專利名稱：多頻率超聲波設(shè)備和生產(chǎn)生物燃料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及與生物柴油或其他生物燃料的生產(chǎn)相關(guān)的加工設(shè)備和相關(guān)的加 工方法，更特別是涉及使用雙頻超聲波能量的改進(jìn)方法。
背景技術(shù)：
已知用于生物柴油或其他生物燃料的脂肪醇酯的生產(chǎn)得益于在生產(chǎn)脂肪酸醇酯 的化學(xué)反應(yīng)和隨后從甘油中分離脂肪酸醇酯的過程中的超聲波能量的應(yīng)用。參見，例如，題 目為"生產(chǎn)脂肪酸醇酯的方法"的美國(guó)專利6， 884. 900。這項(xiàng)專利披露了在反應(yīng)器或分離罐 的表面安裝或在反應(yīng)器或罐體的內(nèi)部同軸地安裝一個(gè)或多個(gè)超聲波換能器。
發(fā)明概述 本發(fā)明是一種超聲波設(shè)備，以及在生物燃料，更一般地，并且更具體地，在脂肪酸 醇酯的生產(chǎn)過程中利用多頻率超聲波能量的方法。通過在酯交換反應(yīng)方法中給反應(yīng)物施加 多頻率超聲波，該方法加速了植物油和/或脂肪酸轉(zhuǎn)化為脂肪酸烷基酯的酯交換反應(yīng)。多 個(gè)頻率被按順序地或者同時(shí)地施加。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在58kHz、 192kHz的頻率和5000瓦功率下 施加多頻超聲波能量以每分鐘1加侖的速率產(chǎn)生了純度高達(dá)98%的烷基酯。
用于生產(chǎn)脂肪酸烷基酯的方法包括下列步驟(l)提供植物油或者脂肪酸、堿性 催化劑和烷基醇的乳液；(2)利用在多個(gè)頻率下運(yùn)行的超聲波源對(duì)該乳液進(jìn)行超聲波處理 來加快酯交換過程；和(3)將酯交換過的乳液分離成分開的甘油/丙三醇相和脂肪酸烷基 酯相。 用于使植物油脂或脂肪酸發(fā)生酯交換反應(yīng)而生成脂肪酸烷基酯的方法至少包括 以下步驟將包含植物油或脂肪酸的反應(yīng)流體放入罐中，在兩個(gè)分開的頻率下，將在15kHz 至1. 5MHz范圍內(nèi)的超聲波能量施加到罐中的反應(yīng)流體上。 在反應(yīng)物已經(jīng)達(dá)到其最終的/平衡的化學(xué)狀態(tài)之后，該方法加快了在酯交換過程 中產(chǎn)生的甘油/丙三醇相和脂肪酸烷基酯相的分離。甘油/丙三醇的分離過程涉及在相分 離步驟中從脂肪酸烷基酯和沒有反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)中分離出甘油/丙三醇。
所述設(shè)備包括具有安裝在罐上或者容納在罐內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)頻率的超聲波換能 器的工藝罐。 一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案包括具有在外面安裝的兩個(gè)頻率的超聲波換能器的四邊 形或五邊形的管子。以較低頻率的換能器與較高頻率的換能器交替的模式來排列換能器， 使罐的內(nèi)部被暴露在兩個(gè)超聲波的頻率下。優(yōu)選地，頻率在15kHz至1.5MHz的范圍內(nèi)。例 如，一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案的第一組換能器具有58kHz的第一諧波頻率，并且第二組換能器 具有192kHz的第三諧波頻率。58kHz的換能器在58KHz處具有一個(gè)強(qiáng)的第一諧波振動(dòng)，
4192kHz的換能器在192kHz處具有一個(gè)強(qiáng)的第三諧波振動(dòng)。已經(jīng)使用陶瓷組件使這兩種類 型的換能器得到增強(qiáng)，正如在美國(guó)專利5， 748， 566、5， 998， 908和6， 924， 585以及美國(guó)申請(qǐng) 號(hào)10/936， 104(公開號(hào)為2005-0109368A1)中所公開的那樣，在此將其引入作為參考。
