MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 για κυψελίδα ροής υπερήχων

Το ένθετο MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) έχει σχεδιαστεί για τη βελτίωση της επεξεργασίας μειγμάτων υγρού/υγρού ή υγρού/αερίου με υπερήχους. 48 πολύ λεπτές κάνουλες εγχέουν υγρό ή αέριο σε μια υγρή φάση απευθείας στη ζώνη σπηλαίωσης. Έτσι δημιουργούνται πολύ μικρά αιωρούμενα σταγονίδια ή φυσαλίδες αερίου, που παρέχουν πολύ υψηλή ειδική επιφάνεια.

Αυτό το ένθετο είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στη χημεία γαλακτωμάτων, όπως σε αντιδράσεις μεταφοράς φάσης, κατάλυση μεταφοράς φάσης (PTC) ή εκχύλιση υγρού–υγρού. Ένα άλλο ενδιαφέρον πεδίο εφαρμογής είναι η καταβύθιση σωματιδίων από δύο υγρές πρόδρομες ουσίες ή η κρυστάλλωση με υπερήχους. Αυτό το ένθετο έχει σχεδιαστεί για αντιδραστήρες κυψελίδας ροής της Hielscher και επιτρέπει την επεξεργασία κατά παρτίδες ή τη συνεχή επεξεργασία.

Μία και 48 θύρες έγχυσης

Η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί αποτελεσματικό μέσο γαλακτωματοποίησης και ανάμειξης. Σε αντίθεση με τη συμβατική διάταξη, στην οποία οι ξεχωριστές φάσεις συνδυάζονται πριν εισέλθουν στην κυψελίδα ροής και στη ζώνη σπηλαίωσης, αυτό το ένθετο κυψελίδας ροής βελτιώνει τον συνδυασμό των δύο φάσεων. Όταν ένα υγρό εγχέεται μέσω των 48 λεπτών κανουλών, εισέρχεται στην κυψελίδα ροής με τη μορφή πολύ λεπτών νηματίων. Το ένθετο χρησιμοποιεί 48 πολύ λεπτές ιατρικές κάνουλες με εσωτερικές διαμέτρους από 0,3mm έως 1,2mm. Αυτές οι κάνουλες αντικαθίστανται εύκολα και αποτελούν αναλώσιμο χαμηλού κόστους (αποστειρωμένες, περίπου 2ct/pc). Η σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους (στα 20kHz) τεμαχίζει τα 48 εισερχόμενα νημάτια υγρού σε μικρά σταγονίδια όταν αυτά εισέρχονται στην υγρή φάση μέσα στην κυψελίδα ροής.
Ο σχεδιασμός εξασφαλίζει την ίδια πίεση τροφοδοσίας από μία παροχή τροφοδοσίας και στις 48 κάνουλες, ώστε να εξισώνεται η παροχή μεταξύ των κανουλών.

