MultiPhaseCavitator – umetak MPC48 za ultrazvučnu protočnu ćeliju
MultiPhaseCavitator umetak (Insert MPC48) namijenjen je poboljšanju ultrazvučne obrade tečno/tečnih ili tečno/gasovitih smjesa. 48 vrlo finih kanila ubrizgava tečnost ili gas u tečnu fazu direktno u zoni kavitacije. Time nastaju vrlo male suspendirane kapljice ili mjehurići gasa, što daje vrlo veliku specifičnu površinu.
Ovaj umetak je posebno koristan za emulzijsku hemiju, kao što su reakcije faznog transfera, kataliza faznog transfera (PTC) ili tečno-tečna ekstrakcija. Još jedno zanimljivo područje primjene je taloženje čestica iz dva tečna prekursora ili sonokristalizacija. Ovaj umetak je namijenjen Hielscher reaktorima s protočnom ćelijom i omogućava šaržnu ili kontinuiranu obradu.
Jedan i 48 otvora za ubrizgavanje
Ultrazvučna obrada je efikasno sredstvo za emulgiranje i miješanje. Za razliku od uobičajene postavke, u kojoj se odvojene faze spajaju prije ulaska u protočnu ćeliju i kavitaciju, ovaj umetak za protočnu ćeliju poboljšava spajanje dviju faza. Kada se tečnost ubrizgava kroz 48 finih kanila, ona ulazi u protočnu ćeliju u vrlo uskim mlazevima. Umetak koristi 48 vrlo finih medicinskih kanila unutrašnjeg prečnika od 0,3mm do 1,2mm. Ove kanile se lako zamjenjuju i predstavljaju jeftin potrošni materijal (sterilne, oko 2ct/kom). Ultrazvučna kavitacija (na 20kHz) siječe 48 ulaznih tečnih mlazeva na male kapljice kada uđu u tečnu fazu u protočnoj ćeliji.
Konstrukcija primjenjuje isti pritisak napajanja iz jednog izvora na svih 48 kanila kako bi se izjednačio protok između kanila.
48 ulaznih otvora u ultrazvučni reaktor za reakcije tečno-tečno
Ubrizgavanje u ultrazvučni multiphasecavitator
InsertMPC48 – 48 finih kanila završava u zoni kavitacije
Ultrazvučni reaktor s protočnom ćelijom FC100L1K-1S s umetkom InsertMPC48
Upotreba i primjene
Hielscher ultrazvučni reaktori se često koriste za emulgiranje, za poboljšanje kinetike procesa faznog transfera ili brzine otapanja u tečno-tečnim faznim sistemima. Primjeri takvih procesa su oksidativna desulfurizacija s vodikovim peroksidom i naknadna ekstrakcija otapalom ili bazno katalizirana transesterifikacija triglicerida.
Ograničena rastvorljivost jedne reagensne faze u drugoj reagensnoj fazi značajan je problem u procesnoj emulzijskoj hemiji jer te dvije faze međusobno reagiraju samo na međufaznoj površini. Bez ultrazvuka to dovodi do niskih brzina reakcije i spore kinetike konverzije u dvofaznim sistemima.
Kada se umetak koristi s ultrazvučnim reaktorom, kavitacija proizvodi visoko hidrauličko smicanje i razbija ubrizganu fazu na kapljice submikronske i nanometarske veličine. Budući da specifična površina fazne granice utječe na hemijsku brzinu reakcije, ovo značajno smanjenje prečnika kapljica poboljšava kinetiku reakcije i može smanjiti ili eliminirati potrebu za agensima faznog transfera. Volumni udio ubrizgane faze može se smanjiti, jer finije emulzije trebaju manji volumen da bi se postigla ista dodirna površina s drugom reagensnom fazom.
