MultiPhaseCavitator – قطعهٔ الحاقی MPC48 برای سلول جریان فراصوتی
قطعهٔ الحاقی MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) برای بهبود پردازش فراصوتی مخلوط‌های مایع/مایع یا مایع/گاز طراحی شده است. 48 کانولای بسیار ظریف، مایع یا گاز را مستقیماً در ناحیهٔ کاویتاسیون به یک فاز مایع تزریق می‌کنند. این کار قطرات معلق یا حباب‌های گاز بسیار کوچکی ایجاد می‌کند که سطح ویژهٔ بسیار بالایی دارند.
این قطعهٔ الحاقی به‌ویژه برای شیمی امولسیون، مانند واکنش‌های انتقال فاز، مفید است؛ همچنین برای کاتالیز انتقال فاز (PTC) یا استخراج مایع–مایع کاربرد دارد. یکی دیگر از حوزه‌های کاربردی جالب، رسوب‌دهی ذرات از دو پیش‌مادهٔ مایع یا تبلور فراصوتی است. این قطعهٔ الحاقی برای راکتورهای سلول جریان Hielscher طراحی شده و امکان پردازش ناپیوسته یا پیوسته را فراهم می‌کند.
یک و 48 درگاه تزریق
فراصوت‌دهی روشی مؤثر برای امولسیون‌سازی و اختلاط است. در آرایش متداول، فازهای مجزا پیش از ورود به سلول جریان و ناحیهٔ کاویتاسیون با هم ترکیب می‌شوند؛ این قطعهٔ الحاقی سلول جریان، ترکیب دو فاز را بهبود می‌دهد. هنگامی که مایعی از طریق 48 کانولای ظریف تزریق می‌شود، به‌شکل رشته‌های بسیار باریک وارد سلول جریان می‌شود. این قطعهٔ الحاقی از 48 کانولای پزشکی بسیار ظریف با قطر داخلی از 0٫3mm تا 1٫2mm استفاده می‌کند. این کانولاها به‌راحتی قابل تعویض‌اند و اقلام مصرفی کم‌هزینه‌ای هستند (استریل، حدود 2ct/pc). کاویتاسیون فراصوتی (در 20kHz)، 48 رشتهٔ مایع ورودی را هنگام ورود به فاز مایع در سلول جریان به قطرات کوچک تقسیم می‌کند.
در این طراحی، فشار تغذیهٔ یکسانی از یک منبع به هر 48 کانولا اعمال می‌شود تا دبی میان کانولاها یکسان شود.
48 درگاه ورودی به راکتور فراصوتی برای واکنش‌های مایع–مایع
تزریق به کاویتاتور چندفازی فراصوتی
InsertMPC48 – انتهای 48 کانولای ظریف در ناحیهٔ کاویتاسیون قرار دارد
راکتور سلول جریان فراصوتی FC100L1K-1S همراه با InsertMPC48
موارد استفاده و کاربردها
راکتورهای فراصوتی Hielscher اغلب برای امولسیون‌سازی، بهبود سینتیک فرایند انتقال فاز یا افزایش سرعت انحلال در سامانه‌های فازی مایع–مایع استفاده می‌شوند. گوگردزدایی اکسایشی با پراکسید هیدروژن و استخراج با حلال پس از آن، یا ترانس‌استریفیکاسیون تری‌گلیسریدها با کاتالیز بازی، نمونه‌هایی از این فرایندها هستند.
حلالیت محدود یک فاز واکنشگر در فاز واکنشگر دیگر، مسئله‌ای مهم در فرایندهای شیمی امولسیون است، زیرا دو فاز فقط در سطح مشترک با یکدیگر واکنش می‌دهند. بدون فراصوت، این وضعیت به سرعت پایین واکنش و سینتیک کند تبدیل در سامانه‌های دوفازی منجر می‌شود.
