Vícefázový kavitátor – Vložte MPC48 pro ultrazvukovou průtokovou celu
The MultiPhaseCavitator Insert (Insert MPC48) is designed to improve the ultrasonic processing of liquid/liquid or liquid/gas mixes. 48 very fine cannulas inject liquid or gas into a liquid phase right in the cavitation zone. This creates very small suspended droplets or gas bubbles yielding a very high specific surface area.
Tato vložka je zvláště užitečná pro chemii emulze, jako jsou reakce přenosu fáze, Fázový přenos-katalýza (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 průtokovými buňkami Hielscher a umožňuje dávkové nebo kontinuální zpracování.
Jeden a 48 vstřikovacích portů
Ultrazvuku je účinným prostředkem pro emulgaci a míchání. Na rozdíl od konvenčního nastavení, kde jsou oddělené fáze kombinovány před vstupem do průtokové cely a kavitace, tato vložka průtokové cely zlepšuje kombinaci těchto dvou fází. Když je kapalina vstřikována přes 48 jemných kanyl, vstupuje do průtokové cely ve velmi úzkých pramenech. Vložka používá velmi 48 jemných lékařských kanyl s vnitřním průměrem od 0,3 mm do 1,2 mm. Tyto kanyly jsou snadno vyměnitelné a jsou cenově výhodným spotřebním materiálem (sterilní, cca 2ct/ks). Ultrazvuková kavitace (při 20 kHz) rozřeže 48 příchozích kapalných pramenů na malé kapičky, když vstoupí do kapalné fáze v průtokové cele.
Konstrukce aplikuje stejný podávací tlak z jednoho přívodu na všech 48 kanyl, aby se vyrovnal průtok mezi kanylami.
48 vstupních portů do ultrazvukového reaktoru pro reakce kapalina-kapalina
Injekce do ultrazvukového vícefázového kavitátoru
VložitMPC48 – 48 jemných kanyl končí v kavitační zóně
Ultrazvukový reaktor s průtokovou buňkou FC100L1K-1S s vložkou MPC48
Použití a aplikace
Hielscher ultrazvukové reaktory se často používají k emulgaci, ke zlepšení kinetiky procesu přenosu fází nebo rychlosti rozpouštění v systémech kapalina-kapalina. Příkladem takových procesů je oxidační odsíření peroxidem vodíku a následná extrakce rozpouštědlem nebo bází katalyzovaná transesterifikace triglyceridů.
Omezená rozpustnost jedné reagenční fáze v jiné reagenční fázi je významným problémem v chemii procesní emulze, protože obě fáze spolu reagují pouze v mezifázi. Bez ultrazvuku to má za následek nízké reakční rychlosti a pomalou kinetiku přeměny ve dvoufázových systémech.
Při použití vložky s ultrazvukovým reaktorem kavitace vytváří vysoký hydraulický smyk a rozbíjí vstřikovanou fázi na submikronové a nanočástice. Vzhledem k tomu, že specifický povrch fázového rozhraní má vliv na chemickou rychlost reakce, toto významné snížení průměru kapek zlepšuje kinetiku reakce a může snížit nebo eliminovat potřebu činidel pro přenos fází. Objemové procento vstřikované fáze může být sníženo, protože jemnější emulze potřebují menší objem, aby zajistily stejný kontaktní povrch s druhou reagenční fází.
Použití této vložky může snížit požadované množství amfifilních emulzních katalyzátorů nebo Katalyzátory s fázovým přenosem (PTC), jako jsou kvartérní amoniové soli s jejich jedinečnou schopností rozpouštět se ve vodných i organických kapalinách.
Vylepšený přenos hmoty pro chemické reakce
Když dvě fáze činidla reagují na fázovém rozhraní, reakční produkty se hromadí na povrchu kapek a blokují interakci reagenciálních fází na rozhraní. Hydraulické smyky způsobené ultrazvukovou kavitací mají za následek turbulentní proudění a transport materiálu z a na povrchy kapek a vedou k opakované koalescenci a následné tvorbě nových kapek. Jak reakce postupuje v průběhu času, sonikace maximalizuje expozici a interakci činidel.
Tento efekt se využívá v mnoha procesech, jako je transesterifikace rostlinných olejů na bionaftu nebo syntéza polyesterů transesterifikací diesterů s dioly za vzniku makromolekul.
Emulgace / Emulgace
Tato vložka průtokové cely zlepšuje emulgaci při míchání nemísitelných kapalin. To vede k menší velikosti kapek a užší distribuci velikosti – klíčový faktor pro stabilitu emulze. S touto konstrukcí můžete vstřikovat a emulgovat kapaliny s nízkou a střední viskozitou i do kapalin s vysokou viskozitou, jako jsou těžké topné oleje (HFO), polymery nebo gely. Některé formulace mohou vyžadovat přidání emulgátorů nebo stabilizátorů. V tomto případě pomáhá emulgátor rovnoměrně promíchat. Zakázkové provedení pro injekci více než jedné fáze, i když kanyly jsou k dispozici na vyžádání.
extrakce kapalina-kapalina
Tato vložka podporuje procesy extrakce kapalina-kapalina tím, že vytváří jemně velkou turbulentní emulzi, např. z rozpouštědlové fáze v olejové fázi. To opět zvyšuje fázovou kontaktní plochu a vede k lepší extrakci a snížení spotřeby rozpouštědla.
