MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 ultraäänivirtauskennoon
MultiPhaseCavitator-sisäosa (Insert MPC48) on suunniteltu tehostamaan neste–neste- tai neste–kaasuseosten ultraäänikäsittelyä. Sen 48 erittäin ohutta kanyylia syöttävät nestettä tai kaasua nestefaasiin suoraan kavitaatiovyöhykkeellä. Näin muodostuu erittäin pieniä suspendoituneita pisaroita tai kaasukuplia, joiden ominaispinta-ala on erittäin suuri.
Tämä sisäosa on erityisen hyödyllinen emulsiokemiassa, esimerkiksi faasinsiirtoreaktioissa, faasinsiirtokatalyysissä (PTC) tai neste–nesteuutossa. Toinen kiinnostava käyttökohde on hiukkasten saostaminen kahdesta nestemäisestä lähtöaineesta tai ultraäänikiteytys. Tämä sisäosa on suunniteltu Hielscherin virtauskennoreaktoreihin, ja se mahdollistaa panostoimisen tai jatkuvatoimisen käsittelyn.
Yksi ja 48 syöttöaukkoa
Ultraäänikäsittely on tehokas menetelmä emulgointiin ja sekoittamiseen. Tavanomaisessa järjestelyssä erilliset faasit yhdistetään ennen niiden saapumista virtauskennoon ja kavitaatiovyöhykkeelle, kun taas tämä virtauskennon sisäosa tehostaa kahden faasin yhdistämistä. Kun nestettä syötetään 48 ohuen kanyylin läpi, se saapuu virtauskennoon erittäin ohuina nestejuovina. Sisäosassa käytetään 48 erittäin ohutta lääketieteellistä kanyylia, joiden sisähalkaisijat ovat 0,3mm–1,2mm. Nämä kanyylit ovat helposti vaihdettavia ja edullisia kulutustarvikkeita (steriilejä, noin 2ct/pc). Ultraäänikavitaatio (20kHz:n taajuudella) pilkkoo 48 sisään tulevaa nestejuovaa pieniksi pisaroiksi niiden saapuessa virtauskennon nestefaasiin.
Rakenne kohdistaa yhdestä syöttölähteestä saman syöttöpaineen kaikkiin 48 kanyyliin, jotta virtaus jakautuu tasaisesti kanyylien kesken.
48 syöttöaukkoa ultraäänireaktoriin neste–nestereaktioita varten
Syöttö ultraäänikäyttöiseen monifaasikavitaattoriin
InsertMPC48 – 48 ohutta kanyylia päättyy kavitaatiovyöhykkeelle
Ultraäänivirtauskennoreaktori FC100L1K-1S, jossa on InsertMPC48
Käyttötavat ja sovellukset
Hielscherin ultraäänireaktoreita käytetään usein emulgointiin sekä faasinsiirtoprosessien kinetiikan tai liukenemisnopeuden parantamiseen neste–nestefaasijärjestelmissä. Esimerkkejä tällaisista prosesseista ovat hapettava rikinpoisto vetyperoksidilla ja sitä seuraava liuotinuutto tai triglyseridien emäskatalysoitu transesteröinti.
Yhden reagenssifaasin rajallinen liukoisuus toiseen reagenssifaasiin on merkittävä ongelma prosessien emulsiokemiassa, sillä molemmat faasit reagoivat keskenään vain faasien rajapinnalla. Ilman ultraääntä tämä johtaa pieniin reaktionopeuksiin ja hitaaseen konversiokinetiikkaan kaksifaasijärjestelmissä.
Kun sisäosaa käytetään ultraäänireaktorissa, kavitaatio tuottaa voimakkaita hydraulisia leikkausvoimia ja hajottaa syötetyn faasin alle mikrometrin kokoisiksi ja nanokokoisiksi pisaroiksi. Koska faasirajapinnan ominaispinta-ala vaikuttaa kemialliseen reaktionopeuteen, tämä pisaroiden halkaisijan merkittävä pieneneminen parantaa reaktiokinetiikkaa ja saattaa vähentää faasinsiirtoaineiden tarvetta tai poistaa sen kokonaan. Syötetyn faasin tilavuusosuutta voidaan mahdollisesti pienentää, koska hienojakoisemmat emulsiot tarvitsevat pienemmän tilavuuden tuottaakseen saman kosketuspinta-alan toisen reagenssifaasin kanssa.
Tämän sisäosan käyttö saattaa vähentää tarvittavien amfifiilisten emulsiokatalyyttien tai faasinsiirtokatalyyttien (PTC), kuten kvaternääristen ammoniumsuolojen, määrää. Näillä suoloilla on ainutlaatuinen kyky liueta sekä vesipohjaisiin että orgaanisiin nesteisiin.