با استفاده از این قطعهٔ الحاقی در یک راکتور فراصوتی، کاویتاسیون برش هیدرولیکی شدیدی ایجاد می‌کند و فاز تزریق‌شده را به قطراتی با ابعاد زیرمیکرونی و نانومتری می‌شکند. از آنجا که سطح ویژهٔ مرز فازی بر سرعت واکنش شیمیایی تأثیر دارد، این کاهش چشمگیر قطر قطرات، سینتیک واکنش را بهبود می‌دهد و ممکن است نیاز به عوامل انتقال فاز را کاهش دهد یا برطرف کند. درصد حجمی فاز تزریق‌شده را می‌توان کاهش داد، زیرا امولسیون‌های ریزتر برای تأمین همان سطح تماس با فاز واکنشگر دیگر، به حجم کمتری نیاز دارند.
استفاده از این قطعهٔ الحاقی ممکن است مقدار موردنیاز کاتالیزورهای امولسیون آمفی‌فیلیک یا کاتالیزورهای انتقال فاز (PTC) را کاهش دهد؛ مانند نمک‌های آمونیوم چهارتایی که قابلیت منحصربه‌فرد حل‌شدن در هر دو نوع مایع آبی و آلی را دارند.
تقویت انتقال جرم برای واکنش‌های شیمیایی
وقتی دو فاز واکنشگر در مرز فازی واکنش می‌دهند، محصولات واکنش روی سطح قطره انباشته می‌شوند و از برهم‌کنش فازهای واکنشگر در سطح مشترک جلوگیری می‌کنند. برش هیدرولیکی ناشی از کاویتاسیون فراصوتی، جریان آشفته و انتقال ماده از سطح قطرات و به‌سوی آن را ایجاد می‌کند و به هم‌جوشی مکرر قطرات و سپس تشکیل قطرات جدید می‌انجامد. با پیشرفت واکنش در طول زمان، فراصوت‌دهی تماس و برهم‌کنش واکنشگرها را به حداکثر می‌رساند.
این اثر در فرایندهای بسیاری به کار می‌رود؛ از جمله ترانس‌استریفیکاسیون روغن‌های گیاهی به بیودیزل یا سنتز پلی‌استرها از طریق ترانس‌استریفیکاسیون دی‌استرها با دی‌ال‌ها برای تشکیل درشت‌مولکول‌ها.
امولسیون‌کردن / امولسیون‌سازی
این قطعهٔ الحاقی سلول جریان، امولسیون‌سازی را هنگام اختلاط مایعات امتزاج‌ناپذیر بهبود می‌دهد. نتیجه، قطرات کوچک‌تر و توزیع اندازهٔ محدودتر است – عاملی کلیدی برای پایداری امولسیون. با این طراحی می‌توانید مایعات با گرانروی کم و متوسط را حتی در مایعات با گرانروی بالا، مانند نفت کوره‌های سنگین (HFOs)، پلیمرها یا ژل‌ها، تزریق و امولسیون کنید. برخی فرمولاسیون‌ها ممکن است به افزودن امولسیفایر یا پایدارکننده نیاز داشته باشند. در این صورت، این قطعه به اختلاط یکنواخت امولسیفایر کمک می‌کند. طرح‌های سفارشی برای تزریق بیش از یک فاز از طریق کانولاها، بنا به درخواست ارائه می‌شوند.
استخراج مایع–مایع
این قطعهٔ الحاقی با ایجاد امولسیونی آشفته با قطرات ریز، برای مثال از یک فاز حلال در یک فاز روغنی، فرایندهای استخراج مایع–مایع را تقویت می‌کند. این کار نیز سطح تماس فازها را افزایش می‌دهد و به استخراج بهتر و کاهش مصرف حلال منجر می‌شود.
سوخت‌های آبی برای احتراق پاک‌تر
نفت کوره‌های کم‌کیفیت، مانند نفت کورهٔ سنگین مورد استفاده در شناورهای دریایی یا برای تولید برق، قابلیت امولسیون‌شدن با آب را دارند. این کار به احتراق کارآمدتر و کاهش چشمگیر انتشار NOx و دوده منجر می‌شود.
دربارهٔ امولسیون‌سازی فراصوتی سوخت‌های آبی (سوخت‌های امولسیونی) بیشتر بخوانید!