Vodní paliva pro čistší spalování
Topné oleje nízké kvality, jako je těžký topný olej používaný na námořních plavidlech nebo pro výrobu energie, lze emulgovat vodou. To má za následek účinnější spalování a výrazné snížení NOx emise a saze.
Přečtěte si více o ultrazvukové emulgaci vodních paliv (emulzních paliv)!
Srážky / sonokrystalizace
Pigmenty nebo nanočástice mohou být generovány zdola nahoru srážením v kapalinách. V tomto případě začne přesycená směs z vysoce koncentrovaného materiálu tvořit pevné částice nebo krystaly. Tyto částice dorostou do určitého bodu a nakonec se vysráží. Aby bylo možné kontrolovat velikost a morfologii částic/krystalů, je nezbytná kontrola míchání prekurzorů a činidel.
Obecně platí, že proces srážení zahrnuje: míchání, přesycení, nukleaci, růst částic a aglomeraci. Tomu druhému se zabrání nízkou koncentrací pevných látek nebo stabilizačními činidly. Míchání je kritické; Stejně jako u většiny srážecích procesů je rychlost reakce velmi vysoká. InsertMPC48 kombinuje rychlé úzké vstřikované trysky se silným ultrazvukovým kavitačním smykem. Tím se maximalizuje rychlost míchání a výkon a vytváří se více a menších částic.
Distribuce velikosti částic Fe3O4 (magnetitu) generovaných při kontinuální ultrazvukové srážecí reakci (Banert et al., 2004).
Od laboratorního testování až po pilotní provoz a výrobu
Hielscher Ultrasonics nabízí zařízení pro testování, ověřování a využití této technologie v jakémkoli měřítku. Tento koncept lze snadno začlenit do stávajících procesů.
- Přivádějte fázi A do vstupního otvoru kapaliny ve spodní části průtočné cely
- Přivádějte fázi B do menšího vstupního otvoru (portů) kapaliny na straně průtočné cely. Toto krmivo bude vstřikováno do kavitační oblasti přes 48 jemných trubek
- Upravte tlak v reaktoru pomocí protitlakého ventilu na výstupním portu průtokové cely
V laboratorním provedení je sonikátor UIP1000hdT o výkonu 1 kW Zvládají průtoky od 100 do 1000 l/h (25 až 250 gal/h) pro demonstrační účely a pro optimalizaci parametrů sonikace. Ultrazvukové procesory Hielscher jsou navrženy pro lineární škálování na větší objemy zpracování v pilotním nebo výrobním měřítku. Níže uvedená tabulka uvádí zpracovatelské objemy a doporučené velikosti zařízení.
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0.2L | 0.25 až 2m3/Hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0.2L | 1 až 8m3/Hr | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 4 až 30 m3/Hr | UIP16000hdT |
| Není k dispozici | nad 30m3/Hr | shluk UIP10000 nebo UIP16000hdT |
Často kladené otázky týkající se zařízení MultiPhaseCavitator – Ultrazvuková průtoková vložka MPC48
Co je to vložka MultiPhaseCavitator (vložka do průtokové komory MPC48)?
Vložka MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) je vložka do průtokové komory určená ke zlepšení ultrazvukového zpracování směsí kapalina–kapalina nebo kapalina–plyn. Využívá 48 velmi jemných kanyl, které vstřikují kapalinu nebo plyn do kapalné fáze přímo v kavitační zóně, čímž vytvářejí velmi malé suspendované kapičky nebo plynové bublinky s vysokým měrným povrchem.
Co znamená MPC48?
MPC je zkratka pro MultiPhaseCavitator. Číslo 48 označuje, že vložka má 48 kanyl jako vstřikovací místa. Na přání lze vložku průtokové komory vybavit větším nebo menším počtem kanyl.
Jak funguje vložka do průtokové komory MPC48?
Když je kapalina vstřikována přes 48 jemných lékařských kanyl (vnitřní průměry od 0,3 mm do 1,2 mm), vstupuje do průtokové komory ve formě velmi úzkých pramínků. Ultrazvuková kavitace o frekvenci 20 kHz rozřezává tyto přiváděné proužky na malé kapičky v okamžiku, kdy přecházejí do kapalné fáze. Konstrukce zajišťuje stejný přívodní tlak z jednoho zdroje do všech 48 kanyl, čímž se vyrovnává průtok mezi nimi.
Pro jaké aplikace je vložka MultiPhaseCavitator nejvhodnější?