Tehostettu aineensiirto kemiallisissa reaktioissa
Kun kaksi reagenssifaasia reagoi faasirajapinnalla, reaktiotuotteet kerääntyvät pisaran pinnalle ja estävät reagenssifaasien vuorovaikutuksen rajapinnalla. Ultraäänikavitaation aiheuttamat hydrauliset leikkausvoimat synnyttävät turbulenttista virtausta ja aineen kulkeutumista pisaroiden pinnoilta ja niille sekä johtavat pisaroiden toistuvaan yhteensulautumiseen ja sitä seuraavaan uusien pisaroiden muodostumiseen. Reaktion edetessä ultraäänikäsittely maksimoi reagenssien altistumisen toisilleen ja niiden vuorovaikutuksen.
Tätä vaikutusta hyödynnetään monissa prosesseissa, kuten kasviöljyjen transesteröinnissä biodieseliksi tai polyesterien synteesissä, jossa diesterit transesteröidään diolien kanssa makromolekyyleiksi.
Emulgointi / emulsion muodostaminen
Tämä virtauskennon sisäosa tehostaa emulgointia sekoitettaessa toisiinsa sekoittumattomia nesteitä. Näin saadaan pienempiä pisaroita ja kapeampi kokojakauma – keskeinen tekijä emulsion stabiiliudelle. Tämän rakenteen avulla voit syöttää ja emulgoida matalan ja keskisuuren viskositeetin nesteitä jopa korkean viskositeetin nesteisiin, kuten raskaisiin polttoöljyihin (HFO), polymeereihin tai geeleihin. Jotkin koostumukset saattavat edellyttää emulgointiaineiden tai stabilointiaineiden lisäämistä. Tällöin on hyödyllistä sekoittaa emulgointiaine tasaisesti. Pyynnöstä on saatavana räätälöityjä rakenteita useamman kuin yhden faasin syöttämiseen kanyylien kautta.
Neste–nesteuutto
Tämä sisäosa tehostaa neste–nesteuuttoprosesseja muodostamalla hienojakoisen turbulenttisen emulsion, esimerkiksi liuotinfaasista öljyfaasissa. Tämäkin kasvattaa faasien kosketuspinta-alaa, tehostaa uuttoa ja vähentää liuottimen käyttöä.
Vesiemulsiopolttoaineet puhtaampaan palamiseen
Heikkolaatuisia polttoöljyjä, kuten merialuksissa tai sähköntuotannossa käytettävää raskasta polttoöljyä, voidaan emulgoida veden kanssa. Tämä johtaa tehokkaampaan palamiseen ja NOx -päästöjen ja noen määrän merkittävään vähenemiseen.
Lue lisää vesiemulsiopolttoaineiden (emulsiopolttoaineiden) ultraääniemulgoinnista!
Saostus / ultraäänikiteytys
Pigmenttejä tai nanohiukkasia voidaan tuottaa pienistä rakenneyksiköistä lähtien saostamalla nesteissä. Tällöin ylikylläinen seos alkaa muodostaa kiinteitä hiukkasia tai kiteitä erittäin väkevästä aineesta. Nämä hiukkaset kasvavat tiettyyn rajaan asti ja lopulta saostuvat. Hiukkasten tai kiteiden koon ja morfologian hallinta edellyttää lähtöaineiden tai reagenssien sekoittamisen hallintaa.
Saostusprosessi sisältää yleensä seuraavat vaiheet: sekoittaminen, ylikyllästyminen, ydintyminen, hiukkasten kasvu ja agglomeroituminen. Viimeksi mainittu vältetään pienellä kiintoainepitoisuudella tai stabilointiaineilla. Sekoittaminen on ratkaisevan tärkeää, sillä useimmissa saostusprosesseissa reaktionopeus on erittäin suuri. InsertMPC48 yhdistää nopeat, ohuet syöttösuihkut voimakkaisiin ultraäänikavitaation leikkausvoimiin. Tämä maksimoi sekoitusnopeuden ja sekoituksen tehokkuuden ja tuottaa enemmän ja pienempiä hiukkasia.
Jatkuvatoimisessa ultraäänisaostusreaktiossa tuotettujen Fe3O4-hiukkasten (magnetiitti) kokojakauma (Banert et al., 2004).
Laboratoriotesteistä pilot-mittakaavaan ja tuotantoon
Hielscher Ultrasonics tarjoaa laitteita tämän teknologian testaamiseen, todentamiseen ja hyödyntämiseen missä tahansa mittakaavassa. Konsepti on helppo sisällyttää olemassa oleviin prosesseihin.
