MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 til ultralydsgennemstrømningscelle
MultiPhaseCavitator Insert (Insert MPC48) er designet til at forbedre ultralydsbehandlingen af væske/væske- eller væske/gas-blandinger. 48 meget fine kanyler injicerer væske eller gas i en væskefase direkte i kavitationszonen. Dette skaber meget små suspenderede dråber eller gasbobler, hvilket giver et meget stort specifikt overfladeareal.
Denne indsats er særligt nyttig inden for emulsionskemi, såsom faseoverførselsreaktioner, faseoverførselskatalyse (PTC) eller væske-væske-ekstraktion. Et andet interessant anvendelsesområde er udfældning af partikler fra to flydende prækursorer eller sonokrystallisation. Denne indsats er designet til gennemstrømningsreaktorer fra Hielscher og muliggør batchbehandling eller kontinuerlig behandling.
En og 48 injektionsporte
Sonikering er et effektivt middel til emulgering og blanding. I modsætning til den konventionelle opstilling, hvor separate faser kombineres, før de kommer ind i gennemstrømningscellen og kavitationen, forbedrer denne indsats til gennemstrømningscellen sammenblandingen af de to faser. Når en væske injiceres gennem de 48 fine kanyler, kommer den ind i gennemstrømningscellen i meget smalle stråler. Indsatsen anvender 48 meget fine medicinske kanyler med indvendige diametre fra 0,3mm til 1,2mm. Disse kanyler kan nemt udskiftes og er billige forbrugsartikler (sterile, ca. 2ct/pc). Ultralydskavitationen (ved 20kHz) opdeler de 48 indkommende væskestråler i små dråber, når de kommer ind i væskefasen i gennemstrømningscellen.
Konstruktionen påfører alle 48 kanyler det samme fødetryk fra én tilførsel for at udligne flowet mellem kanylerne.
48 indløbsporte i en ultralydsreaktor til væske-væske-reaktioner
Injektion i en multiphasecavitator med ultralyd
InsertMPC48 – 48 fine kanyler ender i kavitationszonen
Ultralydsgennemstrømningsreaktor FC100L1K-1S med InsertMPC48
Brug og anvendelsesområder
Ultralydsreaktorer fra Hielscher bruges ofte til at emulgere, forbedre kinetikken i faseoverførselsprocesser eller øge opløsningshastigheder i væske-væske-fasesystemer. Eksempler på sådanne processer er oxidativ afsvovling med hydrogenperoxid og efterfølgende ekstraktion med opløsningsmiddel eller basekatalyseret transesterificering af triglycerider.
Begrænset opløselighed af én reagensfase i en anden reagensfase er et væsentligt problem inden for emulsionskemi, da de to faser kun reagerer med hinanden ved fasegrænsefladen. Uden ultralyd medfører dette lave reaktionshastigheder og langsom omdannelseskinetik i tofasesystemer.
Når indsatsen bruges med en ultralydsreaktor, skaber kavitationen kraftig hydraulisk forskydning og opdeler den injicerede fase i dråber i submikrometer- og nanostørrelse. Da fasegrænsens specifikke overfladeareal påvirker den kemiske reaktionshastighed, forbedrer denne betydelige reduktion i dråbediameter reaktionskinetikken og kan muligvis reducere eller eliminere behovet for faseoverførselsmidler. Den injicerede fases volumenprocent kan muligvis reduceres, fordi finere emulsioner kræver et mindre volumen for at give den samme kontaktflade med den anden reagensfase.
Brugen af denne indsats kan muligvis 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 ved kemiske reaktioner
Når to reagensfaser reagerer ved en fasegrænse, ophobes reaktionsprodukterne på dråbeoverfladen og forhindrer reagensfaserne i at vekselvirke ved grænsefladen. Den hydrauliske forskydning, som ultralydskavitationen forårsager, resulterer i turbulent strømning og stoftransport fra og til dråbeoverflader og fører til gentagen koalescens og efterfølgende dannelse af nye dråber. Efterhånden som reaktionen skrider frem, maksimerer sonikering reagensernes eksponering og vekselvirkning.
Denne effekt anvendes 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 / emulgeringsproces
Denne indsats til gennemstrømningscellen forbedrer emulgeringen ved blanding af ikke-blandbare væsker. Dette fører til mindre dråbestørrelser og en snævrere størrelsesfordeling – en nøglefaktor for en emulsions stabilitet. Med denne konstruktion kan du injicere og emulgere væsker med lav og middel viskositet i selv væsker med høj viskositet, såsom tunge brændselsolier (HFOs), polymerer eller geler. Nogle formuleringer kan kræve tilsætning af emulgatorer eller stabilisatorer. I dette tilfælde hjælper det at blande emulgatoren ensartet. Specialtilpassede konstruktioner til injektion af mere end én fase gennem kanylerne fås på forespørgsel.
