MultiPhaseCavitator – Indsæt MPC48 til ultralyds-flowcelle
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.
Denne indsats er især nyttig til emulsionskemi, såsom faseoverførselsreaktioner, Fase-overførsel-katalyse (PTC) eller væske-væske-ekstraktion. Et andet interessant anvendelsesområde er udfældning af partikler fra to flydende forløbere eller sono-krystallisation. Denne indsats er designet til Hielscher flowcellereaktorer og giver mulighed for batch- eller kontinuerlig behandling.
En og 48 indsprøjtningsporte
Ultralydbehandling er et effektivt middel til emulgering og blanding. Til forskel fra den konventionelle opsætning, hvor separate faser kombineres, før de kommer ind i flowcellen og kavitationen, forbedrer denne flowcelleindsats kombinationen af de to faser. Når en væske sprøjtes ind gennem de 48 fine kanyler, kommer den ind i flowcellen i meget smalle tråde. Indsatsen bruger meget 48 fine medicinske kanyler med indvendige diametre fra 0,3 mm til 1,2 mm. Disse kanyler kan nemt udskiftes og er et billigt forbrugsmateriale (sterilt, ca. 2ct/stk.). Ultralydskavitationen (ved 20kHz) skærer de 48 indkommende væskestrenge i små dråber, når de kommer ind i væskefasen i flowcellen.
Designet anvender det samme fødetryk fra én forsyning til alle 48 kanyler for at udjævne flowet mellem kanylerne.
48 indgangsporte til ultralydsreaktor til væske-væske-reaktioner
Injektion i ultralyd multifasekavitator
IndsætMPC48 – 48 fine kanyler ender i kavitationszonen
Ultralyd Flow Cell Reactor FC100L1K-1S med InsertMPC48
Anvendelser og applikationer
Hielscher ultralydsreaktorer bruges ofte til at emulgere, for at forbedre faseoverførselskinetik eller opløsningshastigheder i væske-væske-fasesystemer. Eksempler på sådanne processer er oxidativ afsvovling med hydrogenperoxid og efterfølgende opløsningsmiddelekstraktion eller basekatalyseret transesterificering af triglycerider.
Begrænset opløselighed af en reagensfase i en anden reagensfase er et væsentligt problem i processens emulsionskemi, da begge faser kun reagerer med hinanden ved interfasen. Uden ultralyd resulterer dette i lave reaktionshastigheder og en langsom konverteringskinetik i tofasesystemer.
Ved hjælp af indsatsen med en ultralydsreaktor producerer kavitationen høj hydraulisk forskydning og bryder den injicerede fase i dråber under mikron og nanostørrelse. Da det specifikke overfladeareal af fasegrænsen har indflydelse på den kemiske reaktionshastighed, forbedrer denne signifikante reduktion i dråbediameter reaktionskinetik og kan reducere eller eliminere behovet for faseoverførselsmidler. Volumenprocenten af den injicerede fase kan sænkes, fordi finere emulsioner har brug for mindre volumen for at give den samme kontaktflade med den anden reagensfase.
Anvendelsen af denne indsats kan reducere den nødvendige mængde amfifile emulsionskatalysatorer eller faseoverførselskatalysatorer (PTC), såsom kvaternære ammoniumsalte med deres unikke evne til at opløses i både vandige og organiske væsker.
Forbedret masseoverførsel til kemiske reaktioner
Når to reagensfaser reagerer ved en fasegrænse, akkumuleres reaktionsprodukterne ved dråbeoverfladen og blokerer reagensfaserne fra at interagere ved grænsefladen. Den hydrauliske forskydning forårsaget af ultralydskavitationen resulterer i turbulent strømning og materialetransport fra og til dråbeoverflader og fører til gentagen koalescens og efterfølgende dannelse af nye dråber. Efterhånden som reaktionen skrider frem over tid, maksimerer sonikering eksponeringen og interaktionen mellem reagenserne.
Denne effekt bruges i mange processer, såsom transesterificering af vegetabilske olier til biodiesel eller syntese af polyestere ved transesterificering af diestere med dioler for at danne makromolekyler.
Emulgering / emulgering
Denne flowcelleindsats forbedrer emulgeringen ved blanding af ikke-blandbare væsker. Dette fører til mindre dråbestørrelser og en smallere størrelsesfordeling – nøglefaktor for stabiliteten af en emulsion. Med dette design kan du injicere og emulgere væsker med lav og medium viskositet i væsker med høj viskositet, såsom tunge brændselsolier (HFO'er), polymerer eller geler. Nogle formuleringer kan kræve, at emulgatorer eller stabilisatorer tilsættes. I dette tilfælde hjælper det at blande emulgatoren ensartet. Skræddersyede designs til injektion af mere end én fase gennem kanylerne er tilgængelige på forespørgsel.
væske-væske ekstraktion
Denne indsats booster væske-væske-ekstraktionsprocesser ved at lave en turbulent emulsion i fin størrelse, f.eks. af en opløsningsmiddelfase i en oliefase. Igen øger dette fasekontaktfladen og resulterer i bedre ekstraktion og reduceret brug af opløsningsmidler.
