MultiPhaseCavitator: Accesorio para el reactor de flujo ultrasónico

El MultiPhaseCavitator Insert (InsertMPC48) está diseñado para mejorar el procesamiento ultrasónico de mezclas líquido/líquido o líquido/gas. 48 cánulas muy finas inyectan líquido o gas en una fase líquida justo en la zona de cavitación. Esto crea gotas en suspensión muy pequeñas o burbujas de gas que producen una superficie específica muy elevada.

Este inserto es especialmente útil para la química de emulsiones, como las reacciones por transferencia de fase, Catálisis por transferencia de fase (PTC) o extracción líquido-líquido. Otro campo de aplicación interesante es la precipitación de partículas a partir de dos precursores líquidos o la sono-cristalización. Este inserto está diseñado para reactores de celda de flujo de Hielscher y permite el procesamiento por lotes o en continuo.

Uno y 48 puertos de inyección

La ultrasonicación es un medio eficaz para la emulsificación y la mezcla. A diferencia de la configuración convencional, en la que las fases separadas se combinan antes de entrar en la celda de flujo y la cavitación, este inserto de celda de flujo mejora la combinación de las dos fases. Cuando se inyecta un líquido a través de las 48 finas cánulas, éste entra en la celda de flujo en filamentos muy estrechos. El inserto utiliza 48 cánulas médicas muy finas con diámetros interiores de 0,3 mm a 1,2 mm. Estas cánulas pueden sustituirse fácilmente y son un consumible de bajo coste (estéril, aprox. 2ct/pc). La cavitación ultrasónica (a 20 kHz) corta los 48 filamentos líquidos entrantes en pequeñas gotitas cuando entran en la fase líquida de la célula de flujo.
El diseño aplica la misma presión de alimentación desde un suministro a las 48 cánulas para nivelar el flujo entre las cánulas.

48 puertos de entrada en el reactor ultrasónico para reacciones líquido-líquido

Usos y aplicaciones

Los reactores ultrasónicos de Hielscher se utilizan a menudo para emulsionar, mejorar la cinética de los procesos de transferencia de fase o las velocidades de disolución en sistemas de fase líquido-líquido. Ejemplos de estos procesos son la desulfuración oxidativa con peróxido de hidrógeno y posterior extracción con disolventes o la transesterificación de triglicéridos catalizada por bases.
La solubilidad limitada de una fase reactiva en otra es un problema importante en la química de las emulsiones de proceso, ya que ambas fases reaccionan entre sí sólo en la interfase. Sin ultrasonidos, esto se traduce en bajas velocidades de reacción y una cinética de conversión lenta en los sistemas bifásicos.
Utilizando el inserto con un reactor ultrasónico, la cavitación produce un alto cizallamiento hidráulico y rompe la fase inyectada en gotas de tamaño submicrónico y nanométrico. Como la superficie específica del límite de fase influye en la velocidad química de reacción, esta reducción significativa del diámetro de las gotas mejora la cinética de reacción y puede reducir o eliminar la necesidad de agentes de transferencia de fase. El porcentaje de volumen de la fase inyectada puede reducirse, ya que las emulsiones más finas necesitan menos volumen para proporcionar la misma superficie de contacto con la otra fase reactiva.
El uso de este inserto puede reducir la cantidad necesaria de catalizadores de emulsión anfifílicos o catalizadores de transferencia de fase (PTC)La tecnología del amonio cuaternario, con su capacidad única de disolverse tanto en líquidos acuosos como orgánicos.

Transferencia de masa mejorada para reacciones químicas

Cuando dos fases reactivas reaccionan en un límite de fase, los productos de la reacción se acumulan en la superficie de la gota e impiden que las fases reactivas interactúen en la interfaz. El cizallamiento hidráulico provocado por la cavitación ultrasónica da lugar a un flujo turbulento y al transporte de material desde y hacia las superficies de las gotas, y conduce a la coalescencia repetida y a la posterior formación de nuevas gotas. A medida que la reacción avanza en el tiempo, la sonicación maximiza la exposición e interacción de los reactivos.
Este efecto se utiliza en muchos procesos, como la transesterificación de aceites vegetales a biodiésel o la síntesis de poliésteres mediante la transesterificación de diésteres con dioles para formar macromoléculas.