رسوب‌دهی / تبلور فراصوتی
رنگ‌دانه‌ها یا نانوذرات را می‌توان به روش پایین‌به‌بالا و از طریق رسوب‌دهی در مایعات تولید کرد. در این حالت، یک مخلوط فوق‌اشباع شروع به تشکیل ذرات جامد یا بلورها از مادهٔ با غلظت بسیار بالا می‌کند. این ذرات تا حد معینی رشد می‌کنند و در نهایت رسوب می‌کنند. برای کنترل اندازه و ریخت‌شناسی ذرات/بلورها، کنترل اختلاط پیش‌ماده/واکنشگر ضروری است.
به‌طور کلی، فرایند رسوب‌دهی شامل اختلاط، فوق‌اشباع‌شدن، هسته‌زایی، رشد ذرات و کلوخه‌شدن است. از مورد آخر با پایین نگه‌داشتن غلظت جامد یا استفاده از عوامل پایدارکننده جلوگیری می‌شود. اختلاط نقشی حیاتی دارد، زیرا در بیشتر فرایندهای رسوب‌دهی، سرعت واکنش بسیار بالا است. InsertMPC48 جت‌های تزریقی باریک و پرسرعت را با برش شدید ناشی از کاویتاسیون فراصوتی ترکیب می‌کند. این کار سرعت و کارایی اختلاط را به حداکثر می‌رساند و ذرات بیشتر و کوچک‌تری ایجاد می‌کند.
توزیع اندازهٔ ذرات Fe3O4 (مگنتیت) تولیدشده در یک واکنش رسوب‌دهی فراصوتی پیوسته (Banert et al., 2004).
از آزمون آزمایشگاهی تا مقیاس پایلوت و تولید
Hielscher Ultrasonics تجهیزاتی برای آزمودن، اعتبارسنجی و به‌کارگیری این فناوری در هر مقیاسی ارائه می‌کند. این راهکار به‌راحتی در فرایندهای موجود قابل ادغام است.
- فاز A را به درگاه ورودی مایع در پایین سلول جریان تغذیه کنید
- فاز B را به درگاه یا درگاه‌های کوچک‌تر ورودی مایع در کنار سلول جریان تغذیه کنید. این خوراک از طریق 48 لولهٔ ظریف به ناحیهٔ کاویتاسیون تزریق می‌شود
- فشار راکتور را با استفاده از یک شیر فشار برگشتی در درگاه خروجی سلول جریان تنظیم کنید
در مقیاس رومیزی، سونیکاتور 1kW مدل UIP1000hdT می‌تواند دبی‌هایی از 100 تا 1000L/hr (25 تا 250 gal/hr) را برای نمایش عملکرد فرایند و بهینه‌سازی پارامترهای فراصوت‌دهی پردازش کند. پردازشگرهای فراصوتی Hielscher برای افزایش مقیاس خطی به حجم‌های پردازش بالاتر در مقیاس پایلوت یا تولید طراحی شده‌اند. جدول زیر حجم‌های پردازش و اندازه‌های پیشنهادی تجهیزات را نشان می‌دهد.
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫2L | 0٫25 تا 2m3/hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0٫2L | 1 تا 8m3/hr | UIP4000hdT |
| نامشخص | 4 تا 30m3/hr | UIP16000hdT |
| نامشخص | بیش از 30m3/hr | مجموعه‌ای از UIP10000 یا UIP16000hdT |
پرسش‌های متداول دربارهٔ MultiPhaseCavitator – قطعهٔ الحاقی MPC48 برای سلول جریان فراصوتی
قطعهٔ الحاقی MultiPhaseCavitator (قطعهٔ الحاقی MPC48 برای سلول جریان) چیست؟
قطعهٔ الحاقی MultiPhaseCavitator (InsertMPC48)، قطعه‌ای برای سلول جریان است که به‌منظور بهبود پردازش فراصوتی مخلوط‌های مایع/مایع یا مایع/گاز طراحی شده است. این قطعه از 48 کانولای بسیار ظریف استفاده می‌کند که مایع یا گاز را مستقیماً در ناحیهٔ کاویتاسیون به یک فاز مایع تزریق می‌کنند و قطرات معلق یا حباب‌های گاز بسیار کوچکی با سطح ویژهٔ بالا ایجاد می‌کنند.
