Cavitateur multiphase – Insérer le MPC48 pour la cellule de débit à ultrasons
The MultiPhaseCavitator Insert (Insert MPC48) is designed to improve the ultrasonic processing of liquid/liquid or liquid/gas mixes. 48 very fine cannulas inject liquid or gas into a liquid phase right in the cavitation zone. This creates very small suspended droplets or gas bubbles yielding a very high specific surface area.
Cet encart est particulièrement utile pour la chimie des émulsions, comme les réactions de transfert de phase, Catalyse par transfert de phase (PTC) ou l'extraction liquide-liquide. Un autre domaine d'application intéressant est la précipitation de particules à partir de deux précurseurs liquides ou la sono-cristallisation. Cet insert est conçu pour les réacteurs à cellules d'écoulement Hielscher et permet un traitement par lots ou en continu.
Un et 48 ports d'injection
Les ultrasons sont un moyen efficace d'émulsification et de mélange. Contrairement à la configuration conventionnelle, où des phases distinctes sont combinées avant d'entrer dans la cellule d'écoulement et la cavitation, cet insert de cellule d'écoulement améliore la combinaison des deux phases. Lorsqu'un liquide est injecté par les 48 canules fines, il pénètre dans la cellule d'écoulement en filaments très étroits. L'insert utilise 48 canules médicales très fines dont le diamètre intérieur est compris entre 0,3 et 1,2 mm. Ces canules peuvent être facilement remplacées et constituent un consommable peu coûteux (stérile, environ 2ct/pc). La cavitation ultrasonique (à 20 kHz) coupe les 48 brins de liquide entrant en petites gouttelettes lorsqu'ils pénètrent dans la phase liquide de la cellule d'écoulement.
La conception applique la même pression d'alimentation à partir d'une seule source à l'ensemble des 48 canules afin de niveler le débit entre les canules.
48 orifices d'entrée dans le réacteur à ultrasons pour les réactions liquide-liquide
Injection dans l'évaporateur multiphasique à ultrasons
InsérerMPC48 – 48 canules fines se terminent dans la zone de cavitation
Réacteur à flux ultrasonique FC100L1K-1S avec insertMPC48
Utilisations et applications
Les réacteurs ultrasoniques Hielscher sont souvent utilisés pour émulsifier, améliorer la cinétique des processus de transfert de phase ou les taux de dissolution dans les systèmes de phase liquide-liquide. La désulfuration par oxydation au peroxyde d'hydrogène et l'extraction ultérieure par solvant ou la transestérification de triglycérides catalysée par une base sont des exemples de tels procédés.
La solubilité limitée d'une phase réactive dans une autre phase réactive est un problème important dans la chimie des émulsions de traitement, car les deux phases réagissent l'une avec l'autre uniquement au niveau de l'interphase. En l'absence d'ultrasons, il en résulte de faibles taux de réaction et une cinétique de conversion lente dans les systèmes à deux phases.
En utilisant l'insert avec un réacteur à ultrasons, la cavitation produit un cisaillement hydraulique élevé et brise la phase injectée en gouttelettes submicroniques et nanométriques. Étant donné que la surface spécifique de la limite de phase influe sur la vitesse de réaction chimique, cette réduction significative du diamètre des gouttelettes améliore la cinétique de la réaction et peut réduire ou éliminer la nécessité d'utiliser des agents de transfert de phase. Le pourcentage de volume de la phase injectée peut être réduit, car les émulsions plus fines ont besoin de moins de volume pour fournir la même surface de contact avec l'autre phase réactive.
L'utilisation de cet insert peut réduire la quantité nécessaire de catalyseurs d'émulsion amphiphiles ou de catalyseurs d'émulsions amphiphiles. catalyseurs à transfert de phase (CTP)Les sels d'ammonium quaternaire, qui ont la capacité unique de se dissoudre dans les liquides aqueux et organiques.