Upotreba ovog umetka može smanjiti potrebnu količinu amfifilnih emulzijskih katalizatora ili katalizatora faznog transfera (PTC), kao što su kvaterne amonijeve soli s jedinstvenom sposobnošću otapanja i u vodenim i u organskim tečnostima.
Poboljšani prijenos mase u hemijskim reakcijama
Kada dvije reagensne faze reagiraju na faznoj granici, produkti reakcije se nakupljaju na površini kapljice i sprečavaju reagensne faze da stupe u interakciju na međufaznoj površini. Hidrauličko smicanje uzrokovano ultrazvučnom kavitacijom dovodi do turbulentnog strujanja i transporta materijala od površina kapljica i prema njima te vodi do ponovljene koalescencije i naknadnog stvaranja novih kapljica. Kako reakcija vremenom napreduje, ultrazvučna obrada maksimizira izloženost i interakciju reagensa.
Ovaj efekt se koristi u mnogim procesima, kao što su transesterifikacija biljnih ulja u biodizel ili sinteza poliestera transesterifikacijom diestera s diolima radi nastanka makromolekula.
Emulgiranje / emulzifikacija
Ovaj umetak za protočnu ćeliju poboljšava emulgiranje pri miješanju tečnosti koje se ne miješaju. To dovodi do manjih veličina kapljica i užE raspodjele veličina – ključnog faktora za stabilnost emulzije. S ovom konstrukcijom možete ubrizgavati i emulgirati tečnosti niske i srednje viskoznosti u čak i tečnosti visoke viskoznosti, kao što su teška goriva ulja (HFO), polimeri ili gelovi. Za neke formulacije može biti potrebno dodati emulgatore ili stabilizatore. U tom slučaju pomaže da se emulgator ravnomjerno umiješa. Prilagođene konstrukcije za ubrizgavanje više od jedne faze kroz kanile dostupne su na zahtjev.
Tečno-tečna ekstrakcija
Ovaj umetak unapređuje procese tečno-tečne ekstrakcije stvaranjem fine turbulentne emulzije, npr. faze otapala u uljnoj fazi. I ovdje se time povećava dodirna površina faza, što rezultira boljom ekstrakcijom i smanjenom potrošnjom otapala.
Aqua-goriva za čistije sagorijevanje
Goriva ulja niže kvalitete, kao što je teško gorivo ulje koje se koristi na brodovima ili za proizvodnju električne energije, mogu se emulgirati s vodom. To rezultira efikasnijim sagorijevanjem i značajnim smanjenjem emisija NOx i čađi.
Saznajte više o ultrazvučnom emulgiranju aqua-goriva (emulzijskih goriva)!
Taloženje / sonokristalizacija
Pigmenti ili nanočestice mogu se proizvesti pristupom odozdo prema gore taloženjem u tečnostima. U tom slučaju prezasićena smjesa počinje stvarati čvrste čestice ili kristale iz visoko koncentriranog materijala. Te čestice rastu do određene tačke i na kraju se talože. Da bi se kontrolirala veličina i morfologija čestica/kristala, ključna je kontrola miješanja prekursora/reagensa.
Općenito, proces taloženja obuhvata: miješanje, prezasićenje, nukleaciju, rast čestica i aglomeraciju. Potonja se izbjegava niskom koncentracijom čvrstih tvari ili stabilizirajućim agensima. Miješanje je presudno jer je kod većine procesa taloženja brzina reakcije vrlo velika. InsertMPC48 kombinira brze uske ubrizgane mlazove s jakim ultrazvučnim kavitacijskim smicanjem. Time se maksimiziraju brzina i učinak miješanja, što stvara više manjih čestica.
Raspodjela veličine čestica Fe3O4 (magnetit) čestica nastalih u kontinuiranoj ultrazvučnoj reakciji taloženja (Banert et al., 2004).
Od laboratorijskog testiranja do pilot skale i proizvodnje
Hielscher Ultrasonics nudi opremu za testiranje, provjeru i primjenu ove tehnologije na bilo kojoj skali. Koncept je jednostavno ugraditi u postojeće procese.
