MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 ultraheli läbivoolukambrile

MultiPhaseCavitator Insert (Insert MPC48) on loodud vedelik/vedelik- või vedelik/gaas-segude ultraheli töötluse parandamiseks. 48 väga peent kanüüli süstivad vedelikku või gaasi vedelasse faasi otse kavitatsioonitsoonis. See tekitab väga väikesed hõljuvad tilgad või gaasimullid, mille eripind on väga suur.

See insert on eriti kasulik emulsioonikeemias, näiteks faasidevaheliste ülekandereaktsioonide, faasidevahelise ülekandekatalüüsi (PTC) või vedelik-vedelik-ekstraktsiooni puhul. Teine huvitav kasutusvaldkond on osakeste sadestamine kahest vedelast lähteainest või sonokristalliseerimine. See insert on mõeldud Hielscheri läbivoolukamber-reaktoritele ja võimaldab partii- või pidevtöötlust.

Üks ja 48 süstimisava

Ultraheli töötlus on tõhus vahend emulgeerimiseks ja segamiseks. Erinevalt tavapärasest lahendusest, kus eraldi faasid ühendatakse enne läbivoolukambrisse ja kavitatsioonitsooni jõudmist, parandab see läbivoolukambri insert kahe faasi kombineerimist. Kui vedelikku süstitakse läbi 48 peene kanüüli, siseneb see läbivoolukambrisse väga kitsaste joadena. Insert kasutab 48 väga peent meditsiinilist kanüüli, mille siseläbimõõt on 0,3 mm kuni 1,2 mm. Neid kanüüle saab hõlpsasti vahetada ja need on odav kulumaterjal (steriilne, ca 2 senti/tk). Ultraheli kavitatsioon (sagedusel 20 kHz) lõikab 48 sissetulevat vedelikujuga väikesteks tilkadeks, kui need satuvad läbivoolukambris vedelasse faasi.
Konstruktsioon rakendab kõigile 48 kanüülile ühest toitest sama etteandesurvet, et ühtlustada voolu kanüülide vahel.

InsertMPC48 läbivoolukambriga reaktorile

48 sisenemisava ultraheli reaktorisse vedelik-vedelik-reaktsioonide jaoks

Näitab Multi-Phase-Cavitatori faaside sissepritse detaili

Süstimine ultraheli multiphasecavitatorisse

InsertMPC48 – 48 peent kanüüli lõpevad kavitatsioonitsoonis

Ultraheli läbivoolukamber-reaktor FC100L1K-1S koos InsertMPC48-ga

Kasutusalad ja rakendused

Ultraheli segamine emulsioonikeemia jaoks Hielscheri ultraheli reaktoreid kasutatakse sageli emulgeerimiseks, faasidevahelise ülekandeprotsessi kineetika või lahustumiskiiruse parandamiseks vedelik-vedelik-faasisüsteemides. Näideteks sellistest protsessidest on oksüdatiivne väävlitustamine vesinikperoksiidiga ja sellele järgnev lahustiekstraktsioon või triglütseriidide aluskatalüütiline transesterdamine.
Ühe reagendifaasi piiratud lahustuvus teises reagendifaasis on emulsioonikeemia protsessides oluline probleem, kuna mõlemad faasid reageerivad omavahel ainult faasidevahelisel piirpinnal. Ilma ultrahelita põhjustab see kahefaasilistes süsteemides madalaid reaktsioonikiirusi ja aeglast muundumiskineetikat.
Inserti kasutamisel koos ultraheli reaktoriga tekitab kavitatsioon suure hüdraulilise nihke ja purustab süstitud faasi submikromeetrilisteks ja nanomõõtmetega tilkadeks. Kuna faasipiiri eripind mõjutab keemilise reaktsiooni kiirust, parandab tilga läbimõõdu selline oluline vähenemine reaktsioonikineetikat ning võib vähendada faasidevahelise ülekande agensite vajadust või need üleliigseks muuta. Süstitud faasi mahuprotsenti võib olla võimalik vähendada, sest peenemad emulsioonid vajavad teise reagendifaasiga sama kontaktpinna tagamiseks vähem mahtu.
Selle inserti kasutamine võib vähendada vajalikku kogust amfifiilseid emulsioonikatalüsaatoreid või faasidevahelise ülekande katalüsaatoreid (PTC), näiteks kvaternaarseid ammooniumsooli, mis suudavad ainulaadselt lahustuda nii vesi- kui ka orgaanilistes vedelikes.