Transfert de masse amélioré pour les réactions chimiques
Lorsque deux phases réactives réagissent à une limite de phase, les produits de la réaction s'accumulent à la surface des gouttelettes et empêchent les phases réactives d'interagir à l'interface. Le cisaillement hydraulique provoqué par la cavitation ultrasonique entraîne un écoulement turbulent et le transport de matériaux depuis et vers les surfaces des gouttelettes, ce qui conduit à la coalescence répétée et à la formation subséquente de nouvelles gouttelettes. Au fur et à mesure que la réaction progresse dans le temps, la sonication maximise l'exposition et l'interaction des réactifs.
Cet effet est utilisé dans de nombreux procédés, tels que la transestérification d'huiles végétales en biodiesel ou la synthèse de polyesters par transestérification de diesters avec des diols pour former des macromolécules.
Émulsifier / Émulsification
Cet insert de cellule d'écoulement améliore l'émulsification lors du mélange de liquides non miscibles. Cela permet d'obtenir des gouttelettes plus petites et une distribution de taille plus étroite. – facteur clé de la stabilité d'une émulsion. Cette conception permet d'injecter et d'émulsifier des liquides de faible et moyenne viscosité dans des liquides de viscosité élevée, tels que des fiouls lourds (HFO), des polymères ou des gels. Certaines formulations peuvent nécessiter l'ajout d'émulsifiants ou de stabilisants. Dans ce cas, il est utile de mélanger l'émulsifiant de manière uniforme. Des modèles personnalisés pour l'injection de plus d'une phase à travers les canules sont disponibles sur demande.
extraction liquide-liquide
Cet insert améliore les processus d'extraction liquide-liquide en créant une émulsion turbulente de taille fine, par exemple d'une phase de solvant dans une phase d'huile. Une fois de plus, cela augmente la surface de contact entre les phases et permet une meilleure extraction et une réduction de l'utilisation des solvants.
Les aqua-combustibles pour une combustion plus propre
Les fiouls de qualité inférieure, tels que les fiouls lourds utilisés sur les navires ou pour la production d'électricité, peuvent être émulsifiés avec de l'eau. Cela permet une combustion plus efficace et une réduction significative des émissions de NOx et de la suie.
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Précipitation / Sono-cristallisation
Les pigments ou les nanoparticules peuvent être générés de bas en haut par précipitation dans les liquides. Dans ce cas, un mélange sursaturé commence à former des particules solides ou des cristaux à partir du matériau hautement concentré. Ces particules grossissent jusqu'à un certain point et finissent par précipiter. Pour contrôler la taille et la morphologie des particules/cristaux, il est essentiel de contrôler le mélange précurseur/réactif.
En général, le processus de précipitation implique : Le mélange, la sursaturation, la nucléation, la croissance des particules et l'agglomération. Cette dernière est évitée par une faible concentration solide ou par des agents stabilisants. Le mélange est critique ; comme pour la plupart des processus de précipitation, la vitesse de la réaction est très élevée. L'InsertMPC48 combine des jets rapides et étroits avec un cisaillement cavitationnel ultrasonique puissant. Cela maximise la vitesse de mélange et la performance en créant des particules plus nombreuses et plus petites.
Distribution de la taille des particules de Fe3O4 (magnétite) générées dans une réaction de précipitation ultrasonique continue (Banert et al., 2004).
Des essais en laboratoire à l'échelle pilote et à la production
Hielscher Ultrasonics propose des équipements pour tester, vérifier et utiliser cette technologie à toutes les échelles. Le concept est facile à intégrer dans les processus existants.
- Introduire la phase A dans l'orifice d'entrée du liquide au fond de la cellule d'écoulement
- Introduire la phase B dans le(s) petit(s) orifice(s) d'entrée du liquide sur le côté de la cellule d'écoulement. Cette alimentation sera injectée dans la zone de cavitation par 48 tuyaux fins.
- Ajuster la pression du réacteur à l'aide d'une soupape de contre-pression à l'orifice de sortie de la cellule d'écoulement.