Væske-væske-ekstraktion
Denne indsats forbedrer væske-væske-ekstraktionsprocesser ved at danne en findråbet, turbulent emulsion, f.eks. af en opløsningsmiddelfase i en oliefase. Dette øger igen fasernes kontaktflade og resulterer i bedre ekstraktion og reduceret forbrug af opløsningsmiddel.
Vandholdige brændstoffer til renere forbrænding
Brændselsolier af lav kvalitet, såsom tung brændselsolie, der bruges på skibe eller til elproduktion, kan emulgeres med vand. Dette resulterer i en mere effektiv forbrænding og en betydelig reduktion af NOx i emissionerne og af sod.
Læs mere om ultralydsemulgering af vandholdige brændstoffer (emulsionsbrændstoffer)!
Udfældning / sonokrystallisation
Pigmenter eller nanopartikler kan dannes nedefra og op ved udfældning i væsker. I dette tilfælde begynder en overmættet blanding at danne faste partikler eller krystaller ud fra det stærkt koncentrerede materiale. Disse partikler vokser til et vist punkt og udfældes til sidst. For at styre partiklernes/krystallernes størrelse og morfologi er det afgørende at styre blandingen af prækursorer/reagenser.
Generelt omfatter udfældningsprocessen: blanding, overmætning, kimdannelse, partikelvækst og agglomeration. Sidstnævnte undgås ved en lav koncentration af faste stoffer eller ved hjælp af stabiliseringsmidler. Blandingen er afgørende, da reaktionshastigheden i de fleste udfældningsprocesser er meget høj. InsertMPC48 kombinerer hurtige, smalle injicerede stråler med kraftig forskydning fra ultralydskavitation. Dette maksimerer blandingshastigheden og blandingseffektiviteten og skaber flere og mindre partikler.
Partikelstørrelsesfordeling for Fe3O4-partikler (magnetit) dannet i en kontinuerlig ultralydsudfældningsreaktion (Banert et al., 2004).
Fra laboratorietest til pilotskala og produktion
Hielscher Ultrasonics tilbyder udstyr til at teste, verificere og anvende denne teknologi i enhver skala. Konceptet er nemt at integrere i eksisterende processer.
- Tilfør fase A gennem væskeindløbsporten i bunden af gennemstrømningscellen
- Tilfør fase B gennem den eller de mindre væskeindløbsporte på siden af gennemstrømningscellen. Denne tilførsel injiceres i kavitationsområdet gennem 48 fine rør
- Juster reaktortrykket ved hjælp af en modtryksventil ved gennemstrømningscellens udløbsport
På laboratoriebordet kan 1kW-sonikatoren UIP1000hdT behandle volumenstrømme fra 100 til 1000L/hr (25 til 250 gal/hr) til demonstration af processen og optimering af sonikeringsparametrene. Ultralydsprocessorer fra Hielscher er designet til lineær opskalering til større behandlingsvolumener i pilot- eller produktionsskala. Tabellen nedenfor angiver behandlingsvolumener og anbefalede udstyrsstørrelser.
| Batchvolumen | Volumenstrøm | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 0,2L | 0,25 til 2m3/hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0,2L | 1 til 8m3/hr | UIP4000hdT |
| n.a. | 4 til 30m3/hr | UIP16000hdT |
| n.a. | over 30m3/hr | gruppe af UIP10000 eller UIP16000hdT |
Ofte stillede spørgsmål om MultiPhaseCavitator – ultralydsgennemstrømningscelleindsatsen MPC48
Hvad er MultiPhaseCavitator Insert (Flow Cell Insert MPC48)?
MultiPhaseCavitator Insert (InsertMPC48) er en indsats til en gennemstrømningscelle, der er designet til at forbedre ultralydsbehandlingen af væske/væske- eller væske/gas-blandinger. Den anvender 48 meget fine kanyler, der injicerer væske eller gas i en væskefase direkte i kavitationszonen og skaber meget små suspenderede dråber eller gasbobler med et stort specifikt overfladeareal.
Hvad betyder MPC48?
MPC er forkortelsen for MultiPhaseCavitator. Tallet 48 angiver, at indsatsen har 48 kanyler som injektionssteder. På forespørgsel kan indsatsen til gennemstrømningscellen udstyres med flere eller færre kanyler.
Hvordan fungerer gennemstrømningscelleindsatsen MPC48?
Når en væske injiceres gennem de 48 fine medicinske kanyler (indvendige diametre fra 0,3 mm til 1,2 mm), kommer den ind i gennemstrømningscellen i meget smalle stråler. Ultralydskavitation ved 20 kHz opdeler disse indkommende stråler i små dråber, når de kommer ind i væskefasen. Konstruktionen påfører alle 48 kanyler det samme fødetryk fra én tilførsel for at udligne flowet mellem dem.