Je obzvláště užitečná pro emulzní chemii, jako jsou reakce s fázovým přenosem, katalýza s fázovým přenosem (PTC) a extrakce kapalina-kapalina. Hodí se také k vysrážení částic ze dvou kapalných prekurzorů a k sonokrystalizaci. Vložka je navržena pro průtokové reaktory Hielscher a umožňuje dávkové i kontinuální zpracování.
Jak vložka MPC48 zlepšuje reakce s fázovým přenosem?
Vzhledem k tomu, že omezená rozpustnost jedné reakční fáze v druhé omezuje reakci na mezifázový prostor, vykazují dvoufázové systémy bez použití ultrazvuku často nízké reakční rychlosti. Díky vložce kavitace vytváří vysoké hydraulické smykové napětí a rozbíjí vstřikovanou fázi na kapičky o velikosti v řádu submikronů a nanometrů. Toto výrazné zmenšení průměru kapiček zlepšuje reakční kinetiku a může snížit nebo zcela eliminovat potřebu použití činidel pro přenos fází.
Může tato vložka snížit množství potřebného katalyzátoru?
Ano. Použití této vložky může snížit potřebné množství amfifilních emulzních katalyzátorů nebo katalyzátorů fázového přenosu (PTC), jako jsou například kvartérní amoniové soli, protože jemnější emulze vyžadují menší objem k zajištění stejné kontaktní plochy s druhou fází reakční směsi.
Jakým způsobem zlepšuje přenos hmoty při chemických reakcích?
Produkty reakce se mohou hromadit na povrchu kapiček a bránit interakci reagencií na rozhraní. Hydraulické smykové síly vznikající při ultrazvukové kavitaci vytvářejí turbulentní proudění a transport látky k povrchům kapiček i od nich, což vede k opakované koalescenci a tvorbě nových kapiček. V průběhu času ultrazvuková обробka maximalizuje expozici a interakci reagencií – používá se v procesech, jako je transesterifikace rostlinných olejů na bionaftu nebo syntéza polyesterů.
Je tato vložka účinná při extrakci typu kapalina-kapalina?
Ano. Vložka zlepšuje extrakci typu kapalina–kapalina tím, že vytváří jemnou turbulentní emulzi, například rozpouštědlovou fázi v olejové fázi. Tím se zvětšuje kontaktní plocha mezi fázemi, což vede k lepší extrakci při nižší spotřebě rozpouštědla.
Lze to použít pro vodní paliva?
Ano. Nízkokvalitní topné oleje, jako je například 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 NOx a sazí.
Objevte výhody ultrazvukové emulgace vodních paliv!
Jak tato vložka napomáhá srážení a sonokrystalizaci?
Pigmenty nebo nanočástice lze vyrábět metodou „bottom-up“ srážením v kapalinách. Vložka MPC48 kombinuje rychlé úzké vstřikované proudy se silným ultrazvukovým kavitačním smykem, což maximalizuje rychlost míchání a výkon a vytváří více a menších částic. Vzhledem k tomu, že rychlost mnoha srážecích reakcí je velmi vysoká, je nezbytné kontrolovat míchání prekurzorů a činidel, a vložka pomáhá regulovat velikost a morfologii částic či krystalů.
Jsou kanyly spotřební materiál?
Ano. 48 tenkých lékařských kanyl lze snadno vyměnit a jedná se o levný spotřební materiál (sterilní, cca 2 ct/ks). Tyto kanyly jsou standardním spotřebním materiálem a lze je snadno sehnat na místním trhu. Na požádání jsou k dispozici také zakázkové provedení umožňující vstřikování více než jedné fáze přes tyto kanyly.
Jak se nastavuje průtoková cela s modulem InsertMPC48? Tento koncept lze snadno začlenit do stávajících procesů: fázi A přivádějte do vstupního otvoru pro kapalinu ve spodní části průtokové komory, fázi B přivádějte do menších bočních vstupních otvorů pro kapalinu (vstřikovaných do kavitační oblasti prostřednictvím 48 tenkých trubiček) a tlak v reaktoru regulujte pomocí protitlakového ventilu na výstupním otvoru průtokové komory.
Jaké možnosti rozšíření a jaké velikosti zařízení jsou k dispozici?
Společnost Hielscher nabízí zařízení pro testování, ověřování a využití této technologie v jakémkoli měřítku, s lineárním škálováním od laboratorního zařízení až po pilotní a výrobní provozy. Například zařízení UIP1000hd (1 kW) dokáže zpracovat 100–1 000 l/h pro demonstrační účely a optimalizaci parametrů; doporučená zařízení sahají od modelů UIP1000hd/UIP2000hd až po UIP4000 a UIP16000, přičemž pro průtoky nad 30 m³/h se používají seskupení zařízení UIP10000 nebo UIP16000.
Ultrazvuková průtoková vložka MPC48 – Vícefázový kavitátor