超聲波化學(xué)或稱聲化學(xué)，是利用超聲波加速化學(xué)反應(yīng)，提高化學(xué)反應(yīng)速率的一門新興交叉學(xué)科。自從１９２７年Ｒｉｅｈａｒｄｓ和Ｌｏｏｍｉｓ［１***發(fā)表了超聲波的化學(xué)效應(yīng)以來(lái)，引起科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，目前超聲波在化工領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用。

１超聲波的作用機(jī)理超聲波是聲波的一小部分，但是超聲波的頻率要比通常所見(jiàn)聲波的頻率高得多＞２０ｋＨｚ）。因此，超聲波與通常所說(shuō)的聲波還存在著許多不同之處：超聲波具有比普通聲波更強(qiáng)的功率；介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收比普通聲波大得多；超聲波的波長(zhǎng)較短，頻率很高，具有較大的能量，可以對(duì)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生顯著的聲壓作用。當(dāng)***強(qiáng)度的超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和化學(xué)等一系列效應(yīng)，歸結(jié)為下列４種基本作用

１．１超聲波機(jī)械作用超聲波在傳播過(guò)程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波在液體中傳播時(shí)，其間質(zhì)點(diǎn)位移和速度不大，但與超聲波振動(dòng)頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)加速度卻很大，有時(shí)超過(guò)重力加速度的數(shù)萬(wàn)倍。這會(huì)對(duì)介質(zhì)造成強(qiáng)大的機(jī)械效應(yīng)，甚至破壞介質(zhì)。

１．２超聲波空化作用超聲波的空化作用是指存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到***值時(shí)，微氣泡將迅速膨脹，然后突然湮滅，這種振蕩、膨脹及湮滅等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程稱為聲空化。在氣泡湮滅瞬間周圍極小的空間內(nèi)產(chǎn)生５０００Ｋ以上的高溫和大約５０ＭＰａ的高壓，氣泡界面處液體溫度也可達(dá)２０００ＫＥ。持續(xù)幾微秒后，該熱點(diǎn)隨之冷卻，溫度變化率達(dá)１０９Ｋ／ｓ，并伴生強(qiáng)烈沖擊波和時(shí)速達(dá)４ＯＯｋｍ／ｈ的射流【４］，這為液體發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)提供了一個(gè)極端的物理環(huán)境。同時(shí)由于摩擦產(chǎn)生的電荷，在湮滅過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生放電發(fā)光現(xiàn)象。

１．３超聲波熱學(xué)作用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收會(huì)引起自身溫度升高，超聲波振動(dòng)頻率越高，熱吸收現(xiàn)象越顯著。在液體媒質(zhì)與固體媒質(zhì)的分界處，會(huì)造成局部高溫，甚至產(chǎn)生電離現(xiàn)象。

１．４超聲波化學(xué)作用超聲的化學(xué)作用是由于產(chǎn)生自由基而引發(fā)的。在空化作用產(chǎn)生的高溫高壓下，液體分子裂解產(chǎn)生自由基，由于自由基含有未配對(duì)電子，所以其性質(zhì)活潑，很容易進(jìn)一步引發(fā)各種反應(yīng)，***變成為穩(wěn)定分子。同時(shí)由于超聲波產(chǎn)生高溫高壓促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

２超聲波作用的影響因素，影響超聲波作用的因素主要有超聲波頻率、聲強(qiáng)、液體的界面性質(zhì)、溶解氣種類及超聲波發(fā)生器類型等。在超聲波的作用機(jī)理中空化作用是其主要?jiǎng)恿?lái)源，一般超聲波的頻率低，聲強(qiáng)大，液體靜壓小、界面張力低、含溶解氣及溫度高有利于產(chǎn)生空化作用發(fā)生。超聲波頻率越高發(fā)生空化時(shí)需要的聲強(qiáng)越大（即需要的能量越高），但高頻超聲波的空化作用會(huì)產(chǎn)生更多的能量；聲強(qiáng)過(guò)大，不利于空化作用發(fā)生；液體溶解氣種類對(duì)超聲波作用也有影響，如單原子氣體比雙原、雜原子氣體更有利于空化作用的產(chǎn)生。液體的溫度過(guò)高，會(huì)使氣泡中的蒸汽壓增大，空化作用減弱；影響超聲波作用的還有發(fā)生器的類型，目前主要有槽式和探頭式兩種。