48 θύρες εισόδου σε αντιδραστήρα υπερήχων για αντιδράσεις υγρού–υγρού

Χρήσεις και εφαρμογές

Οι αντιδραστήρες υπερήχων της Hielscher χρησιμοποιούνται συχνά για γαλακτωματοποίηση, για τη βελτίωση της κινητικής διεργασιών μεταφοράς φάσης ή για την αύξηση των ρυθμών διάλυσης σε συστήματα φάσεων υγρού–υγρού. Παραδείγματα τέτοιων διεργασιών είναι η οξειδωτική αποθείωση με υπεροξείδιο του υδρογόνου και επακόλουθη εκχύλιση με διαλύτη ή η μετεστεροποίηση τριγλυκεριδίων με βασική κατάλυση.
Η περιορισμένη διαλυτότητα μιας φάσης αντιδραστηρίου σε μια άλλη φάση αντιδραστηρίου αποτελεί σημαντικό πρόβλημα στη χημεία διεργασιών γαλακτωμάτων, καθώς οι δύο φάσεις αντιδρούν μεταξύ τους μόνο στη διεπιφάνεια. Χωρίς υπερήχους, αυτό οδηγεί σε χαμηλούς ρυθμούς αντίδρασης και αργή κινητική μετατροπής σε διφασικά συστήματα.
Όταν το ένθετο χρησιμοποιείται με αντιδραστήρα υπερήχων, η σπηλαίωση παράγει υδραυλική διάτμηση υψηλής έντασης και διασπά την εγχεόμενη φάση σε σταγονίδια υπομικρομετρικού και νανομετρικού μεγέθους. Καθώς η ειδική επιφάνεια του ορίου μεταξύ των φάσεων επηρεάζει την ταχύτητα της χημικής αντίδρασης, αυτή η σημαντική μείωση της διαμέτρου των σταγονιδίων βελτιώνει την κινητική της αντίδρασης και ενδέχεται να μειώσει ή να εξαλείψει την ανάγκη για παράγοντες μεταφοράς φάσης. Το ποσοστό κατ’ όγκο της εγχεόμενης φάσης ενδέχεται να μειωθεί, επειδή τα γαλακτώματα με λεπτότερα σταγονίδια χρειάζονται μικρότερο όγκο για να παρέχουν την ίδια επιφάνεια επαφής με την άλλη φάση αντιδραστηρίου.
Η χρήση αυτού του ενθέτου ενδέχεται να μειώσει την απαιτούμενη ποσότητα αμφίφιλων καταλυτών γαλακτώματος ή καταλυτών μεταφοράς φάσης (PTC), όπως τα άλατα τεταρτοταγούς αμμωνίου με τη μοναδική τους ικανότητα να διαλύονται τόσο σε υδατικά όσο και σε οργανικά υγρά.

Ενισχυμένη μεταφορά μάζας για χημικές αντιδράσεις

Όταν δύο φάσεις αντιδραστηρίων αντιδρούν σε μια διεπιφάνεια φάσεων, τα προϊόντα της αντίδρασης συσσωρεύονται στην επιφάνεια των σταγονιδίων και εμποδίζουν την αλληλεπίδραση των φάσεων των αντιδραστηρίων στη διεπιφάνεια. Η υδραυλική διάτμηση που προκαλείται από την υπερηχητική σπηλαίωση έχει ως αποτέλεσμα τυρβώδη ροή και μεταφορά ύλης από και προς τις επιφάνειες των σταγονιδίων και οδηγεί σε επανειλημμένη συνένωση και επακόλουθο σχηματισμό νέων σταγονιδίων. Καθώς η αντίδραση εξελίσσεται με τον χρόνο, η κατεργασία με υπερήχους μεγιστοποιεί την έκθεση και την αλληλεπίδραση των αντιδραστηρίων.
Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται σε πολλές διεργασίες, όπως η μετεστεροποίηση φυτικών ελαίων προς βιοντίζελ ή η σύνθεση πολυεστέρων μέσω της μετεστεροποίησης διεστέρων με διόλες για τον σχηματισμό μακρομορίων.

Παρασκευή γαλακτωμάτων / Γαλακτωματοποίηση

Αυτό το ένθετο κυψελίδας ροής βελτιώνει τη γαλακτωματοποίηση κατά την ανάμειξη μη αναμίξιμων υγρών. Αυτό οδηγεί σε μικρότερα μεγέθη σταγονιδίων και στενότερη κατανομή μεγέθους – βασικό παράγοντα για τη σταθερότητα ενός γαλακτώματος. Με αυτόν τον σχεδιασμό μπορείτε να εγχέετε και να γαλακτωματοποιείτε υγρά χαμηλού και μέσου ιξώδους ακόμη και μέσα σε υγρά υψηλού ιξώδους, όπως βαρέα καύσιμα έλαια (HFOs), πολυμερή ή πηκτώματα. Ορισμένες συνθέσεις ενδέχεται να απαιτούν την προσθήκη γαλακτωματοποιητών ή σταθεροποιητών. Σε αυτή την περίπτωση, βοηθά στην ομοιόμορφη ανάμειξη του γαλακτωματοποιητή. Εξατομικευμένοι σχεδιασμοί για την έγχυση περισσότερων από μίας φάσεων μέσω των σωληνίσκων διατίθενται κατόπιν αιτήματος.

Εκχύλιση υγρού–υγρού

Αυτό το ένθετο ενισχύει τις διεργασίες εκχύλισης υγρού–υγρού δημιουργώντας ένα λεπτόκοκκο τυρβώδες γαλάκτωμα, π.χ. μιας φάσης διαλύτη μέσα σε μια ελαιώδη φάση. Και σε αυτή την περίπτωση, αυτό αυξάνει την επιφάνεια επαφής των φάσεων και έχει ως αποτέλεσμα καλύτερη εκχύλιση και μειωμένη χρήση διαλύτη.

