MultiPhaseCavitator – قطعة الإدخال MPC48 لخلية التدفق بالموجات فوق الصوتية
صُممت قطعة الإدخال MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) لتحسين المعالجة بالموجات فوق الصوتية لخلائط سائل/سائل أو سائل/غاز. تحقن 48 قنية دقيقة للغاية سائلًا أو غازًا في طور سائل مباشرةً داخل منطقة التجويف. وينتج عن ذلك قطيرات معلقة أو فقاعات غازية صغيرة جدًا توفر مساحة سطحية نوعية عالية جدًا.
تُعد قطعة الإدخال هذه مفيدة بوجه خاص في كيمياء المستحلبات، مثل تفاعلات انتقال الطور، التحفيز بانتقال الطور (PTC) أو الاستخلاص سائل–سائل. ومن مجالات التطبيق الأخرى المثيرة للاهتمام ترسيب الجسيمات من مادتين سليفتين سائلتين أو التبلور بالموجات فوق الصوتية. صُممت قطعة الإدخال هذه لمفاعلات خلايا التدفق من Hielscher، وتتيح المعالجة على دفعات أو بصورة مستمرة.
منفذ حقن واحد و48 منفذ حقن
تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة للاستحلاب والخلط. وبخلاف الترتيب التقليدي، الذي تُجمع فيه الأطوار المنفصلة قبل دخولها خلية التدفق ومنطقة التجويف، تُحسّن قطعة إدخال خلية التدفق هذه الجمع بين الطورين. عندما يُحقن سائل عبر القنيات الدقيقة البالغ عددها 48، فإنه يدخل خلية التدفق على هيئة خيوط رفيعة جدًا. تستخدم قطعة الإدخال 48 قنية طبية دقيقة للغاية بأقطار داخلية تتراوح من 0.3mm إلى 1.2mm. ويمكن استبدال هذه القنيات بسهولة، وهي مواد استهلاكية منخفضة التكلفة (معقمة، نحو 2ct/pc). يُجزّئ التجويف بالموجات فوق الصوتية (عند 20kHz) الخيوط السائلة الواردة البالغ عددها 48 إلى قطيرات صغيرة عند دخولها الطور السائل في خلية التدفق.
يُطبّق التصميم ضغط التغذية نفسه من مصدر إمداد واحد على جميع القنيات البالغ عددها 48 لموازنة التدفق بينها.
48 منفذ دخول إلى مفاعل بالموجات فوق الصوتية لتفاعلات سائل–سائل
الحقن في MultiPhaseCavitator بالموجات فوق الصوتية
InsertMPC48 – تنتهي 48 قنية دقيقة في منطقة التجويف
مفاعل خلية التدفق بالموجات فوق الصوتية FC100L1K-1S مع InsertMPC48
الاستخدامات والتطبيقات
تُستخدم مفاعلات Hielscher بالموجات فوق الصوتية كثيرًا للاستحلاب، ولتحسين حركية عمليات انتقال الطور أو معدلات الذوبان في أنظمة الأطوار سائل–سائل. ومن أمثلة هذه العمليات إزالة الكبريت بالأكسدة باستخدام بيروكسيد الهيدروجين ثم الاستخلاص بالمذيبات، أو الأسترة التبادلية للدهون الثلاثية المحفَّزة بقاعدة.
تمثل الذوبانية المحدودة لطور أحد المتفاعلات في طور متفاعل آخر مشكلة كبيرة في كيمياء عمليات المستحلبات، لأن الطورين لا يتفاعلان مع بعضهما إلا عند السطح البيني. ومن دون الموجات فوق الصوتية، يؤدي ذلك إلى انخفاض معدلات التفاعل وبطء حركية التحول في الأنظمة ثنائية الطور.
عند استخدام قطعة الإدخال مع مفاعل بالموجات فوق الصوتية، يولّد التجويف قصًا هيدروليكيًا شديدًا ويُجزّئ الطور المحقون إلى قطيرات دون ميكرونية ونانوية الحجم. ولأن المساحة السطحية النوعية للحد الفاصل بين الأطوار تؤثر في معدل التفاعل الكيميائي، فإن هذا الانخفاض الكبير في قطر القطيرات يُحسّن حركية التفاعل وقد يقلل الحاجة إلى عوامل انتقال الطور أو يلغيها. ويمكن خفض النسبة الحجمية للطور المحقون، لأن المستحلبات الأدق تحتاج إلى حجم أقل لتوفير مساحة التلامس نفسها مع طور المتفاعل الآخر.
قد يؤدي استخدام قطعة الإدخال هذه إلى خفض الكمية المطلوبة من محفزات المستحلبات مزدوجة الألفة أو محفزات انتقال الطور (PTC)، مثل أملاح الأمونيوم الرباعية التي تتميز بقدرتها الفريدة على الذوبان في السوائل المائية والعضوية على حد سواء.