MPC48 به چه معناست؟
MPC مخفف MultiPhaseCavitator است. عدد 48 نشان می‌دهد که این قطعهٔ الحاقی دارای 48 کانولا به‌عنوان نقاط تزریق است. بنا به درخواست، قطعهٔ الحاقی سلول جریان را می‌توان به تعداد بیشتر یا کمتری کانولا مجهز کرد.
قطعهٔ الحاقی MPC48 برای سلول جریان چگونه کار می‌کند؟
هنگامی که مایعی از طریق 48 کانولای پزشکی ظریف (با قطر داخلی از 0٫3 mm تا 1٫2 mm) تزریق می‌شود، به‌شکل رشته‌های بسیار باریک وارد سلول جریان می‌شود. کاویتاسیون فراصوتی در 20 kHz این رشته‌های ورودی را هنگام ورود به فاز مایع به قطرات کوچک تقسیم می‌کند. در این طراحی، فشار تغذیهٔ یکسانی از یک منبع به هر 48 کانولا اعمال می‌شود تا دبی میان آن‌ها یکسان شود.
قطعهٔ الحاقی MultiPhaseCavitator برای چه کاربردهایی مناسب‌تر است؟
این قطعه به‌ویژه برای شیمی امولسیون، مانند واکنش‌های انتقال فاز، کاتالیز انتقال فاز (PTC) و استخراج مایع–مایع مفید است. همچنین برای رسوب‌دهی ذرات از دو پیش‌مادهٔ مایع و تبلور فراصوتی بسیار مناسب است. این قطعهٔ الحاقی برای راکتورهای سلول جریان Hielscher طراحی شده و امکان پردازش ناپیوسته یا پیوسته را فراهم می‌کند.
قطعهٔ الحاقی MPC48 چگونه واکنش‌های انتقال فاز را بهبود می‌دهد؟
از آنجا که حلالیت محدود یک فاز واکنشگر در فاز دیگر، واکنش را به سطح مشترک محدود می‌کند، سامانه‌های دوفازی اغلب بدون فراصوت سرعت واکنش پایینی دارند. با استفاده از این قطعهٔ الحاقی، کاویتاسیون برش هیدرولیکی شدیدی ایجاد می‌کند و فاز تزریق‌شده را به قطراتی با ابعاد زیرمیکرونی و نانومتری می‌شکند. این کاهش چشمگیر قطر قطرات، سینتیک واکنش را بهبود می‌دهد و ممکن است نیاز به عوامل انتقال فاز را کاهش دهد یا برطرف کند.
آیا این قطعهٔ الحاقی می‌تواند مقدار کاتالیزور موردنیاز را کاهش دهد؟
بله. این قطعهٔ الحاقی می‌تواند مقدار موردنیاز کاتالیزورهای امولسیون آمفی‌فیلیک یا کاتالیزورهای انتقال فاز (PTC)، مانند نمک‌های آمونیوم چهارتایی، را کاهش دهد؛ زیرا امولسیون‌های ریزتر برای تأمین همان سطح تماس با فاز واکنشگر دیگر، به حجم کمتری نیاز دارند.
این قطعه چگونه انتقال جرم را در واکنش‌های شیمیایی تقویت می‌کند؟
محصولات واکنش ممکن است روی سطح قطره انباشته شوند و از برهم‌کنش واکنشگرها در سطح مشترک جلوگیری کنند. برش هیدرولیکی ناشی از کاویتاسیون فراصوتی، جریان آشفته و انتقال ماده به سطح قطرات و از آن را ایجاد می‌کند و به هم‌جوشی مکرر و تشکیل قطرات جدید می‌انجامد. با گذشت زمان، فراصوت‌دهی تماس و برهم‌کنش واکنشگرها را به حداکثر می‌رساند – اثری که در فرایندهایی مانند ترانس‌استریفیکاسیون روغن‌های گیاهی به بیودیزل یا سنتز پلی‌استرها به کار می‌رود.
