MultiphaseCavitator – Insert MPC48 за ултразвукова проточна клетка

Вложката MultiphaseCavitator (Insert MPC48) е предназначена да подобри ултразвуковата обработка на смеси течност/течност или течност/газ. 48 много тънки канюли инжектират течност или газ в течна фаза непосредствено в зоната на кавитация. Това създава много малки суспендирани капчици или газови мехурчета, осигуряващи много голяма специфична повърхност.

Тази вложка е особено полезна за химични процеси в емулсии, като реакции с фазов пренос, катализа с фазов пренос (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 проточна клетка на Hielscher и позволява периодична или непрекъсната обработка.

Един и 48 инжекционни отвора

Ултразвуковата обработка е ефективно средство за емулгиране и смесване. За разлика от конвенционалната конфигурация, при която отделните фази се комбинират, преди да постъпят в проточната клетка и зоната на кавитация, тази вложка за проточна клетка подобрява комбинирането на двете фази. Когато течност се инжектира през 48-те тънки канюли, тя постъпва в проточната клетка под формата на много тънки струи. Вложката използва 48 много тънки медицински канюли с вътрешни диаметри от 0,3mm до 1,2mm. Тези канюли могат лесно да се сменят и са евтин консуматив (стерилни, приблизително 2ct/бр.). Ултразвуковата кавитация (при 20kHz) разкъсва 48-те постъпващи течни струи на малки капчици, когато те навлизат в течната фаза в проточната клетка.
Конструкцията осигурява еднакво налягане на подаване от един източник към всичките 48 канюли, за да изравни дебита през тях.

48 входни отвора в ултразвуков реактор за реакции течност–течност

Употреба и приложения

Ултразвуковите реактори на Hielscher често се използват за емулгиране, за подобряване на кинетиката на процесите с фазов пренос или на скоростите на разтваряне в системи с две течни фази. Примери за такива процеси са окислителната десулфуризация с водороден пероксид и последваща екстракция с разтворител или катализираната от основи трансестерификация на триглицериди.
Ограничената разтворимост на една реагентна фаза в друга е съществен проблем при химичните процеси в емулсии, тъй като двете фази реагират помежду си само на междуфазната граница. Без ултразвук това води до ниски скорости на реакция и бавна кинетика на превръщане в двуфазните системи.
При използване на вложката с ултразвуков реактор кавитацията създава силно хидравлично срязване и раздробява инжектираната фаза на субмикронни и наноразмерни капчици. Тъй като специфичната повърхност на фазовата граница влияе върху скоростта на химичната реакция, това значително намаляване на диаметъра на капчиците подобрява кинетиката на реакцията и може да намали или премахне необходимостта от агенти за фазов пренос. Обемният процент на инжектираната фаза може да бъде намален, защото емулсиите с по-фини капчици изискват по-малък обем, за да осигурят същата контактна повърхност с другата реагентна фаза.
Използването на тази вложка може да намали необходимото количество амфифилни катализатори за емулсионни процеси или катализатори за фазов пренос (PTC), като кватернерни амониеви соли с тяхната уникална способност да се разтварят както във водни, така и в органични течности.

Подобрен масопренос при химични реакции

Когато две реагентни фази реагират на фазовата граница, реакционните продукти се натрупват върху повърхността на капчиците и възпрепятстват взаимодействието на реагентните фази на междуфазната граница. Хидравличното срязване, причинено от ултразвуковата кавитация, води до турбулентно течение и пренос на вещество от и към повърхностите на капчиците и предизвиква многократно сливане и последващо образуване на нови капчици. С напредването на реакцията във времето ултразвуковата обработка осигурява максимално излагане на реагентите на контакт и максимално взаимодействие между тях.
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 / Емулсификация

Тази вложка за проточна клетка подобрява емулгирането при смесване на несмесващи се течности. Това води до по-малки размери на капчиците и по-тясно разпределение по размер – ключов фактор за стабилността на емулсията. С тази конструкция можете да инжектирате и емулгирате течности с нисък и среден вискозитет дори в течности с висок вискозитет, като тежки горивни масла (HFOs), полимери или гелове. Някои състави може да изискват добавяне на емулгатори или стабилизатори. В този случай вложката помага за равномерното смесване на емулгатора. При поискване се предлагат индивидуални конструкции за инжектиране на повече от една фаза през канюлите.

Екстракция течност–течност

Тази вложка подобрява процесите на екстракция течност–течност чрез създаване на турбулентна емулсия с фини капчици, например на фаза на разтворител в маслена фаза. Това отново увеличава контактната повърхност между фазите и води до по-добра екстракция и намалена употреба на разтворител.

Водно-горивни емулсии за по-чисто горене

Нискокачествените горивни масла, като тежкото горивно масло, използвано на морски плавателни съдове или за производство на електроенергия, могат да се емулгират с вода. Това води до по-ефективно горене и значително намаляване на емисиите на NO_x и на саждите.
Прочетете повече за ултразвуковото емулгиране на водно-горивни емулсии (емулсионни горива)!

Утаяване / Сонокристализация

Пигменти или наночастици могат да се получават чрез изграждане от по-малки структурни единици посредством утаяване в течности. В този случай преситена смес започва да образува твърди частици или кристали от силно концентрираното вещество. Тези частици нарастват до определен момент и накрая се утаяват. За контролиране на размера и морфологията на частиците/кристалите е от съществено значение да се контролира смесването на прекурсорите/реагентите.
Като цяло процесът на утаяване включва: смесване, пресищане, зародишообразуване, нарастване на частиците и агломерация. Последната се избягва чрез ниска концентрация на твърдата фаза или чрез стабилизиращи агенти. Смесването е от решаващо значение, тъй като при повечето процеси на утаяване скоростта на реакцията е много висока. InsertMPC48 съчетава бързи тънки инжектирани струи със силно срязване от ултразвукова кавитация. Това осигурява максимална скорост и ефективност на смесването, като създава повече и по-малки частици.

От лабораторни изпитвания до пилотен мащаб и производство

Hielscher Ultrasonics предлага оборудване за изпитване, проверка и използване на тази технология във всякакъв мащаб. Концепцията лесно се интегрира в съществуващи процеси.

1. Подайте фаза A във входния отвор за течност в долната част на проточната клетка
2. Подайте фаза B в по-малкия входен отвор или отвори за течност отстрани на проточната клетка. Този поток ще бъде инжектиран в зоната на кавитация през 48 тънки тръбички
3. Регулирайте налягането в реактора с помощта на клапан за обратно налягане на изходния отвор на проточната клетка

В настолен мащаб ултразвуковият апарат UIP1000hdT с мощност 1kW може да обработва потоци с дебит от 100 до 1000L/hr (25 до 250 gal/hr) за демонстрация на процеса и за оптимизиране на параметрите на ултразвуковата обработка. Ултразвуковите процесори на Hielscher са проектирани за линейно мащабиране към по-големи обеми на обработка в пилотен или производствен мащаб. Таблицата по-долу посочва обемите на обработка и препоръчителните размери на оборудването.