تعزيز انتقال الكتلة في التفاعلات الكيميائية
عندما يتفاعل طورا متفاعلين عند حد فاصل بين الأطوار، تتراكم نواتج التفاعل على سطح القطيرات وتمنع أطوار المتفاعلات من التفاعل عند السطح البيني. يؤدي القص الهيدروليكي الناجم عن التجويف بالموجات فوق الصوتية إلى تدفق مضطرب ونقل المادة من أسطح القطيرات وإليها، ويؤدي إلى اندماج متكرر للقطيرات ثم تكوّن قطيرات جديدة. ومع تقدم التفاعل بمرور الوقت، تزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى أقصى حد من تعرض المتفاعلات لبعضها وتفاعلها.
يُستخدم هذا التأثير في عمليات عديدة، مثل الأسترة التبادلية للزيوت النباتية لإنتاج الديزل الحيوي، أو تخليق البوليسترات بالأسترة التبادلية لثنائيات الإستر مع ثنائيات الكحول لتكوين جزيئات ضخمة.
تكوين المستحلبات / الاستحلاب
تُحسّن قطعة إدخال خلية التدفق هذه الاستحلاب عند خلط سوائل غير قابلة للامتزاج. ويؤدي ذلك إلى أحجام أصغر للقطيرات وتوزيع أضيق للأحجام – وهو عامل أساسي لاستقرار المستحلب. يتيح هذا التصميم حقن السوائل منخفضة ومتوسطة اللزوجة واستحلابها حتى في السوائل عالية اللزوجة، مثل زيوت الوقود الثقيلة (HFOs) أو البوليمرات أو المواد الهلامية. وقد تتطلب بعض التركيبات إضافة مستحلبات أو مثبتات. وفي هذه الحالة، تساعد قطعة الإدخال على خلط عامل الاستحلاب بصورة متجانسة. تتوفر عند الطلب تصاميم مخصصة لحقن أكثر من طور واحد عبر القنيات.
الاستخلاص سائل–سائل
تعزز قطعة الإدخال هذه عمليات الاستخلاص سائل–سائل من خلال تكوين مستحلب مضطرب دقيق القطيرات، مثل مستحلب طور مذيب في طور زيتي. وهذا يزيد أيضًا مساحة التلامس بين الأطوار ويؤدي إلى استخلاص أفضل وتقليل استخدام المذيب.
الوقود المائي لاحتراق أنظف
يمكن استحلاب زيوت الوقود منخفضة الجودة، مثل زيت الوقود الثقيل المستخدم في السفن البحرية أو في توليد الطاقة، بالماء. ويؤدي ذلك إلى احتراق أكثر كفاءة وانخفاض كبير في انبعاثات NOx والسخام.
اقرأ المزيد عن استحلاب الوقود المائي (الوقود المستحلب) بالموجات فوق الصوتية!
الترسيب / التبلور بالموجات فوق الصوتية
يمكن إنتاج الأصباغ أو الجسيمات النانوية بأسلوب البناء من الأصغر إلى الأكبر عن طريق الترسيب في السوائل. وفي هذه الحالة، يبدأ مزيج فوق مشبع بتكوين جسيمات صلبة أو بلورات من المادة عالية التركيز. وتنمو هذه الجسيمات حتى حد معين ثم تترسب في النهاية. وللتحكم في حجم الجسيمات/البلورات ومورفولوجيتها، يُعد التحكم في خلط المواد السليفة/المتفاعلات أمرًا أساسيًا.
تشمل عملية الترسيب عمومًا: الخلط، وفرط التشبع، والتنوي، ونمو الجسيمات، والتكتل. ويُتجنب التكتل باستخدام تركيز منخفض من المواد الصلبة أو عوامل تثبيت. ويُعد الخلط بالغ الأهمية، لأن سرعة التفاعل عالية جدًا في معظم عمليات الترسيب. تجمع InsertMPC48 بين نفاثات محقونة سريعة ورفيعة وقص شديد ناتج عن التجويف بالموجات فوق الصوتية. وهذا يزيد سرعة الخلط وأداءه إلى أقصى حد، وينتج جسيمات أكثر عددًا وأصغر حجمًا.
توزيع أحجام جسيمات Fe3O4 (المغنيتيت) الناتجة في تفاعل ترسيب مستمر بالموجات فوق الصوتية (Banert et al., 2004).
من الاختبارات المختبرية إلى النطاق التجريبي والإنتاج
توفر Hielscher Ultrasonics معدات لاختبار هذه التقنية والتحقق منها واستخدامها على أي نطاق. ويسهل دمج هذا المفهوم في العمليات القائمة.
