Многофазна кавитатор-вложка за ултразвукова проточна клетка

Вложката MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) е предназначена за подобряване на ултразвуковата обработка на течност/течност или течност/газ смеси. 48 Много фини канюли инжектират течност или газ в течна фаза точно в кавитационната зона. Това създава много малки суспендирани капчици или газови мехурчета, което води до много висока специфична повърхност.

Тази вложка е особено полезна за емулсионна химия, като например реакции на фазов трансфер, Фазов трансфер-катализа (PTC) или екстракция течност-течност. Друга интересна област на приложение е утаяването на частици от два течни прекурсора или сонокристализацията. Тази вложка е предназначена за реактори с поточни клетки на Hielscher и позволява партидна или непрекъсната обработка.

Един и 48 инжекционни порта

Ултразвукът е ефективно средство за емулгиране и смесване. За разлика от конвенционалната конфигурация, при която отделни фази се комбинират, преди да влязат в поточната клетка и кавитацията, тази вложка на поточната клетка подобрява комбинацията от двете фази. Когато течността се инжектира през 48-те фини канюли, тя навлиза в клетката на потока в много тесни нишки. Вложката използва много 48 фини медицински канюли с вътрешен диаметър от 0,3 мм до 1,2 мм. Тези канюли могат лесно да се сменят и са евтин консуматив (стерилен, приблизително 2ct/бр). Ултразвуковата кавитация (при 20kHz) разрязва 48-те входящи течни нишки на малки капчици, когато влязат в течната фаза в поточната клетка.
Дизайнът прилага едно и също налягане на подаване от едно захранване към всичките 48 канюли, за да изравни потока между канюлите.

48 входни отвора в ултразвуков реактор за реакции течност-течност

Употреби и приложения

Ултразвуковите реактори на Hielscher често се използват за емулгиране, за подобряване на кинетиката на процеса на фазов трансфер или скоростта на разтваряне в течно-течни фазови системи. Примери за такива процеси са окислителното десулфуризиране с водороден прекис и последваща екстракция с разтворител или катализираната от основата трансестерификация на триглицериди.
Ограничената разтворимост на една реагентна фаза в друга реагентна фаза е значителен проблем в химията на процесната емулсия, тъй като и двете фази реагират помежду си само в интерфазата. Без ултразвук това води до ниска скорост на реакция и бавна кинетика на преобразуване в двуфазни системи.
Използвайки вложката с ултразвуков реактор, кавитацията произвежда високо хидравлично срязване и разбива инжектираната фаза на субмикронни и наноразмерни капчици. Тъй като специфичната повърхност на фазовата граница влияе върху химическата скорост на реакцията, това значително намаляване на диаметъра на капката подобрява кинетиката на реакцията и може да намали или елиминира необходимостта от фазово-трансферни агенти. Обемният процент на инжектираната фаза може да бъде намален, тъй като по-фините емулсии се нуждаят от по-малък обем, за да осигурят същата контактна повърхност с другата фаза на реагента.
Използването на тази вложка може да намали необходимото количество катализатори за амфифилна емулсия или Катализатори за фазов трансфер (PTC), като кватернерни амониеви соли с тяхната уникална способност да се разтварят както във водни, така и в органични течности.

Подобрен пренос на маса за химични реакции

Когато две фази на реагента реагират на границата на фазата, продуктите на реакцията се натрупват на повърхността на капката и блокират взаимодействието на фазите на реагента на границата на границата. Хидравличното срязване, причинено от ултразвуковата кавитация, води до турбулентен поток и транспорт на материал от и до повърхностите на капките и води до многократно сливане и последващо образуване на нови капчици. С напредването на реакцията с течение на времето, ултразвукът максимизира експозицията и взаимодействието на реагентите.
Този ефект се използва в много процеси, като трансестерификацията на растителни масла до биодизел или синтеза на полиестери чрез трансестерификация на диестери с диоли за образуване на макромолекули.

Емулгиране / Емулгиране

Тази вложка на поточната клетка подобрява емулгирането при смесване на несмесващи се течности. Това води до по-малки размери на капките и по-тясно разпределение на размерите – ключов фактор за стабилността на емулсията. С този дизайн можете да инжектирате и емулгирате течности с нисък и среден вискозитет дори в течности с висок вискозитет, като тежки горива (HFO), полимери или гелове. Някои формулировки може да изискват добавяне на емулгатори или стабилизатори. В този случай помага за равномерното смесване на емулгатора. Персонализирани дизайни за инжектиране на повече от една фаза, въпреки че канюлите се предлагат при поискване.

течно-течна екстракция

Тази вложка засилва процесите на екстракция течност-течност чрез създаване на турбулентна емулсия с фин размер, например на разтворителна фаза в маслена фаза. Това отново увеличава контактната повърхност на фазата и води до по-добра екстракция и намалено използване на разтворител.

Аквагорива за по-чисто горене

Нискокачествените мазути, като мазут, използван на морски плавателни съдове или за производство на електроенергия, могат да бъдат емулгирани с вода. Това води до по-ефективно изгаряне и значително намаляване на NO_x емисии и сажди.
Прочетете повече за ултразвуковата емулгиране на аквагорива (емулсионни горива)!

Утаяване / сонокристализация

Пигментите или наночастиците могат да се генерират отдолу нагоре чрез утаяване в течности. В този случай пренаситената смес започва да образува твърди частици или кристали от силно концентрирания материал. Тези частици ще растат до определена точка и накрая ще се утаят. За да се контролира размерът и морфологията на частиците/кристалите, контролът на смесването на прекурсор/реагент е от съществено значение.
Като цяло процесът на утаяване включва: смесване, пренасищане, нуклеация, растеж на частици и агломерация. Последното се избягва чрез ниска концентрация на твърдо вещество или чрез стабилизиращи агенти. Смесването е от решаващо значение; Както при повечето процеси на утаяване, скоростта на реакцията е много висока. InsertMPC48 комбинира бързи тесни инжекционни струи със силно ултразвуково кавитационно срязване. Това увеличава скоростта и производителността на смесването, създавайки повече и по-малки частици.

От лабораторни тестове до пилотен мащаб и производство

Hielscher Ultrasonics предлага оборудване за тестване, проверка и използване на тази технология във всякакъв мащаб. Концепцията е лесна за включване в съществуващите процеси.

1. Подаване на фаза A във входния отвор за течност в долната част на проточната клетка
2. Подайте фаза B в по-малки(те) входящ(и) отвор(и) за течност отстрани на проточната клетка. Този фураж ще се инжектира в кавитационната зона през 48 фини тръби
3. Регулирайте налягането на реактора с помощта на клапан за обратно налягане на изходния отвор на проточната клетка

На най-високо ниво a UIP1000hd (1kW) може да обработва дебити от 100 до 1000 L/h (25 до 250 gal/hr) за демонстрация на процеса и за оптимизиране на параметрите на ултразвука. Ултразвуковите процесори на Hielscher са проектирани за линейно мащабиране до по-големи обеми на обработка в пилотен или производствен мащаб. Таблицата по-долу изброява обемите на обработка и препоръчителните размери на оборудването.