的反应器容器5中产生空化。比如，可让传播振动的超声波探头表面3的近区域之外的压力降至1.5bar，这样在10μm的振幅时，在水中便能够产生空化。被超声的介质被排出到反应器容器5的下部，优选地排出到侧壁上或底部，比如在底部中央上。以压力p2排出介质可以是控制的，也可以是非控制的，比如是控制的，以便能以压力p来将入流接收到小室中。在近区域之内或之外的介质值可以经不同的传感器，比如压力传感器来接收、求值和用于过程优化。

这种应用可以用在反应器容器5中的任意数量的超声波探头1，比如用单个超声波探头1，优选地为1～5个超声波探头1来实现。

泵压力可以根据所需压力pmax(A)并通过对泵的选择，比如用一个可控的齿轮泵来形成。

图3示出一种装置，用它通过合适地导入介质，在这里是作为中央喷嘴7来形成的，可将压力p在传播振动的超声波探头表面3的近区域中提高到值p3，从而在该区域中极大地减少或完全避免空化。让传播振动的超声波探头表面3的近区域之外的压力p降至值p4，由此在声场6中产生空化。

该装置用工作频率15～100kHz，优选地为15～30kHz，比如20kHz的低频高能超声波工作。

为此，超声波的声功率为50～20,000W，优选地为100～20,000W，比如8,000W。在传播振动的超声波探头表面3上使用的振动幅值为0～200μm，优选地为10～100μm，比如20μm，来将超声波传播给液体。振动的超声波探头1相对于反应器容器5用一个压力密封圈，比如O型环，和一个振动解耦的法兰来密封住。一个反应器容器5具有0～50L的容量，优选地为1～10L，比如5L。反应器容器5可以用不同材料制成，优选地为钢、铝、精炼金属或陶瓷。

介质可以是从高黏性液体到低黏性液体，优选地为低黏性液体，比如油，通过一个喷嘴，比如一个高压喷嘴、导管或专门通道，通过反应器底部，被导入到传播振动的超声波探头表面3的近区域。通过让介质以一个自由选择的角度，比如90°，以及以一个接近或高于pmax(A)的压力p撞击在传播振动的超声波探头表面3上，则能够在传播振动的超声波探头表面3的近区域中极大地减少或完全抑止掉空化产生。

探头1优选地以一个对应于λ/4的长度伸出到反应器容器5内，比如60mm。

通过在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外的反应器容器5中降低压力，则可使得不达到值pmax(A)，就能够在声场6中的反应器容器5中产生空化。反应器容器5中的压力p比如在近区域之外的反应器容器中可以是5bar。

被超声的介质被排出到反应器容器5的下部，优选地排出到侧壁上或底部，比如分散在底部上。介质以压力p4排出可以是控制的，也可以是非控制的，比如是控制的，以便能以压力p来将入流接收到小室中。在近区域之内或之外的介质值可以经不同的传感器，比如压力传感器来接收、求值和用于过程优化。

这种应用可以用在反应器容器5中的任意数量的超声波探头1，比如用单个超声波探头1，优选地为1～5个超声波探头1来实现。

图4示出装置的另一种变型，用它在流经的液体中，通过在近区域之外的截面收缩，在声场6中产生压降，这样在该位置上产生空化，而在传播振动的超声波探头表面3的近区域中可以极大地降低或完全抑止掉空化。

该装置用工作频率15～100kHz，优选地为15～30kHz，比如19kHz的低频高能超声波工作。

为此，超声波的声功率为50～20,000W，优选地为100～20,000W，比如8,000W。在传播振动的超声波探头表面3上使用的振动幅值为0～200μm，优选地为10～100μm，比如20μm，来将超声波传播给液体。振动的超声波探头1相对于反应器容器5用一个压力密封圈，比如O型环，和一个振动解耦的法兰来密封住。一个圆柱形反应器容器5具有0～50L的容量，优选地为1～10L，比如5L。反应器容器5可以用不同材料制成，优选地为钢、铝、精炼金属，比如钛。在反应器容器5的内部，中央或非中央地配置有一个截面收缩部8，在液体流过时根据文丘里原理能产生一个局部压降。截面收缩部8的尺寸、形状和高度在反应器容器5中可以变化。介质可以是从高黏性液体到低黏性液体，优选地为低黏性液体，比如颜料，通过一个合适的孔4，优选地为一个喷嘴，比如一个标准喷嘴、导管或专门通道，被导入到传播振动的超声波探头表面3的近区域中的反应器壁的上部。通过以一个接近或高于pmax(A)的压力p导入介质，则能够在传播振动的超声波探头表面3的近区域中极大地减少或完全抑止掉空化产生。