或者，多頻超聲波換能器可以是位于罐內(nèi)的推挽式換能器或可浸入的換能器，或 是部分地位于罐內(nèi)而部分地位于罐外的棒式換能器。 該工藝罐的優(yōu)選實(shí)施方案包括容納反應(yīng)物的管狀室。這個(gè)工藝罐可以作為連續(xù)流
動(dòng)設(shè)備來運(yùn)行，反應(yīng)物連續(xù)地進(jìn)入流通罐的一端，而反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)地從另一端流出?；蛘?，
該工藝罐可以以間歇的方式運(yùn)行，通過給其填入反應(yīng)物，使反應(yīng)物發(fā)生酯交換反應(yīng)以形成
反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)同時(shí)地或按順序地運(yùn)行多頻超聲波換能器，然后將反應(yīng)產(chǎn)物排出反應(yīng)罐。 所述的加工設(shè)備包括至少一個(gè)反應(yīng)罐，該反應(yīng)罐具有一個(gè)或多個(gè)具有外表面的壁
并且具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，其中所述罐限定了用于容納待加工的反應(yīng)流體的內(nèi)部，并
至少具有兩組與反應(yīng)罐連接的超聲波換能器，其中每一組換能器具有不同的諧波頻率，并
且其中換能器組是散布的。 附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)罐的透視圖，呈在外表面上安裝了超聲波換能器的 五邊形管的形狀。 圖2是圖1的反應(yīng)罐的頂視圖。 圖3是沒有安裝換能器的圖1的反應(yīng)罐的剖視圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)圓柱形反應(yīng)罐的透視圖，其內(nèi)部具有雙頻推挽式換能 器。 圖5是圖4的反應(yīng)罐的剖視圖。 圖6是圖4的反應(yīng)罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)透視圖。 優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明 附圖描繪了本發(fā)明的各種優(yōu)選的實(shí)施方案，目的只是為了舉例說明。本領(lǐng)域技術(shù) 人員將會(huì)很容易地從下面的討論中認(rèn)識(shí)到可以使用在此舉例說明的結(jié)構(gòu)和方法的備選實(shí) 施方案，而沒有脫離在此所述的本發(fā)明的原理。 本發(fā)明在在先加工設(shè)備的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，改進(jìn)了將超聲波能量施加到反應(yīng)器或 分離罐上的方式。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，如圖1-3中所示，工藝罐10是具有5個(gè)平面 側(cè)壁12的管子。每個(gè)側(cè)壁上都有一排安裝在它上面的換能器14、16。換能器14的諧波頻 率比換能器16的低。每行換能器具有與高頻換能器16交替的低頻換能器14。優(yōu)選地，這 兩種換能器的數(shù)目基本上相同，并且它們均勻地分布在罐10的壁12上。超聲換能器更優(yōu)選 地是由壓電晶體或者壓電陶瓷構(gòu)成的壓電換能器(PZT)，壓電陶瓷例如為鈦酸鋇或者鋯鈦 酸鉛。換能器優(yōu)選地具有層疊的結(jié)構(gòu)，包括在組件的頂部的尾塊22、壓電層24、非壓電陶瓷 共振器25和在組件的底部的頭塊26，并與中心軸處的一個(gè)壓縮螺栓28固定在一起。每個(gè) 換能器14、16的頭塊與壁12的表面連接?？梢杂铆h(huán)氧聚合物黏合劑例如Supreme 10A0HT 將換能器14和16連接在罐上。這種環(huán)氧聚合物粘合劑包含氧化鋁(礬土)的陶制填充物。 它是一種具有高剪切強(qiáng)度和高抗剝離強(qiáng)度的熱固化的環(huán)氧樹脂。它同時(shí)是導(dǎo)熱的，并且對(duì) 強(qiáng)烈的熱循環(huán)有抵御能力。 罐10包括一個(gè)入口連接件18，反應(yīng)物通過該連接件進(jìn)入罐中。出口連接件20在