Γαλακτώματα καυσίμου με νερό για καθαρότερη καύση

Καύσιμα έλαια χαμηλής ποιότητας, όπως το βαρύ καύσιμο έλαιο που χρησιμοποιείται σε πλοία ή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, μπορούν να γαλακτωματοποιηθούν με νερό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αποδοτικότερη καύση και σημαντική μείωση των εκπομπών NO_x και της αιθάλης.
Διαβάστε περισσότερα για την υπερηχητική γαλακτωματοποίηση καυσίμων με νερό (καυσίμων σε μορφή γαλακτώματος)!

Καταβύθιση / Κρυστάλλωση με υπερήχους

Χρωστικές ή νανοσωματίδια μπορούν να παραχθούν με προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω μέσω καταβύθισης σε υγρά. Σε αυτή την περίπτωση, ένα υπερκορεσμένο μείγμα αρχίζει να σχηματίζει στερεά σωματίδια ή κρυστάλλους από το υλικό υψηλής συγκέντρωσης. Αυτά τα σωματίδια αναπτύσσονται έως ένα ορισμένο σημείο και τελικά καταβυθίζονται. Για τον έλεγχο του μεγέθους και της μορφολογίας των σωματιδίων/κρυστάλλων, είναι απαραίτητος ο έλεγχος της ανάμειξης των πρόδρομων ουσιών/αντιδραστηρίων.
Γενικά, η διεργασία καταβύθισης περιλαμβάνει: ανάμειξη, υπερκορεσμό, πυρηνογένεση, ανάπτυξη σωματιδίων και συσσωμάτωση. Η τελευταία αποφεύγεται με χαμηλή συγκέντρωση στερεών ή με σταθεροποιητικούς παράγοντες. Η ανάμειξη είναι κρίσιμη, καθώς στις περισσότερες διεργασίες καταβύθισης η ταχύτητα της αντίδρασης είναι πολύ υψηλή. Το InsertMPC48 συνδυάζει ταχείς, στενούς πίδακες έγχυσης με ισχυρή διάτμηση λόγω υπερηχητικής σπηλαίωσης. Αυτό μεγιστοποιεί την ταχύτητα και την απόδοση της ανάμειξης, δημιουργώντας περισσότερα και μικρότερα σωματίδια.

Από τις εργαστηριακές δοκιμές στην πιλοτική κλίμακα και την παραγωγή

Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει εξοπλισμό για τη δοκιμή, την επαλήθευση και την αξιοποίηση αυτής της τεχνολογίας σε οποιαδήποτε κλίμακα. Η ιδέα μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε υφιστάμενες διεργασίες.

1. Τροφοδοτήστε τη φάση A στη θύρα εισόδου υγρού στο κάτω μέρος της κυψελίδας ροής
2. Τροφοδοτήστε τη φάση B στη μικρότερη θύρα ή στις μικρότερες θύρες εισόδου υγρού στο πλάι της κυψελίδας ροής. Αυτή η τροφοδοσία θα εγχυθεί στην περιοχή σπηλαίωσης μέσω 48 λεπτών σωλήνων
3. Ρυθμίστε την πίεση του αντιδραστήρα χρησιμοποιώντας μια βαλβίδα αντίθλιψης στη θύρα εξόδου της κυψελίδας ροής

Σε επιτραπέζια κλίμακα, η συσκευή υπερήχων UIP1000hdT ισχύος 1kW μπορεί να επεξεργαστεί παροχές από 100 έως 1000L/hr (25 έως 250 gal/hr) για την επίδειξη της διεργασίας και τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων κατεργασίας με υπερήχους. Οι επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher έχουν σχεδιαστεί για γραμμική κλιμάκωση σε μεγαλύτερους όγκους επεξεργασίας σε πιλοτική κλίμακα ή σε κλίμακα παραγωγής. Ο παρακάτω πίνακας παραθέτει τους όγκους επεξεργασίας και τα συνιστώμενα μεγέθη εξοπλισμού.