MultiPhaseCavitator – Einsatz MPC48 für Ultraschall-Durchflusszellen

Der MultiPhaseCavitator-Einsatz (Einsatz MPC48) wurde entwickelt, um die Ultraschallbehandlung von Flüssig/Flüssig- oder Flüssig/Gas-Gemischen zu verbessern. 48 sehr feine Kanülen injizieren Flüssigkeit oder Gas direkt in der Kavitationszone in eine flüssige Phase. Dadurch entstehen sehr kleine suspendierte Tröpfchen oder Gasblasen mit einer sehr hohen spezifischen Oberfläche.

Dieser Einsatz ist besonders nützlich für die Emulsionschemie, beispielsweise für Phasentransferreaktionen, Phasentransferkatalyse (PTC) oder Flüssig-Flüssig-Extraktion. Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet ist die Fällung von Partikeln aus zwei flüssigen Vorstufen oder die Sonokristallisation. Dieser Einsatz ist für Durchflusszellenreaktoren von Hielscher ausgelegt und ermöglicht eine chargenweise oder kontinuierliche Verarbeitung.

Ein Hauptzulauf und 48 Injektionszuläufe

Die Ultraschallbehandlung ist ein wirksames Verfahren zum Emulgieren und Mischen. Anders als bei der herkömmlichen Anordnung, bei der getrennte Phasen zusammengeführt werden, bevor sie in die Durchflusszelle und die Kavitationszone gelangen, verbessert dieser Durchflusszelleneinsatz die Zusammenführung der beiden Phasen. Wird eine Flüssigkeit durch die 48 feinen Kanülen injiziert, tritt sie in sehr dünnen Strängen in die Durchflusszelle ein. Der Einsatz verwendet 48 sehr feine medizinische Kanülen mit Innendurchmessern von 0,3mm bis 1,2mm. Diese Kanülen lassen sich leicht austauschen und sind kostengünstige Verbrauchsmaterialien (steril, ca. 2ct/pc). Die Ultraschallkavitation (bei 20kHz) zerteilt die 48 einströmenden Flüssigkeitsstränge in kleine Tröpfchen, sobald sie in die flüssige Phase in der Durchflusszelle eintreten.
Die Konstruktion legt über eine gemeinsame Zufuhr an alle 48 Kanülen denselben Zufuhrdruck an, um die Durchflussraten durch die Kanülen anzugleichen.

48 Einlassöffnungen zum Ultraschallreaktor für Flüssig-Flüssig-Reaktionen

Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen

Ultraschallreaktoren von Hielscher werden häufig zum Emulgieren sowie zur Verbesserung der Kinetik von Phasentransferprozessen oder der Auflösungsgeschwindigkeit in Flüssig-Flüssig-Phasensystemen eingesetzt. Beispiele für solche Prozesse sind die oxidative Entschwefelung mit Wasserstoffperoxid und anschließender Lösungsmittelextraktion oder die basenkatalysierte Umesterung von Triglyceriden.
Die begrenzte Löslichkeit einer Reagenzphase in einer anderen Reagenzphase ist ein erhebliches Problem bei emulsionschemischen Prozessen, da beide Phasen nur an der Phasengrenzfläche miteinander reagieren. Ohne Ultraschall führt dies in Zweiphasensystemen zu niedrigen Reaktionsgeschwindigkeiten und einer langsamen Umsetzungskinetik.
Wird der Einsatz mit einem Ultraschallreaktor verwendet, erzeugt die Kavitation eine starke hydraulische Scherung und zerteilt die injizierte Phase in Tröpfchen im Submikrometer- und Nanometerbereich. Da die spezifische Oberfläche der Phasengrenzfläche die chemische Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst, verbessert diese deutliche Verringerung des Tröpfchendurchmessers die Reaktionskinetik und kann den Bedarf an Phasentransfermitteln verringern oder beseitigen. Der Volumenanteil der injizierten Phase kann gesenkt werden, da feinere Emulsionen ein geringeres Volumen benötigen, um dieselbe Kontaktfläche mit der anderen Reagenzphase bereitzustellen.
Die Verwendung dieses Einsatzes kann die erforderliche Menge an amphiphilen Emulsionskatalysatoren oder Phasentransferkatalysatoren (PTC) verringern, beispielsweise an quartären Ammoniumsalzen mit ihrer besonderen Fähigkeit, sich sowohl in wässrigen als auch in organischen Flüssigkeiten zu lösen.

Verbesserter Stofftransport für chemische Reaktionen

Wenn zwei Reagenzphasen an einer Phasengrenzfläche reagieren, sammeln sich die Reaktionsprodukte an der Tröpfchenoberfläche an und verhindern die Wechselwirkung der Reagenzphasen an der Grenzfläche. Die durch Ultraschallkavitation verursachte hydraulische Scherung erzeugt eine turbulente Strömung und Stofftransport von und zu den Tröpfchenoberflächen. Sie führt zur wiederholten Koaleszenz und anschließenden Bildung neuer Tröpfchen. Im Verlauf der Reaktion maximiert die Ultraschallbehandlung den Kontakt und die Wechselwirkung der Reagenzien.
Dieser Effekt wird in vielen Prozessen genutzt, beispielsweise bei der Umesterung von Pflanzenölen zu Biodiesel oder bei der Synthese von Polyestern durch Umesterung von Diestern mit Diolen zur Bildung von Makromolekülen.

