MultiPhaseCavitator – vložka MPC48 pro ultrazvukovou průtokovou celu

Vložka MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) je navržena ke zlepšení ultrazvukového zpracování směsí kapalina/kapalina nebo kapalina/plyn. 48 velmi jemných kanyl vstřikuje kapalinu nebo plyn do kapalné fáze přímo v kavitační zóně. Vznikají tak velmi malé suspendované kapičky nebo plynové bublinky s velmi vysokým měrným povrchem.

Tato vložka je zvláště užitečná pro emulzní chemii, jako jsou reakce s fázovým přenosem, katalýza fázového přenosu (PTC) nebo extrakce kapalina-kapalina. Další zajímavou oblastí použití je srážení částic ze dvou kapalných prekurzorů nebo sonokrystalizace. Tato vložka je určena pro reaktory s průtokovou celou Hielscher a umožňuje vsádkové nebo kontinuální zpracování.

Jeden a 48 vstřikovacích portů

Sonikace je účinným prostředkem pro emulgaci a míchání. Na rozdíl od konvenčního uspořádání, kde se oddělené fáze spojují dříve, než vstoupí do průtokové cely a do kavitace, tato vložka průtokové cely zlepšuje spojení obou fází. Když je kapalina vstřikována 48 jemnými kanylami, vstupuje do průtokové cely ve velmi tenkých pramíncích. Vložka využívá 48 velmi jemných lékařských kanyl s vnitřním průměrem od 0,3mm do 1,2mm. Tyto kanyly lze snadno vyměnit a jsou levným spotřebním materiálem (sterilní, cca 2ct/ks). Ultrazvuková kavitace (při 20kHz) rozřezává 48 přicházejících pramínků kapaliny na malé kapičky, když vstupují do kapalné fáze v průtokové cele.
Konstrukce přivádí stejný přívodní tlak z jednoho přívodu do všech 48 kanyl, aby se vyrovnal průtok mezi kanylami.

48 vstupních portů do ultrazvukového reaktoru pro reakce kapalina-kapalina

Využití a aplikace

Ultrazvukové reaktory Hielscher se často používají k emulgaci, ke zlepšení kinetiky procesů fázového přenosu nebo rychlosti rozpouštění v systémech kapalina-kapalina. Příkladem takových procesů je oxidativní odsiřování peroxidem vodíku s následnou extrakcí rozpouštědlem nebo bazicky katalyzovaná transesterifikace triglyceridů.
Omezená rozpustnost jedné reagující fáze v jiné reagující fázi je v procesní emulzní chemii významným problémem, protože obě fáze spolu reagují pouze na mezifázovém rozhraní. Bez ultrazvuku to vede k nízkým reakčním rychlostem a pomalé kinetice konverze ve dvoufázových systémech.
Při použití vložky s ultrazvukovým reaktorem vytváří kavitace vysoký hydraulický smyk a rozbíjí vstřikovanou fázi na submikronové a nanometrické kapičky. Protože měrný povrch fázového rozhraní ovlivňuje rychlost chemické reakce, toto výrazné zmenšení průměru kapiček zlepšuje reakční kinetiku a může snížit nebo odstranit potřebu činidel fázového přenosu. Objemový podíl vstřikované fáze může být snížen, protože jemnější emulze potřebují menší objem k zajištění stejného kontaktního povrchu s druhou reagující fází.
Použití této vložky může snížit potřebné množství amfifilních emulzních katalyzátorů nebo katalyzátorů fázového přenosu (PTC), jako jsou kvartérní amoniové soli s jejich jedinečnou schopností rozpouštět se ve vodných i organických kapalinách.