آیا این قطعهٔ الحاقی برای استخراج مایع–مایع مؤثر است؟
بله. این قطعهٔ الحاقی با ایجاد امولسیونی آشفته با قطرات ریز، برای مثال از یک فاز حلال در یک فاز روغنی، استخراج مایع–مایع را تقویت می‌کند. این کار سطح تماس فازها را افزایش می‌دهد و به استخراج بهتر همراه با کاهش مصرف حلال منجر می‌شود.
آیا می‌توان از آن برای سوخت‌های آبی استفاده کرد؟
بله. نفت کوره‌های کم‌کیفیت، مانند نفت کورهٔ سنگین مورد استفاده در شناورهای دریایی یا برای تولید برق، قابلیت امولسیون‌شدن با آب را دارند. این کار به احتراق کارآمدتر و کاهش چشمگیر انتشار NOx و دوده منجر می‌شود.
با مزایای امولسیون‌سازی فراصوتی سوخت‌های آبی آشنا شوید!
این قطعهٔ الحاقی چگونه به رسوب‌دهی و تبلور فراصوتی کمک می‌کند؟
رنگ‌دانه‌ها یا نانوذرات را می‌توان به روش پایین‌به‌بالا و از طریق رسوب‌دهی در مایعات تولید کرد. Insert MPC48 جت‌های تزریقی باریک و پرسرعت را با برش شدید ناشی از کاویتاسیون فراصوتی ترکیب می‌کند؛ این کار سرعت و کارایی اختلاط را به حداکثر می‌رساند و ذرات بیشتر و کوچک‌تری ایجاد می‌کند. از آنجا که سرعت بسیاری از واکنش‌های رسوب‌دهی بسیار بالا است، کنترل اختلاط پیش‌ماده/واکنشگر ضروری است و این قطعهٔ الحاقی به کنترل اندازه و ریخت‌شناسی ذرات/بلورها کمک می‌کند.
آیا کانولاها اقلام مصرفی هستند؟
بله. این 48 کانولای پزشکی ظریف به‌راحتی قابل تعویض‌اند و اقلام مصرفی کم‌هزینه‌ای هستند (استریل، حدود 2 ct/pc). این کانولاها اقلام مصرفی استاندارد هستند و می‌توان آن‌ها را به‌راحتی از بازار محلی تهیه کرد. طرح‌های سفارشی برای تزریق بیش از یک فاز از طریق کانولاها، بنا به درخواست ارائه می‌شوند.
چگونه سلول جریان را با InsertMPC48 راه‌اندازی می‌کنید؟
این راهکار به‌راحتی در فرایندهای موجود قابل ادغام است: فاز A را به درگاه ورودی مایع در پایین سلول جریان تغذیه کنید، فاز B را به درگاه یا درگاه‌های کوچک‌تر ورودی مایع در کنار سلول جریان تغذیه کنید (از طریق 48 لولهٔ ظریف به ناحیهٔ کاویتاسیون تزریق می‌شود)، و فشار راکتور را با استفاده از یک شیر فشار برگشتی در درگاه خروجی سلول جریان تنظیم کنید.
چه گزینه‌هایی برای افزایش مقیاس و چه اندازه‌هایی از تجهیزات در دسترس هستند؟
Hielscher تجهیزاتی برای آزمودن، اعتبارسنجی و به‌کارگیری این فناوری در هر مقیاسی ارائه می‌کند که افزایش مقیاس خطی از مقیاس رومیزی تا پایلوت و تولید را امکان‌پذیر می‌سازند. برای مثال، یک UIP1000hd (1 kW) می‌تواند برای نمایش عملکرد و بهینه‌سازی پارامترها، دبی 100–1٬000 L/hr را پردازش کند؛ دستگاه‌های پیشنهادی از UIP1000hd/UIP2000hd تا UIP4000 و UIP16000 را شامل می‌شوند و برای دبی‌های بیش از 30 m³/hr، مجموعه‌هایی از UIP10000 یا UIP16000 به کار می‌روند.
قطعهٔ الحاقی MPC48 برای سلول جریان فراصوتی – MultiPhaseCavitator