MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 para celda de flujo ultrasónica

El inserto MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) 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 directamente en la zona de cavitación. Esto genera gotas suspendidas o burbujas de gas muy pequeñas, con una superficie específica muy elevada.

Este inserto es especialmente útil en la química de emulsiones, por ejemplo, en reacciones de transferencia de fase, catálisis de 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 sonocristalización. Este inserto está diseñado para los reactores de celda de flujo de Hielscher y permite el procesamiento por lotes o en continuo.

Uno y 48 puertos de inyección

La sonicación es un método 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 en la zona de cavitación, este inserto de celda de flujo mejora la combinación de las dos fases. Cuando se inyecta un líquido a través de las 48 cánulas finas, entra en la celda de flujo en forma de filamentos muy estrechos. El inserto utiliza 48 cánulas médicas muy finas con diámetros internos de 0,3 mm a 1,2 mm. Estas cánulas se pueden sustituir fácilmente y son un consumible de bajo coste (estéril, aprox. 2ct/pc). La cavitación ultrasónica (a 20 kHz) fragmenta los 48 filamentos de líquido entrantes en pequeñas gotas cuando penetran en la fase líquida de la celda de flujo.
El diseño aplica la misma presión de alimentación desde un único suministro a las 48 cánulas para igualar el caudal entre ellas.

48 puertos de entrada al reactor ultrasónico para reacciones líquido-líquido

Usos y aplicaciones

Los reactores ultrasónicos de Hielscher se utilizan con frecuencia para emulsificar y mejorar la cinética de los procesos de transferencia de fase o las velocidades de disolución en sistemas de fases líquido-líquido. Ejemplos de estos procesos son la desulfuración oxidativa con peróxido de hidrógeno y la posterior extracción con disolvente, o la transesterificación de triglicéridos catalizada por bases.
La solubilidad limitada de una fase reactiva en otra constituye un problema importante en los procesos de química de emulsiones, ya que ambas fases solo reaccionan entre sí en la interfase. Sin ultrasonidos, esto da lugar a bajas velocidades de reacción y a una cinética de conversión lenta en los sistemas bifásicos.
Al utilizar el inserto con un reactor ultrasónico, la cavitación produce un intenso cizallamiento hidráulico y fragmenta la fase inyectada en gotas submicrométricas y nanométricas. Dado que la superficie específica de la interfase influye en la velocidad de la reacción química, 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 volumétrico de la fase inyectada puede reducirse, porque 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 anfifílicos de emulsión o catalizadores de transferencia de fase (PTC), como las sales de amonio cuaternario, con su singular capacidad de disolverse tanto en líquidos acuosos como orgánicos.

Mejora de la transferencia de masa en reacciones químicas

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

Emulsificar / Emulsificación

Este inserto de celda de flujo mejora la emulsificación al mezclar líquidos inmiscibles. Esto da lugar a gotas más pequeñas y a una distribución de tamaños más estrecha – un factor clave para la estabilidad de una emulsión. Con este diseño se pueden inyectar y emulsificar líquidos de viscosidad baja y media incluso en líquidos de alta viscosidad, como fuelóleos pesados (HFOs), polímeros o geles. Algunas formulaciones pueden requerir la adición de emulsionantes o estabilizantes. En estos casos, resulta útil mezclar el emulsionante de manera uniforme. Se ofrecen bajo pedido diseños personalizados para la inyección de más de una fase a través de las cánulas.

Extracción líquido-líquido

Este inserto mejora los procesos de extracción líquido-líquido al generar una emulsión turbulenta de gotas finas, por ejemplo, de una fase de disolvente en una fase oleosa. Esto también aumenta la superficie de contacto entre las fases y permite una mejor extracción con un menor consumo de disolvente.

Combustibles emulsionados con agua para una combustión más limpia

Los fuelóleos de baja calidad, como el fuelóleo pesado utilizado en buques o para la generación de energía, se pueden emulsificar con agua. Esto permite una combustión más eficiente y una reducción significativa de las emisiones de NO_x y del hollín.
¡Más información sobre la emulsificación ultrasónica de combustibles con agua (combustibles emulsionados)!

Precipitación / Sonocristalización

Los pigmentos o las nanopartículas se pueden generar mediante un enfoque ascendente por precipitación en líquidos. En este caso, una mezcla sobresaturada comienza a formar partículas sólidas o cristales a partir del material altamente concentrado. Estas partículas crecen hasta cierto punto y finalmente precipitan. Para controlar el tamaño y la morfología de las partículas o los cristales, es esencial controlar la mezcla de precursores y reactivos.
En general, el proceso de precipitación comprende: mezcla, sobresaturación, nucleación, crecimiento de partículas y aglomeración. Esta última se evita mediante una baja concentración de sólidos o mediante agentes estabilizantes. La mezcla es fundamental, ya que en la mayoría de los procesos de precipitación la velocidad de reacción es muy alta. El InsertMPC48 combina chorros inyectados estrechos y rápidos con un intenso cizallamiento generado por la cavitación ultrasónica. Esto maximiza la velocidad y la eficacia de la mezcla, y genera una mayor cantidad de partículas de menor tamaño.

De los ensayos 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 se integra fácilmente en los procesos existentes.

1. Introduzca la fase A por el puerto de entrada de líquido situado en la parte inferior de la celda de flujo
2. Introduzca la fase B por el puerto o los puertos de entrada de líquido más pequeños situados en el lateral de la celda de flujo. Esta corriente de alimentación se inyectará en la zona de cavitación a través de 48 tubos finos
3. Ajuste la presión del reactor mediante una válvula de contrapresión en el puerto de salida de la celda de flujo

A escala de laboratorio, el sonicador de sobremesa UIP1000hdT de 1 kW puede procesar caudales de 100 a 1000 L/hr (25 a 250 gal/hr) para demostrar el proceso y optimizar los parámetros de sonicación. Los procesadores ultrasónicos de Hielscher están diseñados para un escalado lineal a mayores volúmenes de procesamiento a escala piloto o de producción. La tabla siguiente presenta los volúmenes de procesamiento y los tamaños de equipo recomendados.