Zlepšený přenos hmoty u chemických reakcí

Když dvě reagující fáze reagují na fázovém rozhraní, reakční produkty se hromadí na povrchu kapiček a brání reagujícím fázím ve vzájemném působení na rozhraní. Hydraulický smyk způsobený ultrazvukovou kavitací vede k turbulentnímu proudění a transportu látek z povrchu kapiček a k němu a vede k opakované koalescenci a následné tvorbě nových kapiček. Jak reakce v čase postupuje, sonikace maximalizuje expozici a interakci reaktantů.
Tento efekt se využívá v mnoha procesech, jako je transesterifikace rostlinných olejů na bionaftu nebo syntéza polyesterů transesterifikací diesterů s dioly za vzniku makromolekul.

Emulgování / emulgace

Tato vložka průtokové cely zlepšuje emulgaci při míchání nemísitelných kapalin. To vede k menším velikostem kapiček a užší distribuci velikosti – klíčovému faktoru stability emulze. Díky této konstrukci můžete vstřikovat a emulgovat kapaliny s nízkou a střední viskozitou dokonce i do kapalin s vysokou viskozitou, jako jsou těžké topné oleje (HFO), polymery nebo gely. Některé formulace mohou vyžadovat přidání emulgátorů nebo stabilizátorů. V takovém případě pomáhá emulgátor rovnoměrně promíchat. Zakázková provedení pro vstřikování více než jedné fáze kanylami jsou k dispozici na vyžádání.

Extrakce kapalina-kapalina

Tato vložka zesiluje procesy extrakce kapalina-kapalina vytvořením jemné turbulentní emulze, např. fáze rozpouštědla v olejové fázi. I zde se tím zvětšuje kontaktní povrch fází, což vede k lepší extrakci a nižší spotřebě rozpouštědla.

Aqua-paliva pro čistší spalování

Nízkojakostní topné oleje, jako je těžký topný olej používaný na námořních plavidlech nebo k výrobě elektřiny, lze emulgovat s vodou. To vede k účinnějšímu spalování a k výraznému snížení emisí NO_x a sazí.
Přečtěte si více o ultrazvukové emulgaci aqua-paliv (emulzních paliv)!

Srážení / sonokrystalizace

Pigmenty nebo nanočástice lze vytvářet metodou bottom-up srážením v kapalinách. V tomto případě začne přesycená směs z vysoce koncentrovaného materiálu vytvářet pevné částice nebo krystaly. Tyto částice rostou do určitého bodu a nakonec se vysrážejí. Pro řízení velikosti a morfologie částic/krystalů je zásadní řídit míchání prekurzorů/reaktantů.
Obecně proces srážení zahrnuje: míchání, přesycení, nukleaci, růst částic a aglomeraci. Aglomeraci se zabraňuje nízkou koncentrací pevné fáze nebo stabilizačními činidly. Míchání je kritické, protože u většiny srážecích procesů je rychlost reakce velmi vysoká. InsertMPC48 kombinuje rychlé úzké vstřikované proudy se silným ultrazvukovým kavitačním smykem. Tím se maximalizuje rychlost a účinnost míchání a vzniká více částic, které jsou menší.

Od laboratorních testů přes pilotní měřítko až po výrobu

Hielscher Ultrasonics nabízí zařízení k testování, ověření a využití této technologie v jakémkoli měřítku. Koncept lze snadno začlenit do stávajících procesů.

1. Přivádějte fázi A do vstupního portu pro kapalinu ve spodní části průtokové cely
2. Přivádějte fázi B do menšího vstupního portu (portů) pro kapalinu na boku průtokové cely. Tento přívod bude vstřikován do kavitační oblasti 48 jemnými trubičkami
3. Nastavte tlak v reaktoru pomocí protitlakého ventilu na výstupním portu průtokové cely

Na stolní úrovni může 1kW sonikátor UIP1000hdT zpracovávat průtoky od 100 do 1000L/hr (od 25 do 250 gal/hr) pro demonstraci procesu a pro optimalizaci parametrů sonikace. Ultrazvukové procesory Hielscher jsou navrženy pro lineární přenos na větší zpracovávané objemy v pilotním nebo výrobním měřítku. V tabulce níže jsou uvedeny zpracovávané objemy a doporučené velikosti zařízení.