Täiustatud massiülekanne keemiliste reaktsioonide jaoks

Kui kaks reagendifaasi reageerivad faaside piirpinnal, kogunevad reaktsiooniproduktid tilga pinnale ja takistavad reagendifaaside vastasmõju piirpinnal. Ultraheli kavitatsioonist tingitud hüdrauliline nihe tekitab turbulentse voolu ning aine transpordi tilkade pindadele ja pindadelt ning viib korduva koalestsentsi ja sellele järgneva uute tilkade tekkeni. Reaktsiooni edenedes aja jooksul maksimeerib ultraheli töötlus (sonikeerimine) reagentide kokkupuudet ja vastasmõju.
Seda efekti kasutatakse paljudes protsessides, näiteks taimeõlide transesterdamisel biodiislikütuseks või polüestrite sünteesil diestrite transesterdamise teel diooldega, mille tulemusena tekivad makromolekulid.

Emulgeerimine / emulsioonide valmistamine

See läbivoolukambri lisand parandab emulgeerimist segunematute vedelike segamisel. See toob kaasa väiksemad tilgasuurused ja kitsama suurusjaotuse – emulsiooni stabiilsuse võtmetegur. Selle konstruktsiooniga saab madala ja keskmise viskoossusega vedelikke sisse juhtida ja emulgeerida isegi kõrge viskoossusega vedelikesse, näiteks raskekütteõlidesse (HFO), polümeeridesse või geelidesse. Mõned koostised võivad vajada emulgaatorite või stabilisaatorite lisamist. Sel juhul aitab see emulgaatorit ühtlaselt segada. Kohandatud lahendused enam kui ühe faasi sissejuhtimiseks läbi kanüülide on saadaval soovi korral.

Vedelik-vedelik-ekstraktsioon

See lisand tõhustab vedelik-vedelik-ekstraktsiooni protsesse, tekitades peenedisperssest turbulentse emulsiooni, nt lahustifaasist õlifaasis. Ka see suurendab faaside kokkupuutepinda ning annab parema ekstraktsiooni ja väiksema lahustikulu.

Vesikütused puhtamaks põlemiseks

Madala kvaliteediga kütteõlisid, näiteks laevadel või elektritootmiseks kasutatavat raskekütteõli, saab emulgeerida veega. See annab tõhusama põlemise ning NO_x heitmete ja tahma olulise vähenemise.
Loe lähemalt vesikütuste (emulsioonkütuste) ultraheliemulgeerimise kohta!

Sadestamine / sonokristallimine

Pigmente või nanoosakesi saab tekitada alt üles sadestamise teel vedelikes. Sel juhul hakkab üleküllastunud segu moodustama tahkeid osakesi või kristalle suure kontsentratsiooniga materjalist. Need osakesed kasvavad teatud punktini ja sadenevad lõpuks. Osakeste/kristallide suuruse ja morfoloogia kontrollimiseks on oluline kontrollida lähteaine/reagendi segamist.
Üldiselt hõlmab sadestamisprotsess järgmist: segamine, üleküllastumine, tuumade teke, osakeste kasv ja aglomeratsioon. Viimast väldib madal tahke aine kontsentratsioon või stabiliseerivad ained. Segamine on kriitiline, sest enamiku sadestamisprotsesside puhul on reaktsioonikiirus väga suur. InsertMPC48 ühendab kiired kitsad sissepritsutavad joad tugeva ultraheli kavitatsioonilise nihkega. See maksimeerib segamiskiiruse ja -jõudluse, tekitades rohkem ja väiksemaid osakesi.

Fe3O4 (magnetiit) osakeste suurusjaotus, mis on tekitatud pidevas ultraheli sadestamisreaktsioonis (Banert et al., 2004).

Laborikatsetest pilootmahuni ja tootmiseni

Hielscher Ultrasonics pakub seadmeid selle tehnoloogia katsetamiseks, kontrollimiseks ja kasutamiseks igas mastaabis. Kontseptsiooni on lihtne integreerida olemasolevatesse protsessidesse.