Emulgieren / Emulgierung

Dieser Durchflusszelleneinsatz verbessert die Emulgierung beim Mischen nicht mischbarer Flüssigkeiten. Dies führt zu kleineren Tröpfchen und einer engeren Größenverteilung – einem entscheidenden Faktor für die Stabilität einer Emulsion. Mit dieser Konstruktion können Sie Flüssigkeiten niedriger und mittlerer Viskosität auch in hochviskose Flüssigkeiten wie Schweröle (HFOs), Polymere oder Gele injizieren und darin emulgieren. Bei einigen Formulierungen kann die Zugabe von Emulgatoren oder Stabilisatoren erforderlich sein. In diesem Fall unterstützt der Einsatz die gleichmäßige Einmischung des Emulgators. Kundenspezifische Ausführungen zur Injektion von mehr als einer Phase durch die Kanülen sind auf Anfrage erhältlich.

Flüssig-Flüssig-Extraktion

Dieser Einsatz verbessert Flüssig-Flüssig-Extraktionsprozesse, indem er eine feine turbulente Emulsion erzeugt, beispielsweise durch Emulgieren einer Lösungsmittelphase in einer Ölphase. Auch hierdurch wird die Kontaktfläche zwischen den Phasen vergrößert, was zu einer besseren Extraktion und einem geringeren Lösungsmittelverbrauch führt.

Aqua-Fuels für eine sauberere Verbrennung

Minderwertige Brennöle wie Schweröl, das auf Schiffen oder zur Stromerzeugung eingesetzt wird, können mit Wasser emulgiert werden. Dies führt zu einer effizienteren Verbrennung und einer deutlichen Verringerung der NO_x-Emissionen sowie der Rußbildung.
Lesen Sie mehr über die Ultraschallemulgierung von Aqua-Fuels (Emulsionskraftstoffen)!

Fällung / Sonokristallisation

Pigmente oder Nanopartikel können durch Fällung in Flüssigkeiten nach dem Bottom-up-Prinzip erzeugt werden. Dabei beginnt ein übersättigtes Gemisch, aus dem hochkonzentrierten Material feste Partikel oder Kristalle zu bilden. Diese Partikel wachsen bis zu einem bestimmten Punkt und fallen schließlich aus. Um die Partikel- bzw. Kristallgröße und die Morphologie zu steuern, ist die Kontrolle der Vermischung von Vorstufen bzw. Reagenzien entscheidend.
Im Allgemeinen umfasst der Fällungsprozess folgende Schritte: Mischen, Übersättigung, Keimbildung, Partikelwachstum und Agglomeration. Letztere wird durch eine niedrige Feststoffkonzentration oder durch Stabilisatoren vermieden. Die Vermischung ist entscheidend, da die Reaktionsgeschwindigkeit bei den meisten Fällungsprozessen sehr hoch ist. Der InsertMPC48 kombiniert schnelle, dünne Injektionsstrahlen mit starker Scherung durch Ultraschallkavitation. Dies maximiert die Mischgeschwindigkeit und Mischleistung, wodurch mehr und kleinere Partikel entstehen.

Von Laborversuchen über den Pilotmaßstab bis zur Produktion

Hielscher Ultrasonics bietet Geräte an, mit denen sich diese Technologie in jedem Maßstab testen, überprüfen und nutzen lässt. Das Konzept lässt sich einfach in bestehende Prozesse integrieren.

1. Führen Sie Phase A dem Flüssigkeitseinlass am Boden der Durchflusszelle zu
2. Führen Sie Phase B dem kleineren Flüssigkeitseinlass bzw. den kleineren Flüssigkeitseinlässen an der Seite der Durchflusszelle zu. Diese Phase wird durch 48 feine Röhrchen in die Kavitationszone injiziert
3. Stellen Sie den Reaktordruck mithilfe eines Gegendruckventils am Auslass der Durchflusszelle ein

Im Labormaßstab kann das 1kW-Ultraschallgerät UIP1000hdT Volumenströme von 100 bis 1000L/hr (25 bis 250 gal/hr) zur Prozessdemonstration und zur Optimierung der Beschallungsparameter verarbeiten. Ultraschallprozessoren von Hielscher sind für eine lineare Maßstabsvergrößerung auf größere Verarbeitungsvolumina im Pilot- oder Produktionsmaßstab ausgelegt. Die folgende Tabelle zeigt die Verarbeitungsvolumina und empfohlenen Gerätegrößen.