探头1优选地以对应于λ/4的长度伸出到反应器容器内，比如60mm。

通过反应器容器5内部的截面收缩部8，介质在到达最小直径之前就已经积聚在截面收缩部8上。反应器容器5内部的压力p在该点之上太高，以至于不能形成介质的空化。传播振动的超声波探头表面3的近区域因此有一个极大地降低的空化或者根本没有空化。在截面收缩部8之下，根据文丘里原理有一个松弛，亦即通过介质的松弛产生一个压降，由此能够产生空化。压力p在该区域则低于值pmax(A)。被超声介质被排出在反应器容器5的下部，优选地在下部中央或在圆柱形反应器容器5的下侧壁上。介质排出可以是控制的，也可以是非控制的，比如是控制的，以便能以压力p来将入流接收到小室中。在近区域之内或之外的介质值可以经不同的传感器，比如压力传感器来接收、求值和用于过程优化。

这种应用可以用在反应器容器5中的任意数量的超声波探头1，比如用单个超声波探头1，优选地为1～5个超声波探头1来实现。只要在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外产生一个由文丘里原理引起的局部压降，也可以在截面收缩部8的相对于超声波探头1的距离上将流动方向颠倒过来。

图5示出一个类似装置，用它在流经的液体中，通过在近区域之外的截面收缩部8，在声场6中产生一个压降，这样在该位置上产生空化，而在传播振动的超声波探头表面3的近区域中可以极大地降低或完全抑止掉空化。通过一个附加的内置节流阀9，能产生一个静反压，能得到超声波探头1的更高机械振动幅值。

该装置用工作频率15～100kHz，优选地为15～30kHz，比如17kHz的低频高能超声波工作。

为此，超声波的声功率为50～20,000W，优选地为100～20,000W，比如16,000W。在传播振动的超声波探头表面3上使用的振动幅值为0～200μm，优选地为10～100μm，比如15μm，来将超声波传播给液体。振动的超声波探头1相对于反应器容器5用一个压力密封圈，比如O型环，和一个振动解耦的法兰来密封住。一个圆柱形的、其端部为锥形的反应器容器5具有0～50L的容量，优选地为1～10L，比如3L。反应器容器5可以用不同材料制成，优选地为钢、铝、精炼金属或玻璃。在反应器容器5的内部，中央或非中央地配置有一个截面收缩部8，在液体流过时根据文丘里原理能产生一个局部压降。截面收缩部8的尺寸、形状和高度在反应器容器5中可以变化。介质可以是从高黏性液体到低黏性液体，优选地为低黏性液体，比如菜籽油，通过一个合适的孔4，优选地为一个喷嘴，比如一个标准喷嘴、导管或专门通道，被导入到传播振动的超声波探头表面3的近区域中的反应器壁的上部。通过以一个接近或高于pmax(A)的压力p导入介质，则能够在传播振动的超声波探头表面3的近区域中极大地减少或完全抑止掉空化产生。选择的探头1以一个比如对应于λ/4的长度伸出到反应器容器5内，比如60mm。

通过反应器容器5内部的截面收缩部8，介质在到达最小直径之前已经积聚在截面收缩部8上。反应器容器5内部的压力p在该点之上太高，以至于不能形成介质的空化。传播振动的超声波探头表面3的近区域因此有一个极大地降低的空化或者根本没有空化。在截面收缩部8之下，根据文丘里原理有一个松弛，亦即通过介质的松弛产生一个压降，由此能够产生空化。压力p在该区域则低于值pmax(A)。被超声介质被排出在反应器容器5的下部，优选地在下部中央或在圆柱形反应器容器5的下侧壁上。介质排出可以是控制的，也可以是非控制的，比如是控制的，以便能以压力p来将入流接收到小室中。在近区域之内或之外的介质值可以经不同的传感器，比如压力传感器来接收、求值和用于过程优化。通过一个附加的内置节流阀9，能产生一个静反压，能得到超声波探头1的更高机械幅值。这种应用可以用在反应器容器5中的任意数量的超声波探头1，比如用单个超声波探头1，优选地为1～5个超声波探头1来实现。只要在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外产生一个由文丘里原理引起的一个局部压降，也可以在截面收缩部8的相对于超声波探头1的距离上将流动方向颠倒过来。