- Dovedite fazu A u ulazni otvor za tečnost na dnu protočne ćelije
- Dovedite fazu B u manji ulazni otvor (manje ulazne otvore) za tečnost sa strane protočne ćelije. Ovaj tok će se ubrizgavati u kavitacijsko područje kroz 48 finih cijevi
- Podesite pritisak u reaktoru pomoću ventila za održavanje protutlaka na izlaznom otvoru protočne ćelije
Na laboratorijskom nivou 1kW sonikator UIP1000hdT može obrađivati protoke od 100 do 1000L/h (25 do 250 gal/h) za demonstraciju procesa i za optimizaciju parametara ultrazvučne obrade. Hielscher ultrazvučni procesori su konstruirani za linearno povećanje skale na veće obrađivane volumene u pilot ili proizvodnoj skali. Tabela u nastavku navodi obrađivane volumene i preporučene veličine opreme.
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0,2L | 0,25 do 2m3/h | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0,2L | 1 do 8m3/h | UIP4000hdT |
| n.a. | 4 do 30m3/h | UIP16000hdT |
| n.a. | iznad 30m3/h | klaster od UIP10000 ili UIP16000hdT |
Često postavljana pitanja o MultiPhaseCavitatoru – umetku MPC48 za ultrazvučnu protočnu ćeliju
Šta je MultiPhaseCavitator umetak (umetak MPC48 za protočnu ćeliju)?
MultiPhaseCavitator umetak (InsertMPC48) je umetak za protočnu ćeliju namijenjen poboljšanju ultrazvučne obrade tečno/tečnih ili tečno/gasovitih smjesa. Koristi 48 vrlo finih kanila koje ubrizgavaju tečnost ili gas u tečnu fazu direktno u zoni kavitacije, stvarajući vrlo male suspendirane kapljice ili mjehuriće gasa s velikom specifičnom površinom.
Šta znači MPC48?
MPC je skraćenica za MultiPhaseCavitator. Broj 48 označava da umetak ima 48 kanila kao mjesta ubrizgavanja. Na zahtjev se umetak za protočnu ćeliju može opremiti s više ili manje kanila.
Kako radi umetak MPC48 za protočnu ćeliju?
Kada se tečnost ubrizgava kroz 48 finih medicinskih kanila (unutrašnji prečnici od 0,3 mm do 1,2 mm), ona ulazi u protočnu ćeliju u vrlo uskim mlazevima. Ultrazvučna kavitacija na 20 kHz siječe te ulazne mlazeve na male kapljice kako ulaze u tečnu fazu. Konstrukcija primjenjuje isti pritisak napajanja iz jednog izvora na svih 48 kanila kako bi se izjednačio protok između njih.
Za koje primjene je MultiPhaseCavitator umetak najprikladniji?
Posebno je koristan za emulzijsku hemiju, kao što su reakcije faznog transfera, kataliza faznog transfera (PTC) i tečno-tečna ekstrakcija. Također je dobro prikladan za taloženje čestica iz dva tečna prekursora i za sonokristalizaciju. Umetak je namijenjen Hielscher reaktorima s protočnom ćelijom i omogućava šaržnu ili kontinuiranu obradu.
Kako umetak MPC48 poboljšava reakcije faznog transfera?
Budući da ograničena rastvorljivost jedne reagensne faze u drugoj ograničava reakciju na međufaznu površinu, dvofazni sistemi bez ultrazvuka često imaju niske brzine reakcije. S umetkom kavitacija proizvodi visoko hidrauličko smicanje i razbija ubrizganu fazu na kapljice submikronske i nanometarske veličine. Ovo značajno smanjenje prečnika kapljica poboljšava kinetiku reakcije i može smanjiti ili eliminirati potrebu za agensima faznog transfera.