３超聲波在石油化工中應(yīng)用的研究進(jìn)展超聲波技術(shù)在石油領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用研究，如超聲波防垢及除垢、防蠟降粘、破乳及處理石油污水等方面 。

３．１超聲波防垢及除垢超聲波作為物理方法，對(duì)煉廠的設(shè)備有良好的防垢和除垢作用，由于不需引入化學(xué)藥劑對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕作用。李錫波等［８１９９６年９月用超聲波防垢裝置，在墾利油田聯(lián)合站和輸油管線上試驗(yàn)，３０ｄ后加熱爐、多孔濾板和葉輪無(wú)明顯的結(jié)垢現(xiàn)象。而停止超聲波作用，１５ｄ后發(fā)現(xiàn)加熱爐有大量沉積垢體，多孔濾板與泵葉輪處也有不同成度的垢存在。重新運(yùn)行超聲波裝置，１０ｄ后發(fā)現(xiàn)加熱爐、濾板處垢減少，垢體疏松，后漸漸消失。表明超聲波有良好的防垢、除垢作用。路斌等作用顯微鏡觀察不同情況下試片的結(jié)垢情況，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)水箱中經(jīng)聲波處理后，掛片的結(jié)垢是以孤立大顆粒的分散狀態(tài)存在于掛片表面，與掛片本體的粘接強(qiáng)度較低，顏色呈暗紅色，垢的形狀為片狀，較容易脫落。相比之下，靜態(tài)水浴中的掛片垢晶結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)，顆粒較細(xì)致且強(qiáng)度高。表明經(jīng)聲波處理后掛片的結(jié)垢質(zhì)量不僅減少，而且強(qiáng)度降低，易受振動(dòng)的影響而脫落。用電鏡觀察超聲波處理后的水樣，發(fā)現(xiàn)水樣中大于５０／￣ｒｎ的垢粒數(shù)量明顯減少，１～５０／￣ｔｎ垢粒數(shù)量增多，同時(shí)發(fā)現(xiàn)垢粒內(nèi)部呈現(xiàn)大量空洞，結(jié)構(gòu)從原來(lái)的致密狀變成疏松狀，垢粒不易吸附在器壁上。說(shuō)明超聲波對(duì)垢粒有破壞作用，對(duì)已經(jīng)結(jié)垢的管線或設(shè)備有良好的除垢能力。