- غذِّ الطور A إلى منفذ دخول السائل في أسفل خلية التدفق
- غذِّ الطور B إلى منفذ أو منافذ دخول السائل الأصغر على جانب خلية التدفق. ستُحقن هذه التغذية في منطقة التجويف عبر 48 أنبوبًا دقيقًا
- اضبط ضغط المفاعل باستخدام صمام ضغط خلفي عند منفذ خروج خلية التدفق
على مستوى الأجهزة الموضوعة على طاولة المختبر، يستطيع جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT بقدرة 1kW معالجة معدلات تدفق تتراوح من 100 إلى 1000L/hr (من 25 إلى 250 gal/hr) لاستعراض العملية وتحسين معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية. صُممت أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher للتوسع الخطي إلى أحجام معالجة أكبر على النطاق التجريبي أو الإنتاجي. يسرد الجدول أدناه أحجام المعالجة وأحجام المعدات الموصى بها.
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.2L | من 0.25 إلى 2m3/hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0.2L | من 1 إلى 8m3/hr | UIP4000hdT |
| n.a. | من 4 إلى 30m3/hr | UIP16000hdT |
| n.a. | أعلى من 30m3/hr | مجموعة من UIP10000 أو UIP16000hdT |
الأسئلة الشائعة حول MultiPhaseCavitator – قطعة الإدخال MPC48 لخلية التدفق بالموجات فوق الصوتية
ما هي قطعة الإدخال MultiPhaseCavitator (قطعة الإدخال MPC48 لخلية التدفق)؟
قطعة الإدخال MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) هي قطعة إدخال لخلية التدفق صُممت لتحسين المعالجة بالموجات فوق الصوتية لخلائط سائل/سائل أو سائل/غاز. وتستخدم 48 قنية دقيقة للغاية تحقن سائلًا أو غازًا في طور سائل مباشرةً داخل منطقة التجويف، مما يُنتج قطيرات معلقة أو فقاعات غازية صغيرة جدًا ذات مساحة سطحية نوعية عالية.
ماذا يعني MPC48؟
MPC هو اختصار MultiPhaseCavitator. ويشير الرقم 48 إلى أن قطعة الإدخال تحتوي على 48 قنية بوصفها مواقع للحقن. ويمكن تجهيز قطعة إدخال خلية التدفق بعدد أكبر أو أقل من القنيات عند الطلب.
كيف تعمل قطعة الإدخال MPC48 لخلية التدفق؟
عندما يُحقن سائل عبر القنيات الطبية الدقيقة البالغ عددها 48 (بأقطار داخلية تتراوح من 0.3 mm إلى 1.2 mm)، فإنه يدخل خلية التدفق على هيئة خيوط رفيعة جدًا. ويُجزّئ التجويف بالموجات فوق الصوتية عند 20 kHz هذه الخيوط الواردة إلى قطيرات صغيرة عند دخولها الطور السائل. ويُطبّق التصميم ضغط التغذية نفسه من مصدر إمداد واحد على جميع القنيات البالغ عددها 48 لموازنة التدفق بينها.
ما التطبيقات التي تناسبها قطعة الإدخال MultiPhaseCavitator على أفضل وجه؟
تُعد مفيدة بوجه خاص في كيمياء المستحلبات، مثل تفاعلات انتقال الطور، والتحفيز بانتقال الطور (PTC)، والاستخلاص سائل–سائل. كما أنها مناسبة تمامًا لترسيب الجسيمات من مادتين سليفتين سائلتين وللتبلور بالموجات فوق الصوتية. صُممت قطعة الإدخال لمفاعلات خلايا التدفق من Hielscher، وتتيح المعالجة على دفعات أو بصورة مستمرة.
كيف تُحسّن قطعة الإدخال MPC48 تفاعلات انتقال الطور؟
لأن الذوبانية المحدودة لطور أحد المتفاعلات في طور متفاعل آخر تحصر التفاعل في السطح البيني، غالبًا ما تكون معدلات التفاعل في الأنظمة ثنائية الطور منخفضة من دون الموجات فوق الصوتية. وباستخدام قطعة الإدخال، يولّد التجويف قصًا هيدروليكيًا شديدًا ويُجزّئ الطور المحقون إلى قطيرات دون ميكرونية ونانوية الحجم. ويُحسّن هذا الانخفاض الكبير في قطر القطيرات حركية التفاعل، وقد يقلل الحاجة إلى عوامل انتقال الطور أو يلغيها.