Juhtige faas A vedeliku sisselaskeavasse läbivoolukambri põhjas
Juhtige faas B väiksemasse vedeliku sisselaskeavasse (-avadesse) läbivoolukambri küljel. See vool juhitakse kavitatsioonitsooni läbi 48 peene toru
Reguleerige reaktori rõhku läbivoolukambri väljalaskeavas oleva vastusurveklapi abil

Töölaua tasemel saab 1 kW sonikaator UIP1000hdT töödelda vooluhulki 100 kuni 1000 L/h (25 kuni 250 gal/h) protsessi demonstreerimiseks ja ultraheli töötluse (sonikeerimise) parameetrite optimeerimiseks. Hielscher ultraheliprotsessorid on mõeldud lineaarseks mastaapimiseks suuremate töödeldavate mahtudeni pilooti- või tootmismastaabis. Allolev tabel loetleb töödeldavad mahud ja soovitatavad seadmesuurused.

Partii maht	Vooluhulk	Soovitatavad seadmed
0,2L	0,25 kuni 2m³/h	UIP1000hdT, UIP2000hdT
0,2L	1 kuni 8m³/h	UIP4000hdT
n.a.	4 kuni 30m³/h	UIP16000hdT
n.a.	üle 30m³/h	klaster, mis koosneb seadmetest UIP10000 või UIP16000hdT

Korduma kippuvad küsimused MultiPhaseCavitatori kohta – ultraheli läbivoolukambri sisetükk MPC48

Mis on MultiPhaseCavitator Insert (läbivoolukambri sisetükk MPC48)? 

MultiPhaseCavitator Insert (InsertMPC48) on läbivoolukambri sisetükk, mis on mõeldud vedelik/vedelik- või vedelik/gaas-segude ultraheli töötlemise parandamiseks. See kasutab 48 väga peent kanüüli, mis süstivad vedelikku või gaasi vedelasse faasi otse kavitatsioonitsoonis, tekitades väga väikesed hõljuvad tilgad või gaasimullid suure eripindalaga.

Mida tähendab MPC48?

MPC on MultiPhaseCavitatori lühend. Number 48 näitab, et sisetükil on 48 kanüüli süstekohtadena. Soovi korral saab läbivoolukambri sisetüki varustada rohkema või vähema arvu kanüülidega.

 Kuidas läbivoolukambri sisetükk MPC48 töötab?

 Kui vedelikku süstitakse läbi 48 peene meditsiinilise kanüüli (siseläbimõõt 0,3 mm kuni 1,2 mm), siseneb see läbivoolukambrisse väga kitsaste joadena. Ultraheli kavitatsioon sagedusel 20 kHz lõikab need sissetulevad joad väikesteks tilkadeks, kui need vedelasse faasi sisenevad. Konstruktsioon rakendab kõigile 48 kanüülile ühest toitest sama etteandesurvet, et vooluhulka kanüülide vahel tasandada.

 Milliste rakenduste jaoks sobib MultiPhaseCavitator Insert kõige paremini?

 See on eriti kasulik emulsioonikeemias, näiteks faasidevaheliste ülekandereaktsioonide, faasidevahelise ülekandekatalüüsi (PTC) ja vedelik-vedelik-ekstraktsiooni puhul. See sobib hästi ka osakeste sadestamiseks kahest vedelast lähteainest ning sonokristallimiseks. Sisetükk on mõeldud Hielscheri läbivoolukambriga reaktoritele ja võimaldab perioodilist või pidevat töötlemist.

 Kuidas MPC48 sisetükk parandab faasidevahelisi ülekandereaktsioone?

 Kuna ühe reagendifaasi piiratud lahustuvus teises piirab reaktsiooni faasidevahelisele piirpinnale, on kahefaasilistes süsteemides ilma ultraheli kasutamata sageli madal reaktsioonikiirus. Sisetüki kasutamisel tekitab kavitatsioon tugeva hüdraulilise nihke ning purustab süstitava faasi submikromeetri- ja nanomõõtmetega tilkadeks. See tilkade läbimõõdu märkimisväärne vähenemine parandab reaktsioonikineetikat ning võib vähendada faasidevaheliste ülekandeagensite vajadust või need üleliigseks muuta.

 Kas sisetükk saab vähendada vajaliku katalüsaatori kogust? 