- Syötä faasi A virtauskennon pohjassa olevaan nesteen syöttöaukkoon
- Syötä faasi B virtauskennon sivulla olevaan pienempään nesteen syöttöaukkoon tai syöttöaukkoihin. Tämä syöte johdetaan kavitaatiovyöhykkeelle 48 ohuen putken kautta
- Säädä reaktorin painetta virtauskennon poistoaukossa olevalla vastapaineventtiilillä
Laboratoriopöytämittakaavassa 1kW:n ultraäänilaite UIP1000hdT voi käsitellä tilavuusvirtoja 100–1000L/hr (25–250 gal/hr) prosessin havainnollistamista ja ultraäänikäsittelyn parametrien optimointia varten. Hielscherin ultraääniprosessorit on suunniteltu skaalattaviksi lineaarisesti suurempiin käsittelytilavuuksiin pilot- tai tuotantomittakaavassa. Alla olevassa taulukossa esitetään käsittelytilavuudet ja suositellut laitekoot.
| Panostilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 0,2L | 0,25–2m3/hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0,2L | 1–8m3/hr | UIP4000hdT |
| n.a. | 4–30m3/hr | UIP16000hdT |
| n.a. | yli 30m3/hr | laiteryhmä: UIP10000 tai UIP16000hdT |
Usein kysyttyjä kysymyksiä MultiPhaseCavitator-laitteesta – ultraäänivirtauskennon sisäosa Insert MPC48
Mikä on MultiPhaseCavitator-sisäosa (virtauskennon sisäosa Insert MPC48)?
MultiPhaseCavitator-sisäosa (InsertMPC48) on virtauskennon sisäosa, joka on suunniteltu tehostamaan neste–neste- tai neste–kaasuseosten ultraäänikäsittelyä. Sen 48 erittäin ohutta kanyylia syöttävät nestettä tai kaasua nestefaasiin suoraan kavitaatiovyöhykkeellä ja muodostavat erittäin pieniä suspendoituneita pisaroita tai kaasukuplia, joiden ominaispinta-ala on suuri.
Mitä MPC48 tarkoittaa?
MPC on lyhenne nimestä MultiPhaseCavitator. Luku 48 ilmaisee, että sisäosassa on 48 kanyylia syöttökohtina. Pyynnöstä virtauskennon sisäosa voidaan varustaa suuremmalla tai pienemmällä määrällä kanyyleja.
Miten virtauskennon sisäosa Insert MPC48 toimii?
Kun nestettä syötetään 48 ohuen lääketieteellisen kanyylin läpi (sisähalkaisijat 0,3 mm:stä 1,2 mm:iin), se saapuu virtauskennoon erittäin ohuina nestejuovina. Ultraäänikavitaatio 20 kHz:n taajuudella pilkkoo nämä sisään tulevat nestejuovat pieniksi pisaroiksi niiden saapuessa nestefaasiin. Rakenne kohdistaa yhdestä syöttölähteestä saman syöttöpaineen kaikkiin 48 kanyyliin, jotta virtaus jakautuu tasaisesti niiden kesken.
Mihin sovelluksiin MultiPhaseCavitator-sisäosa soveltuu parhaiten?
Se on erityisen hyödyllinen emulsiokemiassa, kuten faasinsiirtoreaktioissa, faasinsiirtokatalyysissä (PTC) ja neste–nesteuutossa. Se soveltuu hyvin myös hiukkasten saostamiseen kahdesta nestemäisestä lähtöaineesta ja ultraäänikiteytykseen. Sisäosa on suunniteltu Hielscherin virtauskennoreaktoreihin, ja se mahdollistaa panostoimisen tai jatkuvatoimisen käsittelyn.
Miten MPC48-sisäosa tehostaa faasinsiirtoreaktioita?
Koska yhden reagenssifaasin rajallinen liukoisuus toiseen rajoittaa reaktion faasien rajapinnalle, kaksifaasijärjestelmissä reaktionopeudet ovat usein pieniä ilman ultraääntä. Sisäosaa käytettäessä kavitaatio tuottaa voimakkaita hydraulisia leikkausvoimia ja hajottaa syötetyn faasin alle mikrometrin kokoisiksi ja nanokokoisiksi pisaroiksi. Tämä pisaroiden halkaisijan merkittävä pieneneminen parantaa reaktiokinetiikkaa ja saattaa vähentää faasinsiirtoaineiden tarvetta tai poistaa sen kokonaan.
Voiko sisäosa vähentää tarvittavan katalyytin määrää?