图6示出装置的另一变型，其中通过对反应器尺寸做合适的设计，此处设计为锥形的反应器容器5，便能够在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外产生介质的一个连续幅值提高，这样在该处可以极大地减小或完全抑止空化，而在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外的声场中则能够产生空化。反应器容器的长度因此优选地为n*λ(液体)/2($n\exists 1$)，此处为4*λ(液体)/2。流向和流速在慢流介质情况下是不重要的。个别情况下可以不采取通流。反应器5的一种优选形式为比如截面积采取指数形式或阶梯变化形式。该装置用工作频率15～100kHz，优选地为15～30kHz，比如20kHz的低频高能超声波工作。为此，超声波的声功率为50～20,000W，优选地为100～20,000W，比如8,000W。在传播振动的超声波探头表面3上使用的振动幅值为0～200μm，优选地为10～100μm，比如20μm，来将超声波传播给液体。振动的超声波探头1相对于反应器容器5用一个压力密封圈，比如O型环，和一个振动解耦的法兰来密封住。反应器容器5具有0～50L的容量，优选地为1～10L，比如4L。反应器容器5可以用不同材料制成，优选地为钢、铝、精炼金属，比如镍基合金(Hasteloy)。可以在反应器底部方向上以不同角度形成截锥体形状，优选地以一个锐角，比如15°。介质可以是从高黏性液体到低黏性液体，优选地为低黏性液体，比如柴油，通过一个合适的孔4，优选地为一个喷嘴，比如一个标准喷嘴、一个导管或专门通道，被导入到传播振动的超声波探头表面3的近区域中的反应器壁的上部。通过以一个空化产生所需的压力以下的介质压力p来导入介质，则能够在传播振动的超声波探头表面3的近区域中极大地减少或完全抑止掉空化产生。所选探头1优选地以对应于λ/4的长度伸出到反应器容器5内，比如60mm。

通过对反应器做结构形式限定的截面更新，则可在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外根据不同面积将振幅值提高到Amin(p)以上，比如提高10倍。在该区域只能产生空化。该值可以以λ/2的步距提升。为此能在反应器容器5中产生单个或多个空化区域。空化区域的数量、形状和大小受结构形式所限。被超声介质被排出在反应器容器5的下部，优选地在截锥形的反应器容器5的下部中央。介质排出可以是控制的，也可以是非控制的，比如是控制的，以便能以压力p来将入流接收到小室中。在近区域之内或之外的介质值可以经不同的传感器，比如压力传感器来接收、求值和用于过程优化。这种应用可以用在反应器容器5中的任意数量的超声波探头1，比如用单个超声波探头1，优选地为1～5个超声波探头1来实现。

图7示出一个类似于图6的装置，仅仅是反应器容器5采取不同的结构。其中在一个圆柱形的反应器容器5中有一个锥体10。该装置用工作频率15～100kHz，优选地为15～30kHz，比如20kHz的低频高能超声波工作。为此，超声波的声功率为50～20,000W，优选地为100～20,000W，比如8,000W。在传播振动的超声波探头表面3上使用的振动幅值为0～200μm，优选地为10～100μm，比如10μm，来将超声波传播给液体。振动的超声波探头1相对于反应器容器5用一个压力密封圈，比如O型环，和一个振动解耦的法兰来密封住。反应器容器5具有0～50L的容量，优选地为1～10L，比如5L。反应器容器5可以用不同材料制成，优选地为钢、铝、精炼金属或聚合物。锥体10中心配置在反应器容器5的内部，所述反应器容器5由不同材料制成，优选地为金属、非金属或陶瓷。锥体10尖角沿传播振动的超声波探头表面3的方向变化，优选地为5°～30°的一个角度，比如15°。由此能随超声波探头1的距离D的增加产生一个截面缩小，在对应的配置情况下能在流体介质中产生幅值增强效果。介质可以是从高黏性液体到低黏性液体，优选地为低黏性液体，比如乳浊液，通过一个合适的孔4，优选地为一个喷嘴，比如一个标准喷嘴、导管或专门通道，被导入到传播振动的超声波探头表面3的近区域中的反应器壁的上部。流动方向和流速在慢流介质时是不重要的。个别情况下可不采取通流。通过以一个空化产生所需的压力以下的介质压力p来导入介质，则能够在传播振动的超声波探头表面3的近区域中极大地减少或完全抑止掉空化产生。所选探头1优选地以对应于λ/4的长度伸出到反应器容器内，比如60mm。通过对反应器做结构形式限定的截面更新，则可在传播振动的超声波探头表面3的近区域之外根据面积将振幅值提高到Amin(p)以上，比如提高10倍。在该区域只能产生空化。该值可以以λ/2的步距提升。为此能在反应器容器5中产生单个或多个空化区域。空化区域的数量、形状和大小受结构形式所限。被超声介质被排出在反应器容器5的下部，优选地在截锥形反应器容器5的底部中央上。介质排出可以是控制的，也可以是非控制的，比如是控制的，以便能以压力p来将入流接收到小室中。在近区域之内或之外的介质值可以经不同的传感器，比如压力传感器来接收、求值和用于过程优化。这种应用可以用在反应器容器5中的任意数量的超声波探头1，比如用单个超声波探头1，优选地为1～5个超声波探头1来实现。