هل يمكن لقطعة الإدخال تقليل كمية المحفز اللازمة؟
نعم. يمكن لقطعة الإدخال خفض الكمية المطلوبة من محفزات المستحلبات مزدوجة الألفة أو محفزات انتقال الطور (PTC)، مثل أملاح الأمونيوم الرباعية، لأن المستحلبات الأدق تحتاج إلى حجم أقل لتوفير مساحة التلامس نفسها مع طور المتفاعل الآخر.
كيف تعزز انتقال الكتلة في التفاعلات الكيميائية؟
يمكن أن تتراكم نواتج التفاعل على سطح القطيرات وتمنع تفاعل المتفاعلات عند السطح البيني. ويولّد القص الهيدروليكي الناتج عن التجويف بالموجات فوق الصوتية تدفقًا مضطربًا ونقلًا للمادة إلى أسطح القطيرات ومنها، مما يؤدي إلى اندماج متكرر للقطيرات وتكوّن قطيرات جديدة. وبمرور الوقت، تزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى أقصى حد من تعرض المتفاعلات لبعضها وتفاعلها – ويُستخدم ذلك في عمليات مثل الأسترة التبادلية للزيوت النباتية لإنتاج الديزل الحيوي أو تخليق البوليسترات.
هل قطعة الإدخال فعالة للاستخلاص سائل–سائل؟
نعم. تعزز قطعة الإدخال الاستخلاص سائل–سائل بتكوين مستحلب مضطرب دقيق القطيرات، مثل مستحلب طور مذيب في طور زيتي. وهذا يزيد مساحة التلامس بين الأطوار ويؤدي إلى استخلاص أفضل مع تقليل استخدام المذيب.
هل يمكن استخدامها للوقود المائي؟
نعم. يمكن استحلاب زيوت الوقود منخفضة الجودة، مثل زيت الوقود الثقيل المستخدم في السفن البحرية أو في توليد الطاقة، بالماء. ويؤدي ذلك إلى احتراق أكثر كفاءة وانخفاض كبير في انبعاثات NOx والسخام.
اكتشف فوائد استحلاب الوقود المائي بالموجات فوق الصوتية!
كيف تساعد قطعة الإدخال في الترسيب والتبلور بالموجات فوق الصوتية؟
يمكن إنتاج الأصباغ أو الجسيمات النانوية بأسلوب البناء من الأصغر إلى الأكبر عن طريق الترسيب في السوائل. تجمع Insert MPC48 بين نفاثات محقونة سريعة ورفيعة وقص شديد ناتج عن التجويف بالموجات فوق الصوتية، مما يزيد سرعة الخلط وأداءه إلى أقصى حد، وينتج جسيمات أكثر عددًا وأصغر حجمًا. ونظرًا إلى أن سرعة العديد من تفاعلات الترسيب عالية جدًا، فإن التحكم في خلط المواد السليفة/المتفاعلات أمر أساسي، وتساعد قطعة الإدخال على التحكم في حجم الجسيمات/البلورات ومورفولوجيتها.
هل القنيات مواد استهلاكية؟
نعم. يمكن استبدال القنيات الطبية الدقيقة البالغ عددها 48 بسهولة، وهي مواد استهلاكية منخفضة التكلفة (معقمة، نحو 2 ct/pc). وهذه القنيات مواد استهلاكية قياسية يمكن الحصول عليها بسهولة محليًا. تتوفر عند الطلب تصاميم مخصصة لحقن أكثر من طور واحد عبر القنيات.
كيف تُجهَّز خلية التدفق باستخدام InsertMPC48؟
يسهل دمج هذا المفهوم في العمليات القائمة: غذِّ الطور A إلى منفذ دخول السائل في أسفل خلية التدفق، وغذِّ الطور B إلى منفذ أو منافذ دخول السائل الأصغر على الجانب (حيث يُحقن في منطقة التجويف عبر الأنابيب الدقيقة البالغ عددها 48)، واضبط ضغط المفاعل باستخدام صمام ضغط خلفي عند منفذ خروج خلية التدفق.
ما خيارات التوسع وأحجام المعدات المتاحة؟
توفر Hielscher معدات لاختبار هذه التقنية والتحقق منها واستخدامها على أي نطاق، مع توسع خطي من مستوى الأجهزة الموضوعة على طاولة المختبر إلى النطاقين التجريبي والإنتاجي. فعلى سبيل المثال، يستطيع UIP1000hd (1 kW) معالجة 100–1,000 L/hr لاستعراض العملية وتحسين المعلمات؛ وتتراوح الأجهزة الموصى بها من UIP1000hd/UIP2000hd إلى UIP4000 و UIP16000، مع مجموعات من UIP10000 أو UIP16000 لمعدلات التدفق الأعلى من 30 m³/hr.
قطعة الإدخال MPC48 لخلية التدفق بالموجات فوق الصوتية – MultiPhaseCavitator