Kyllä. Sisäosa voi vähentää tarvittavien amfifiilisten emulsiokatalyyttien tai faasinsiirtokatalyyttien (PTC), kuten kvaternääristen ammoniumsuolojen, määrää, koska hienojakoisemmat emulsiot tarvitsevat pienemmän tilavuuden tuottaakseen saman kosketuspinta-alan toisen reagenssifaasin kanssa.
Miten se tehostaa aineensiirtoa kemiallisissa reaktioissa?
Reaktiotuotteet voivat kerääntyä pisaran pinnalle ja estää reagenssien vuorovaikutuksen rajapinnalla. Ultraäänikavitaation hydrauliset leikkausvoimat synnyttävät turbulenttista virtausta ja aineen kulkeutumista pisaroiden pinnoille ja niiltä, mikä johtaa pisaroiden toistuvaan yhteensulautumiseen ja uusien pisaroiden muodostumiseen. Ajan myötä ultraäänikäsittely maksimoi reagenssien altistumisen toisilleen ja niiden vuorovaikutuksen – tätä hyödynnetään esimerkiksi kasviöljyjen transesteröinnissä biodieseliksi tai polyesterien synteesissä.
Onko sisäosa tehokas neste–nesteuutossa?
Kyllä. Sisäosa tehostaa neste–nesteuuttoa muodostamalla hienojakoisen turbulenttisen emulsion, esimerkiksi liuotinfaasista öljyfaasissa. Tämä kasvattaa faasien kosketuspinta-alaa, tehostaa uuttoa ja vähentää liuottimen käyttöä.
Voiko sitä käyttää vesiemulsiopolttoaineisiin?
Kyllä. Heikkolaatuisia polttoöljyjä, kuten merialuksissa tai sähköntuotannossa käytettävää raskasta polttoöljyä, voidaan emulgoida veden kanssa. Tämä johtaa tehokkaampaan palamiseen sekä NOx-päästöjen ja noen määrän merkittävään vähenemiseen.
Tutustu vesiemulsiopolttoaineiden ultraääniemulgoinnin hyötyihin!
Miten sisäosa auttaa saostuksessa ja ultraäänikiteytyksessä?
Pigmenttejä tai nanohiukkasia voidaan tuottaa pienistä rakenneyksiköistä lähtien saostamalla nesteissä. Insert MPC48 yhdistää nopeat, ohuet syöttösuihkut voimakkaisiin ultraäänikavitaation leikkausvoimiin, mikä maksimoi sekoitusnopeuden ja sekoituksen tehokkuuden ja tuottaa enemmän ja pienempiä hiukkasia. Koska monien saostusreaktioiden nopeus on erittäin suuri, lähtöaineiden tai reagenssien sekoittamisen hallinta on välttämätöntä, ja sisäosa auttaa hallitsemaan hiukkasten tai kiteiden kokoa ja morfologiaa.
Ovatko kanyylit kulutustarvikkeita?
Kyllä. Nämä 48 ohutta lääketieteellistä kanyylia ovat helposti vaihdettavia ja edullisia kulutustarvikkeita (steriilejä, noin 2 ct/pc). Kanyylit ovat vakiomallisia kulutustarvikkeita, ja niitä on helppo hankkia paikallisesti. Pyynnöstä on saatavana räätälöityjä rakenteita useamman kuin yhden faasin syöttämiseen kanyylien kautta.
Miten virtauskenno varustetaan InsertMPC48-sisäosalla?
Konsepti on helppo sisällyttää olemassa oleviin prosesseihin: syötä faasi A virtauskennon pohjassa olevaan nesteen syöttöaukkoon, syötä faasi B sivulla olevaan pienempään nesteen syöttöaukkoon tai syöttöaukkoihin (syöte johdetaan kavitaatiovyöhykkeelle 48 ohuen putken kautta) ja säädä reaktorin painetta virtauskennon poistoaukossa olevalla vastapaineventtiilillä.
Millaisia skaalausvaihtoehtoja ja laitekokoja on saatavana?
Hielscher tarjoaa laitteita tämän teknologian testaamiseen, todentamiseen ja hyödyntämiseen missä tahansa mittakaavassa sekä lineaariseen skaalaukseen laboratoriopöytämittakaavasta pilot-mittakaavaan ja tuotantoon. Esimerkiksi UIP1000hd (1 kW) voi käsitellä tilavuusvirtoja 100–1 000 L/hr havainnollistamista ja parametrien optimointia varten; suositellut laitteet ulottuvat malleista UIP1000hd/UIP2000hd malleihin UIP4000 ja UIP16000, ja yli 30 m³/hr:n tilavuusvirroille suositellaan malleista UIP10000 tai UIP16000 koostuvia laiteryhmiä.
Ultraäänivirtauskennon sisäosa MPC48 – MultiPhaseCavitator