Aqua-brændstoffer til renere forbrænding
Brændselsolier af lav kvalitet, såsom svær brændselsolie, der bruges på skibsfartøjer eller til elproduktion, kan emulgeres med vand. Dette resulterer i en mere effektiv forbrænding og i en betydelig reduktion af NOx emissioner og sod.
Læs mere om ultralydsemulgering af akva-brændstoffer (emulsionsbrændstoffer)!
Nedbør / Sono-krystallisation
Pigmenter eller nanopartikler kan genereres nedefra og op ved udfældning i væsker. I dette tilfælde begynder en overmættet blanding at danne faste partikler eller krystaller ud af det stærkt koncentrerede materiale. Disse partikler vil vokse til et vist punkt og til sidst udfældes. For at kontrollere partikel-/krystalstørrelsen og morfologien er det vigtigt at kontrollere blandingen af prækursor/reagens.
Generelt involverer nedbørsprocessen: Blanding, overmætning, kimdannelse, partikelvækst og agglomeration. Sidstnævnte undgås ved en lav fast koncentration eller ved stabiliseringsmidler. Blandingen er kritisk; Som for de fleste nedbørsprocesser er reaktionshastigheden meget høj. InsertMPC48 kombinerer hurtige smalle injicerede stråler med stærk ultralydskavitationsforskydning. Dette maksimerer blandingshastigheden og ydeevnen og skaber flere og mindre partikler.
Partikelstørrelsesfordeling af Fe3O4 (magnetit) partikler genereret i en kontinuerlig ultralydsudfældningsreaktion (Banert et al., 2004).
Fra laboratorietest til pilotskala og produktion
Hielscher Ultrasonics tilbyder udstyr til at teste, verificere og bruge denne teknologi i enhver skala. Konceptet er let at indarbejde i eksisterende processer.
- Før fase A ind i væskeindgangsporten i bunden af flowcellen
- Før fase B ind i mindre væskeindgangsport(e) på siden af flowcellen. Dette foder vil blive sprøjtet ind i kavitationsområdet gennem 48 fine rør
- Juster reaktortrykket ved hjælp af en modtryksventil ved flowcellens udløbsport
På bordniveau er 1 kW-ultralydsapparatet UIP1000hdT kan håndtere gennemstrømningshastigheder fra 100 til 1000 L/time (25 til 250 gal/time) til procesdemonstration og til optimering af ultralydsparametrene. Hielschers ultralydsprocessorer er konstrueret til lineær opskalering til større behandlingsvolumener på pilot- eller produktionsskala. Nedenstående tabel viser behandlingsvolumener og anbefalede udstyrsstørrelser.
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 0.2L | 0.25 til 2m3/Hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0.2L | 1 til 8m3/Hr | UIP4000hdT |
| n.a. | 4 til 30 m3/Hr | UIP16000hdT |
| n.a. | over 30 m3/Hr | klynge af UIP10000 eller UIP16000hdT |
Ofte stillede spørgsmål om MultiPhaseCavitator – Ultralyds-gennemstrømningscelleindsats MPC48
Hvad er MultiPhaseCavitator-indsatsen (Flow Cell Insert MPC48)?
MultiPhaseCavitator-indsatsen (InsertMPC48) er en gennemstrømningscelleindsats, der er udviklet til at forbedre ultralydsbehandlingen af væske/væske- eller væske/gas-blandinger. Den anvender 48 meget fine kanyler, der indsprøjter væske eller gas i en væskefase lige i kavitationszonen, hvilket skaber meget små suspenderede dråber eller gasbobler med et stort specifikt overfladeareal.
Hvad betyder MPC48?
MPC er en forkortelse for MultiPhaseCavitator. Tallet 48 angiver, at indsatsen har 48 kanyler som injektionssteder. På forespørgsel kan flowcelleindsatsen udstyres med flere eller færre kanyler.
Hvordan fungerer Flow Cell Insert MPC48?
Når en væske sprøjtes ind gennem de 48 fine medicinske kanyler (med indvendige diametre fra 0,3 mm til 1,2 mm), strømmer den ind i strømningscellen i meget smalle stråler. Ultralydskavitation ved 20 kHz opdeler disse indstrømmende stråler i små dråber, når de overgår til væskefase. Konstruktionen anvender det samme tilførselstryk fra én forsyningskilde til alle 48 kanyler for at udjævne gennemstrømningen mellem dem.
Hvilke anvendelser egner MultiPhaseCavitator-indsatsen sig bedst til?