5罐的相反端，通過該出口連接件將反應(yīng)產(chǎn)物從罐中取出。優(yōu)選地，罐10的側(cè)壁和端板是用 14標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的不銹鋼薄板金屬制作的。其他的金屬和非金屬材料也可以被用來制作罐。
每組換能器14、 16都與超聲波發(fā)生器(未顯示)連接。低頻換能器14與在換能 器14的基頻處提供交流電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)生器連接。類似地，高頻換能器16與在換能器16 的基頻處提供交流電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)生器(未顯示)連接。優(yōu)選地，頻率在15kHz到1. 5MHz 的范圍內(nèi)。例如，可以使用58kHz的較低頻率(第一諧波頻率)和192kHz的較高頻率(第 三諧波頻率)。 當(dāng)超聲波發(fā)生器將交流電驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給換能器組14、 16時(shí)，換能器震動(dòng)并將聲 波傳送到罐10的壁12上。聲波穿過壁傳輸并且進(jìn)入罐內(nèi)的反應(yīng)物中，并且加速了罐中的 酯交換反應(yīng)和分離過程。 罐10不必象舉例說明的那樣需要具有5個(gè)側(cè)壁，可以具有提供密閉容器的任何形 狀。例如，罐可以有3、4或者6個(gè)矩形的側(cè)壁，加端板。同樣，罐可以是圓柱形的，在這種情 況下?lián)Q能器的接觸表面將會(huì)是輻射式的以與罐的外半徑匹配?；蛘撸尥ǔ？梢允蔷哂衅?的軸向條的圓柱形的，該平的軸向條給換能器提供了平的安裝面。其他形狀的變化也可以 被使用，只要它們?cè)试S安裝散布的換能器組，并且提供用于容納反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的封閉 容器。 上述工藝罐的另一種替換方案是具有超過兩組的換能器。例如，與反應(yīng)罐相關(guān)聯(lián) 的換能器可以包含一個(gè)低頻組、一個(gè)中頻組和一個(gè)高頻組，每一組的換能器均勻地分布在 罐上。 進(jìn)一步的替換方案是通過位于罐內(nèi)并浸入反應(yīng)物中的雙頻推挽式換能器給罐內(nèi) 的反應(yīng)物提供多頻聲能。這一方案被舉例說明在圖4-6中。圓柱形的罐40分別具有進(jìn)口 和出口連接件42和44。在罐40的內(nèi)部有兩個(gè)較低頻率的推挽式換能器46和兩個(gè)較高頻 率的推挽式換能器48。換能器的末端含有一個(gè)當(dāng)受到交流電驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)以超聲頻率振 動(dòng)的壓電器件。在該實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)施中，較低頻率的推挽式換能器46是25kHz的，較 高頻率的推挽式換能器48是45kHz的，這兩者都是第一諧波頻率。 其他替換方案是使用具有兩個(gè)或更多頻率的可浸入的換能器或探針式換能器。
權(quán)利要求
一種加工設(shè)備，包括一個(gè)工藝罐，其具有一個(gè)或多個(gè)具有外表面的壁并且具有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，其中所述工藝罐限定了用于容納待加工的反應(yīng)流體的內(nèi)部；和與所述工藝罐連接的至少兩組超聲換能器，其中每一組換能器具有不同的諧波頻率，并且其中換能器組是散布的。
2. 如權(quán)利要求l中所述的加工設(shè)備，進(jìn)一步包含容納在工藝罐中用于進(jìn)行酯交換反應(yīng)以產(chǎn)生脂肪酸烷基酯的反應(yīng)流體。