３．２超聲波防蠟及降粘目前，我國(guó)原油趨于高粘化、重質(zhì)化、常溫流動(dòng)性差，給原油輸送及煉制等帶來(lái)一系列問(wèn)題。超聲波對(duì)原油具有防蠟和降粘作用，可使重油在較低溫度下輸送，并有利于重油加工等。張***等＿１對(duì)２５％溶蠟油進(jìn)行聲波處理，在顯微鏡下進(jìn)行觀察。發(fā)現(xiàn)未經(jīng)聲波處理時(shí)，蠟晶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出均勻網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；處理后，蠟晶結(jié)構(gòu)受到破壞，微粒結(jié)構(gòu)變小并呈均勻分布。表明超聲波具有防蠟降粘作用。李偉等對(duì)含蠟原油進(jìn)行超聲波處理，在３７～３９℃下，以１０Ｌ／ｍｉｎ的流量在長(zhǎng)６０ｃｍ、內(nèi)徑為１．９ｃｍ的管子內(nèi)進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，在３０ｍｉｎ的循環(huán)時(shí)問(wèn)里，無(wú)超聲作用時(shí)結(jié)蠟量為５２０ｍｇ，而在有超聲作用時(shí)，結(jié)蠟量下降到３５０ｍｇ。同時(shí)對(duì)凝固的原油用超聲波處理，發(fā)現(xiàn)在超聲波作用，可以在低于熔點(diǎn)溫度下迅速的使高熔點(diǎn)的原油融化。表明超聲波作用可以延緩原油中蠟晶的析出，提高原油流動(dòng)性、降低粘度。黃序韜等＿１研究了超聲波對(duì)任丘原油粘度的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了超聲波處理原油在４０～８Ｏ℃區(qū)問(wèn)的粘溫曲線，與熱力場(chǎng)中同一溫度區(qū)間的粘溫曲線相比，原油粘度下降了２５％～３０％。閆向宏等研究了孤島稠油及摻“活性水”的稠油，經(jīng)超聲處理前后其流變性的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用大功率超聲波處理稠油及摻“活性水”的稠油，可以大大降低稠油的粘度，增加其流動(dòng)性，有利于稠油的長(zhǎng)距離輸送。

３．３超聲波破乳超聲波可以在溫和的條件下，實(shí)現(xiàn)原油的破乳。超聲波與破乳劑有良好的協(xié)同效應(yīng)，可以降低破乳劑的用量，且油水分離率高，因此超聲波破乳有良好的發(fā)展前景。虞建業(yè)等［對(duì)江蘇真武油田集輸站混合原油進(jìn)行超聲破乳研究，發(fā)現(xiàn)超聲波對(duì)原油破乳脫水速度快；超聲波與化學(xué)破乳相結(jié)合的脫水率比化學(xué)破乳高；超聲波破乳脫水同時(shí)能降低水中的油和細(xì)菌含量，從而改善脫出水水質(zhì)。表明超聲波具有良好的破乳作用。李淑琴等［１用超聲波對(duì)油田乳化原油進(jìn)行脫水，發(fā)現(xiàn)超聲波可提高原油破乳脫水率達(dá)９８．９％，減少破乳劑用量３５％以上。同時(shí)可降低破乳脫水溫度和增加原油流動(dòng)性。韓萍芳等＿１］用超聲波對(duì)魯寧管輸?shù)脑团c平湖油組成的混合油進(jìn)行破乳，結(jié)果表明超聲波原油破乳脫水后的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨聲強(qiáng)的增大而減小、隨超聲波作用時(shí)間的增加而降低，但作用時(shí)間超過(guò)２ｈ降低很小。孫保江等［１］從理論上分析了油中的水滴粒子在超聲波輻射下的位移效應(yīng)，給出了超聲波分離油水的理論根據(jù)。

３．４超聲波處理石油污水超聲波可以有效降低石油污水的含油率，提高石油污水處理效率，也可作為輔助的物理處理方法。孫寶江等＿１用超聲波處理石油污水，發(fā)現(xiàn)用超聲波處理后的石油污水含油率明顯下降，在***條件下，除油率接近９８％，石油污水中的含油量為４０ｍｇ／Ｌ。而在同樣條件下，自然沉降分離后石油污水中的含油量為２００ｍｇ／Ｌ左右。相比之下，超聲波除油的效果非常明顯。張玉梅等］對(duì)中國(guó)石化揚(yáng)子分公司煉油廠的脫水乳化污油用超聲波處理，在同等條件下，經(jīng)超聲波處理后污油脫水量可提高２倍左右，表明超聲波對(duì)污油脫水有相當(dāng)明顯的促進(jìn)作用。李書光等＿２探討了超聲波作用時(shí)間、功率等對(duì)石油污水化學(xué)耗氧量降低作用的影響。結(jié)果表明石油污水化學(xué)耗氧量的降低率，隨超聲波作用時(shí)間增大而增大，超過(guò)***時(shí)間后，作用效果趨于平緩；隨超聲波功率的增加，先增加，然后減小，并逐步趨于平緩。