Hvilke anvendelser er MultiPhaseCavitator Insert bedst egnet til?
Den er særligt nyttig inden for emulsionskemi, såsom faseoverførselsreaktioner, faseoverførselskatalyse (PTC) og væske-væske-ekstraktion. Den er også velegnet til udfældning af partikler fra to flydende prækursorer og til sonokrystallisation. Indsatsen er designet til gennemstrømningsreaktorer fra Hielscher og muliggør batchbehandling eller kontinuerlig behandling.
Hvordan forbedrer MPC48-indsatsen faseoverførselsreaktioner?
Da begrænset opløselighed af én reagensfase i en anden begrænser reaktionen til fasegrænsefladen, har tofasesystemer ofte lave reaktionshastigheder uden ultralyd. Med indsatsen skaber kavitationen kraftig hydraulisk forskydning og opdeler den injicerede fase i dråber i submikrometer- og nanostørrelse. Denne betydelige reduktion i dråbediameter forbedrer reaktionskinetikken og kan muligvis reducere eller eliminere behovet for faseoverførselsmidler.
Kan indsatsen reducere den nødvendige mængde katalysator?
Ja. Indsatsen kan reducere den nødvendige mængde amfifile emulsionskatalysatorer eller faseoverførselskatalysatorer (PTC), såsom kvaternære ammoniumsalte, fordi finere emulsioner kræver et mindre volumen for at give den samme kontaktflade med den anden reagensfase.
Hvordan forbedrer den masseoverførslen ved kemiske reaktioner?
Reaktionsprodukter kan ophobes på dråbeoverfladen og forhindre reagensernes vekselvirkning ved grænsefladen. Den hydrauliske forskydning fra ultralydskavitation skaber turbulent strømning og stoftransport til og fra dråbeoverflader, hvilket fører til gentagen koalescens og dannelse af nye dråber. Over tid maksimerer sonikering reagensernes eksponering og vekselvirkning – dette 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-ekstraktion ved at skabe en findråbet, turbulent emulsion, for eksempel af en opløsningsmiddelfase i en oliefase. Dette øger fasernes kontaktflade og resulterer i bedre ekstraktion med reduceret forbrug af opløsningsmiddel.
Kan den bruges til vandholdige brændstoffer?
Ja. Brændselsolier af lav kvalitet, såsom tung brændselsolie, der bruges på skibe eller til elproduktion, kan emulgeres med vand. Dette fører til mere effektiv forbrænding og en betydelig reduktion af NOx-emissioner og sod.
Opdag fordelene ved ultralydsemulgering af vandholdige brændstoffer!
Hvordan hjælper indsatsen med udfældning og sonokrystallisation?
Pigmenter eller nanopartikler kan dannes nedefra og op ved udfældning i væsker. Insert MPC48 kombinerer hurtige, smalle injicerede stråler med kraftig forskydning fra ultralydskavitation, hvilket maksimerer blandingshastigheden og blandingseffektiviteten og skaber flere og mindre partikler. Da hastigheden af mange udfældningsreaktioner er meget høj, er det afgørende at styre blandingen af prækursorer/reagenser, og indsatsen hjælper med at styre partiklernes/krystallernes størrelse og morfologi.
Er kanylerne forbrugsartikler?
Ja. De 48 fine medicinske kanyler kan nemt udskiftes og er billige forbrugsartikler (sterile, ca. 2 ct/pc). Disse kanyler er standardforbrugsartikler og kan nemt købes lokalt. Specialtilpassede konstruktioner til injektion af mere end én fase gennem kanylerne fås på forespørgsel.
Hvordan opstiller man gennemstrømningscellen med InsertMPC48?
Konceptet er nemt at integrere i eksisterende processer: Tilfør fase A gennem væskeindløbsporten i bunden af gennemstrømningscellen, tilfør fase B gennem den eller de mindre væskeindløbsporte på siden (injiceres i kavitationsområdet gennem de 48 fine rør), og juster reaktortrykket ved hjælp af en modtryksventil ved gennemstrømningscellens udløbsport.
Hvilke opskaleringsmuligheder og udstyrsstørrelser er tilgængelige?
Hielscher tilbyder udstyr til at teste, verificere og anvende denne teknologi i enhver skala med lineær opskalering fra laboratoriebord til pilot og produktion. For eksempel kan en UIP1000hd (1 kW) behandle 100–1.000 L/hr til demonstration og parameteroptimering; anbefalede apparater spænder fra UIP1000hd/UIP2000hd til UIP4000 og UIP16000, med grupper af UIP10000 eller UIP16000 til volumenstrømme over 30 m³/hr.
Ultralydsgennemstrømningscelleindsats MPC48 – MultiPhaseCavitator