3. 如權(quán)利要求l中所述的加工設(shè)備，還包含一個(gè)或多個(gè)超聲波發(fā)生器，用來給超聲波換能器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以使換能器給工藝罐中的反應(yīng)流體提供超聲波能量。
4. 如權(quán)利要求l中所述的加工設(shè)備，其中所述工藝罐具有五棱柱的形狀，具有五個(gè)矩形側(cè)壁和兩個(gè)端壁。
5. 如權(quán)利要求1中所述的加工設(shè)備，其中所述工藝罐具有圓柱的形狀，具有圓柱形側(cè)壁和兩個(gè)端壁。
6. 如權(quán)利要求l中所述的加工設(shè)備，其中所述換能器通過連接工藝罐的外表面而與工藝罐連接，并且其中超聲波能量由換能器輻射出來并且穿過所述的壁到達(dá)工藝罐中的反應(yīng)流體中。
7. 如權(quán)利要求6中所述的加工設(shè)備，其中換能器組被均勻地散布在工藝罐的至少一些壁上。
8. 如權(quán)利要求6中所述的加工設(shè)備，其中工藝罐具有矩形的側(cè)壁，并且其中換能器組以平行于矩形側(cè)壁邊緣的多行形式排列。
9. 如權(quán)利要求6中所述的加工設(shè)備，其中換能器在頭塊和尾塊之間具有一個(gè)含有壓電層的堆積構(gòu)造，并且其中頭塊與工藝罐連接。
10. 如權(quán)利要求9中所述的加工設(shè)備，其中采用環(huán)氧黏合劑將頭塊與工藝罐連接。
11. 如權(quán)利要求1中所述的加工設(shè)備，其中通過置于工藝罐的內(nèi)部使換能器與工藝罐連接。
12. 如權(quán)利要求11中所述的加工設(shè)備，其中所述換能器是推挽式換能器。
13. 如權(quán)利要求l中所述的加工設(shè)備，其中第一組換能器在所述第一組的第一諧波頻率下工作，第二組換能器在所述第二組的第三諧波頻率下工作。
14. 如權(quán)利要求13中所述的加工設(shè)備，其中所述第一組換能器的第一諧波頻率為大約58kHz，并且其中所述第二組換能器的第三諧波頻率為大約192kHz。
15. 用于使植物油或者脂肪酸發(fā)生酯交換反應(yīng)而生成脂肪酸烷基酯的方法，該方法包括以下步驟將包括植物油和脂肪酸的反應(yīng)流體放入罐中；在兩個(gè)分開的頻率下給罐中的反應(yīng)流體施加15kHz到1. 5MHz范圍內(nèi)的超聲波能量。
16. 如權(quán)利要求15中所述的方法，其中施加超聲波能量的步驟包括給至少兩組換能器提供動(dòng)力，每一組換能器具有不同的諧波頻率。
17. 如權(quán)利要求16中所述的方法，其中第一組換能器在所述第一組的第一諧波頻率下工作，并且第二組換能器在所述第二組的第三諧波頻率下工作。
18. 如權(quán)利要求17中所述的方法，其中所述第一組換能器的第一諧波頻率為大約58kHz，并且其中第二組換能器的第三諧波頻率為大約192kHz。
19. 如權(quán)利要求15中所述的方法，進(jìn)一步包括將反應(yīng)流體連續(xù)地提供給所述罐并且連續(xù)地從所述罐中取出反應(yīng)了的流體的步驟。
20. 如權(quán)利要求15中所述的方法，其中在兩個(gè)分開的頻率下施加超聲波能量的步驟包括同時(shí)施加這兩個(gè)頻率。
全文摘要
本發(fā)明是一種超聲波設(shè)備和在生物燃料的生產(chǎn)過程中利用多頻超聲波能量的方法。該超聲波設(shè)備包括一個(gè)工藝罐，工藝罐內(nèi)容納了反應(yīng)流體和至少兩組與工藝罐連接的超聲波換能器，其中每一組換能器產(chǎn)生不同的頻率。用于使植物油或脂肪酸發(fā)生酯交換反應(yīng)而生成脂肪酸烷基酯的方法包括以下步驟將包括植物油或脂肪酸的反應(yīng)流體放入工藝罐中，并且在兩個(gè)分開的頻率下給工藝罐中的反應(yīng)流體施加15kHz到1.5MHz范圍內(nèi)的超聲波能量。
文檔編號(hào)C11C1/00GK101743297SQ200880019597
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者J·邁克爾·古德森 申請(qǐng)人:J·邁克爾·古德森