Emulsionar / Emulsificación

Este inserto de celda de flujo mejora la emulsificación al mezclar líquidos inmiscibles. Esto conduce a tamaños de gota más pequeños y a una distribución de tamaños más estrecha – factor clave para la estabilidad de una emulsión. Con este diseño se pueden inyectar y emulsionar líquidos de viscosidad baja y media incluso en líquidos de viscosidad alta, como fuelóleos pesados (HFO), polímeros o geles. Algunas formulaciones pueden requerir la adición de emulsionantes o estabilizadores. En este caso, resulta útil mezclar el emulsionante de manera uniforme. Se pueden solicitar diseños personalizados para la inyección de más de una fase a través de las cánulas.

extracción líquido-líquido

Este inserto potencia los procesos de extracción líquido-líquido al crear una emulsión turbulenta de tamaño fino, por ejemplo, de una fase de disolvente en una fase oleosa. De nuevo, esto aumenta la superficie de contacto de las fases y se traduce en una mejor extracción y un menor uso de disolventes.

Aqua-Fuels para una combustión más limpia

Los fuelóleos de baja calidad, como el fuelóleo pesado utilizado en los buques o en la generación de energía, pueden emulsionarse con agua. El resultado es una combustión más eficiente y una reducción significativa de las emisiones de NO_x y el hollín.
Más información sobre la emulsificación ultrasónica de acuicombustibles (emulsiones-combustibles).

Precipitación / Sono-Cristalización

Los pigmentos o las nanopartículas pueden generarse de abajo arriba por precipitación en líquidos. En este caso, una mezcla sobresaturada empieza a formar partículas sólidas o cristales a partir del material altamente concentrado. Estas partículas crecerán hasta cierto punto y finalmente precipitarán. Para controlar el tamaño y la morfología de las partículas/cristales, es esencial controlar la mezcla de precursor/reactivo.
En general, el proceso de precipitación implica: Mezcla, sobresaturación, nucleación, crecimiento de partículas y aglomeración. Esta última se evita con una baja concentración de sólidos o con agentes estabilizadores. La mezcla es crítica; como en la mayoría de los procesos de precipitación, la velocidad de la reacción es muy alta. El InsertMPC48 combina chorros inyectados rápidos y estrechos con un fuerte cizallamiento cavitacional ultrasónico. Esto maximiza la velocidad de mezcla y el rendimiento, creando más partículas y más pequeñas.

De las pruebas de laboratorio a la escala piloto y la producción

Hielscher Ultrasonics ofrece equipos para probar, verificar y utilizar esta tecnología a cualquier escala. El concepto es fácil de incorporar a los procesos existentes.

1. Introducir la fase A en el orificio de entrada de líquido situado en la parte inferior de la celda de flujo
2. Alimentar la fase B en el puerto de entrada de líquido más pequeño (s) en el lado de la celda de flujo. Esta alimentación se inyectará en la zona de cavitación a través de 48 tubos finos
3. Ajustar la presión del reactor utilizando una válvula de contrapresión en el puerto de salida de la celda de flujo.

A nivel de banco a UIP1000hd (1kW) pueden procesar caudales de 100 a 1000L/hr (25 a 250 gal/hr) para la demostración del proceso y para la optimización de los parámetros de sonicación. Los procesadores por ultrasonidos de Hielscher están diseñados para un escalado lineal a mayores volúmenes de procesado a escala piloto o de producción. En la tabla siguiente se indican los volúmenes de procesamiento y los tamaños de equipo recomendados.