４問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

４．１面臨的問(wèn)題

（１）目前對(duì)超聲波作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)還較為膚淺，迄今尚未形成一個(gè)完善的理論體系，這限制了超聲波在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。

（２）超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)及實(shí)施工藝技術(shù)還存在一些不足，未能滿足各種不同應(yīng)用的需求。

４．２發(fā)展趨勢(shì)

（１）繼續(xù)深入探索和完善超聲波的微觀作用機(jī)理，為超聲波廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

(２）開發(fā)設(shè)計(jì)***、節(jié)能的超聲波發(fā)生器，充分利用煉廠現(xiàn)有設(shè)備，在原有設(shè)備上直接進(jìn)行改裝、安裝超聲波發(fā)生器。

（３）積極探索超聲波與其它處理方法的結(jié)合，充分發(fā)揮超聲波作用迅速、直接、工藝簡(jiǎn)單和不引入污染物等優(yōu)勢(shì)。總之，超聲波技術(shù)正處于不斷探索和完善之中，隨著現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富和總結(jié)提煉，超聲波技術(shù)在石油化工行業(yè)中將發(fā)揮更大的作用。從數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，當(dāng)回?zé)捰偷膿交毂壤秊椋保埃r(shí)，與催化回?zé)捰椭苯踊責(zé)捪啾龋呋責(zé)捰团c直餾ＶＧＯ一起經(jīng)加氫處理后再進(jìn)行催化裂化，催化裂化轉(zhuǎn)化率提高９．０４個(gè)百分點(diǎn)，液化氣收率提高５．６７個(gè)百分點(diǎn)（其中丙烯收率提高１．８０個(gè)百分點(diǎn)），＜１８０ｏＣ汽油餾分收率提高３．２２個(gè)百分點(diǎn)，１８０～３５０ｏＣ柴油餾分收率降低２．１０個(gè)百分點(diǎn)，＞３５０ｏ重油收率降低６．９４個(gè)百分點(diǎn)，焦碳產(chǎn)率降低０．０８?jìng)€(gè)百分點(diǎn)，干氣產(chǎn)率提高０．２３個(gè)百分點(diǎn)，輕質(zhì)油收率提高了１．１２個(gè)百分點(diǎn)。催化回?zé)捰徒?jīng)加氫處理后，其催化裂化反應(yīng)性能顯著改善。從表５數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)回?zé)捰偷膿交毂壤秊椋保埃r(shí)，與催化回?zé)捰椭苯踊責(zé)捪啾龋呋責(zé)捰团c直餾ＶＧＯ一起經(jīng)加氫處理后再進(jìn)行催化裂化，主要目的產(chǎn)品＜１８０ｏＣ汽油餾分硫含量由３７．１ｔｃ，ｇ降低至１６．２ｔｃ，ｇ，研究法辛烷值９１７，可用于調(diào)合生產(chǎn)滿足國(guó)４排放標(biāo)準(zhǔn)要求的清潔車用汽油；１８０３５０ｏ柴油餾分硫含量也大幅降低，因而作為柴油生產(chǎn)組分，其性質(zhì)也有所改善。

３結(jié)論（１）在直餾蠟油原料中摻入１０％催化裂化回?zé)捰停託涿摿螂y度有所增加但仍在可接受范圍之內(nèi)，而經(jīng)加氫處理后的生成油多環(huán)芳烴含量和膠質(zhì)含量顯著降低，使其催化裂解反應(yīng)性能大為改善。（２）將催化回?zé)捰图託涮幚砗笤龠M(jìn)行催化裂化，可以使目的產(chǎn)品收率大幅提升，目的產(chǎn)品質(zhì)量也有大幅改善，對(duì)催化裂化裝置生產(chǎn)運(yùn)行操作來(lái)說(shuō)是極為有利的，可以為企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。