Može li umetak smanjiti količinu potrebnog katalizatora?
Da. Umetak može smanjiti potrebnu količinu amfifilnih emulzijskih katalizatora ili katalizatora faznog transfera (PTC), kao što su kvaterne amonijeve soli, jer finije emulzije trebaju manji volumen da bi se postigla ista dodirna površina s drugom reagensnom fazom.
Kako poboljšava prijenos mase u hemijskim reakcijama?
Produkti reakcije mogu se nakupljati na površini kapljice i sprečavati interakciju reagensa na međufaznoj površini. Hidrauličko smicanje od ultrazvučne kavitacije stvara turbulentno strujanje i transport materijala prema površinama kapljica i od njih, što vodi do ponovljene koalescencije i stvaranja novih kapljica. Vremenom ultrazvučna obrada maksimizira izloženost i interakciju reagensa – što se koristi u procesima kao što su transesterifikacija biljnih ulja u biodizel ili sinteza poliestera.
Je li umetak efikasan za tečno-tečnu ekstrakciju?
Da. Umetak unapređuje tečno-tečnu ekstrakciju stvaranjem fine turbulentne emulzije, na primjer faze otapala u uljnoj fazi. To povećava dodirnu površinu faza i rezultira boljom ekstrakcijom uz smanjenu potrošnju otapala.
Može li se koristiti za aqua-goriva?
Da. Goriva ulja niže kvalitete, kao što je teško gorivo ulje koje se koristi na brodovima ili za proizvodnju električne energije, mogu se emulgirati s vodom. To dovodi do efikasnijeg sagorijevanja i značajnog smanjenja emisija NOx i čađi.
Otkrijte prednosti ultrazvučnog emulgiranja aqua-goriva!
Kako umetak pomaže kod taloženja i sonokristalizacije?
Pigmenti ili nanočestice mogu se proizvesti pristupom odozdo prema gore taloženjem u tečnostima. Umetak MPC48 kombinira brze uske ubrizgane mlazove s jakim ultrazvučnim kavitacijskim smicanjem, što maksimizira brzinu i učinak miješanja i stvara više manjih čestica. Budući da je brzina mnogih reakcija taloženja vrlo velika, kontrola miješanja prekursora/reagensa je ključna, a umetak pomaže u kontroli veličine i morfologije čestica/kristala.
Jesu li kanile potrošni materijal?
Da. 48 finih medicinskih kanila lako se zamjenjuje i predstavlja jeftin potrošni materijal (sterilne, oko 2 ct/kom). Ove kanile su standardni potrošni materijal i lako se mogu nabaviti lokalno. Prilagođene konstrukcije za ubrizgavanje više od jedne faze kroz kanile dostupne su na zahtjev.
Kako postaviti protočnu ćeliju s InsertMPC48? Koncept je jednostavno ugraditi u postojeće procese: dovedite fazu A u ulazni otvor za tečnost na dnu protočne ćelije, dovedite fazu B u manji ulazni otvor (manje ulazne otvore) za tečnost sa strane (ubrizgava se u kavitacijsko područje kroz 48 finih cijevi) i podesite pritisak u reaktoru pomoću ventila za održavanje protutlaka na izlaznom otvoru protočne ćelije.
Koje opcije povećanja skale i veličine opreme su dostupne?
Hielscher nudi opremu za testiranje, provjeru i primjenu ove tehnologije na bilo kojoj skali, s linearnim povećanjem skale od laboratorijske preko pilot do proizvodne. Na primjer, UIP1000hd (1 kW) može obrađivati 100–1.000 L/h za demonstraciju i optimizaciju parametara; preporučeni uređaji kreću se od UIP1000hd/UIP2000hd do UIP4000 i UIP16000, uz klastere UIP10000 ili UIP16000 za protoke iznad 30 m³/h.
Umetak MPC48 za ultrazvučnu protočnu ćeliju – MultiPhaseCavitator