Jah. Sisetükk võib vähendada vajalikku amfifiilsete emulsioonikatalüsaatorite või faasidevaheliste ülekandekatalüsaatorite (PTC) kogust, näiteks kvaternaarsete ammooniumisoolade puhul, kuna peenemad emulsioonid vajavad teise reagendifaasiga sama kontaktpinna tagamiseks vähem mahtu.

 Kuidas see parandab massiülekannet keemilistes reaktsioonides? 

Reaktsiooniproduktid võivad koguneda tilga pinnale ja blokeerida reagentide vastasmõju piirpinnal. Ultraheli kavitatsioonist tulenev hüdrauliline nihe tekitab turbulentse voolu ja materjali transpordi tilkade pindadele ja nendelt eemale, mis põhjustab korduvat koalestsentsi ja uute tilkade teket. Aja jooksul maksimeerib ultraheli töötlus (sonikeerimine) reagentide kokkupuudet ja vastasmõju – seda kasutatakse sellistes protsessides nagu taimeõlide transesterdamine biodiislikütuseks või polüestrite süntees.

 Kas sisetükk on tõhus vedelik-vedelik-ekstraktsiooniks?

 Jah. Sisetükk tõhustab vedelik-vedelik-ekstraktsiooni, tekitades peenedisperssegu turbulentse emulsiooni, näiteks lahustifaasi õlifaasis. See suurendab faaside kontaktpinda ning annab parema ekstraktsiooni väiksema lahustikuluga.

 Kas seda saab kasutada vee-kütuse emulsioonide (aqua-fuels) jaoks? 

Jah. Madalakvaliteedilisi kütteõlisid, näiteks laevadel või elektritootmiseks kasutatavat rasket kütteõli, saab emulgeerida veega. See toob kaasa tõhusama põlemise ning NOx-heitmete ja tahma märkimisväärse vähenemise.
Avastage vee-kütuse emulsioonide (aqua-fuels) ultraheliemulgeerimise eeliseid!

 Kuidas sisetükk aitab sadestamisel ja sonokristallimisel? 

Pigmente või nanoosakesi saab genereerida alt üles põhimõttel vedelikes sadestamise teel. Insert MPC48 ühendab kiired kitsad sissepritsutavad joad tugeva ultrahelikavitatsioonilise nihkega, mis maksimeerib segamiskiirust ja -tõhusust ning tekitab rohkem ja väiksemaid osakesi. Kuna paljude sadestamisreaktsioonide kiirus on väga suur, on lähteaine/reagendi segamise kontrollimine oluline ning insert aitab kontrollida osakeste/kristallide suurust ja morfoloogiat.

 Kas kanüülid on kulumaterjalid? 

Jah. 48 peent meditsiinilist kanüüli on lihtsalt vahetatavad ja on odav kulumaterjal (steriilne, ca 2 ct/tk). Need kanüülid on standardsed kulumaterjalid ja neid saab hõlpsasti kohapealt hankida. Kohandatud lahendused rohkem kui ühe faasi sissepritseks läbi kanüülide on saadaval nõudmisel.
Kuidas seadistada läbivoolukambrit koos InsertMPC48-ga? Kontseptsiooni on lihtne olemasolevatesse protsessidesse integreerida: suunake faas A läbivoolukambri põhjas olevasse vedeliku sisselaskeavasse, suunake faas B külgedel asuvasse väiksemasse vedeliku sisselaskeavasse (sisselaskeavadesse) (süstitakse kavitatsioonitsooni läbi 48 peene toru) ning reguleerige reaktori rõhku läbivoolukambri väljalaskeavas oleva vastusurveventiiliga.

 Millised skaleerimisvõimalused ja seadmesuurused on saadaval?

 Hielscher pakub seadmeid selle tehnoloogia testimiseks, kontrollimiseks ja kasutamiseks igas mastaabis, lineaarse skaleerimisega laborimastaabist pilootmastaapi ja tootmiseni. Näiteks UIP1000hd (1 kW) suudab töödelda 100–1 000 L/hr demonstratsiooniks ja parameetrite optimeerimiseks; soovitatavad seadmed ulatuvad mudelitest UIP1000hd/UIP2000hd mudeliteni UIP4000 ja UIP16000, kusjuures vooluhulkade puhul üle 30 m³/hr kasutatakse klastreid, mis koosnevad seadmetest UIP10000 või UIP16000. 

Ultraheli läbivoolukambri insert MPC48 – MultiPhaseCavitator