Den er særligt velegnet til emulsionskemi, såsom faseoverførselsreaktioner, faseoverførselskatalyse (PTC) og væske-væske-ekstraktion. Den er også velegnet til udfældning af partikler fra to flydende udgangsmaterialer samt til sonokrystallisering. Indsatsen er designet til Hielschers gennemstrømningscelle-reaktorer og muliggør både batch- og kontinuerlig forarbejdning.
Hvordan forbedrer MPC48-indsatsen faseoverførselsreaktioner?
Da den begrænsede opløselighed af den ene reagensfase i den anden begrænser reaktionen til grænsefladen, har tofasesystemer ofte lave reaktionshastigheder uden anvendelse af ultralyd. Med indsatsen frembringer kavitationen en høj hydraulisk forskydning og nedbryder den indsprøjtede fase til dråber i submikron- og nanostørrelse. Denne markante reduktion i dråbediameteren forbedrer reaktionskinetikken og kan mindske eller helt fjerne behovet for faseoverføringsmidler.
Kan indsatsen mindske den nødvendige mængde katalysator?
Ja. Indsatsen kan reducere den nødvendige mængde af amfifile emulsionskatalysatorer eller faseoverførselskatalysatorer (PTC), såsom kvaternære ammoniumsalte, da finere emulsioner kræver et mindre volumen for at opnå den samme kontaktflade med den anden reagensfase.
Hvordan forbedrer det masseoverførslen i kemiske reaktioner?
Reaktionsprodukter kan ophobes på dråbeoverfladen og forhindre reagensernes vekselvirkning ved grænsefladen. Den hydrauliske forskydning fra ultralydskavitation skaber turbulent strømning og materialetransport til og fra dråbeoverfladerne, hvilket fører til gentagen sammensmeltning og dannelse af nye dråber. Over tid sikrer ultralydsbehandlingen maksimal eksponering og vekselvirkning mellem reagenserne – anvendes i processer såsom transesterificering af vegetabilske olier til biodiesel eller syntese af polyestere.
Er indsatsen effektiv til væske-væske-ekstraktion?
Ja. Indsatsen forbedrer væske-væske-ekstraktionen ved at danne en turbulent emulsion med fine partikler, for eksempel af en opløsningsmiddelfase i en oliefase. Dette øger faseoverfladen og resulterer i en bedre ekstraktion med et reduceret forbrug af opløsningsmiddel.
Kan det bruges til vandbaserede brændstoffer?
Ja. Brændselsolier af lav kvalitet, såsom tung brændselsolie, der anvendes på skibe eller til elproduktion, kan emulgeres med vand. Dette medfører en mere effektiv forbrænding og en betydelig reduktion af NOx-emissioner og sod.
Oplev fordelene ved ultralydsemulgering af vandbaserede brændstoffer!
Hvordan bidrager indsatsen til udfældning og sonokrystallisering?
Pigmenter eller nanopartikler kan fremstilles bottom-up ved udfældning i væsker. Indsatsen MPC48 kombinerer hurtige, smalle injektionsstråler med kraftig ultralydskavitation, hvilket maksimerer blandingshastigheden og ydeevnen og skaber flere og mindre partikler. Da hastigheden i mange udfældningsreaktioner er meget høj, er det afgørende at kontrollere blandingen af prækursorer og reagenser, og indsatsen hjælper med at kontrollere partikel- og krystalstørrelsen samt morfologien.
Er kanylerne engangsartikler?
Ja. De 48 fine medicinske kanyler kan nemt udskiftes og er et prisbilligt forbrugsmateriale (sterile, ca. 2 ct/stk.). Disse kanyler er standardforbrugsmaterialer og kan nemt skaffes lokalt. Specialdesignede løsninger til injektion af mere end én fase gennem kanylerne kan leveres efter anmodning.
Hvordan opsætter man flowcellen med InsertMPC48? Konceptet er nemt at integrere i eksisterende processer: tilfør fase A til væskeindløbet i bunden af flowcellen, tilfør fase B til de mindre væskeindløb på siden (indsprøjtet i kavitationsområdet gennem de 48 fine rør), og juster reaktortrykket ved hjælp af en modtryksventil ved flowcellens udløb.
Hvilke muligheder for opskalering og udstyrsstørrelser findes der?
Hielscher tilbyder udstyr til at teste, verificere og anvende denne teknologi i alle skalaer, med lineær opskalering fra bordmodel til pilot- og produktionsanlæg. For eksempel kan en UIP1000hd (1 kW) behandle 100–1.000 l/time til demonstration og parameteroptimering; de anbefalede enheder spænder fra UIP1000hd/UIP2000hd til UIP4000 og UIP16000, med klynger af UIP10000 eller UIP16000 til gennemstrømningshastigheder over 30 m³/time.
Ultralyds-gennemstrømningscelleindsats MPC48 – MultiPhaseCavitator