Au niveau de la paillasse, le sonicateur UIP1000hdT d'une puissance de 1 kW peuvent traiter des débits allant de 100 à 1 000 L/h (25 à 250 gal/h) pour la démonstration du procédé et l'optimisation des paramètres de sonication. Les processeurs ultrasoniques Hielscher sont conçus pour une extrapolation linéaire vers des volumes de traitement plus importants, à l'échelle pilote ou industrielle. Le tableau ci-dessous répertorie les volumes de traitement et les tailles d'équipements recommandées.
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 0.2L | 0.25 à 2m3/hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0.2L | 1 à 8m3/hr | UIP4000hdT |
| n.d. | 4 à 30m3/hr | UIP16000hdT |
| n.d. | au-dessus de 30 m3/hr | groupe de UIP10000 ou UIP16000hdT |
Foire aux questions sur le MultiPhaseCavitator – Insert pour cellule de débit à ultrasons MPC48
Qu'est-ce que l'insert MultiPhaseCavitator (insert de cellule d'écoulement MPC48) ?
L'insert MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) est un insert pour cellule d'écoulement conçu pour améliorer le traitement par ultrasons des mélanges liquide/liquide ou liquide/gaz. Il utilise 48 canules très fines qui injectent un liquide ou un gaz dans une phase liquide directement au sein de la zone de cavitation, créant ainsi de très petites gouttelettes en suspension ou des bulles de gaz présentant une surface spécifique élevée.
Que signifie « MPC48 » ?
MPC est l'abréviation de « MultiPhaseCavitator ». Le chiffre 48 indique que l'insert comporte 48 canules servant de points d'injection. Sur demande, l'insert de la cellule d'écoulement peut être équipé d'un nombre de canules supérieur ou inférieur.
Comment fonctionne l'insert de cellule de flux MPC48 ?
Lorsqu'un liquide est injecté à travers les 48 fines canules médicales (diamètres intérieurs compris entre 0,3 mm et 1,2 mm), il pénètre dans la cellule d'écoulement sous forme de filets très fins. La cavitation ultrasonique à 20 kHz découpe ces filets entrants en petites gouttelettes dès leur passage en phase liquide. La conception prévoit l'application d'une pression d'alimentation identique depuis une seule source vers les 48 canules, afin d'uniformiser le débit entre elles.
À quelles applications l'insert MultiPhaseCavitator est-il le mieux adapté ?
Il est particulièrement utile pour la chimie des émulsions, notamment les réactions de transfert de phase, la catalyse par transfert de phase (PTC) et l'extraction liquide-liquide. Il est également bien adapté à la précipitation de particules à partir de deux précurseurs liquides et à la sonocristallisation. L'insert est conçu pour les réacteurs à cellule d'écoulement Hielscher et permet un traitement en discontinu ou en continu.
En quoi l'insert MPC48 améliore-t-il les réactions de transfert de phase ?
La solubilité limitée d’une phase réactive dans une autre restreignant la réaction à l’interface, les systèmes biphasiques présentent souvent des vitesses de réaction faibles en l’absence d’ultrasons. Grâce à l’insert, la cavitation génère un cisaillement hydraulique élevé et fragmente la phase injectée en gouttelettes de taille submicronique et nanométrique. Cette réduction significative du diamètre des gouttelettes améliore la cinétique de réaction et peut réduire, voire éliminer, le recours à des agents de transfert de phase.
Cet insert permet-il de réduire la quantité de catalyseur nécessaire ?
Oui. L'insert permet de réduire la quantité nécessaire de catalyseurs d'émulsion amphiphiles ou de catalyseurs de transfert de phase (PTC), tels que les sels d'ammonium quaternaire, car les émulsions plus fines nécessitent un volume moindre pour offrir la même surface de contact avec l'autre phase réactive.
En quoi cela favorise-t-il le transfert de masse dans les réactions chimiques ?
Les produits de réaction peuvent s'accumuler à la surface des gouttelettes et empêcher l'interaction des réactifs à l'interface. Le cisaillement hydraulique résultant de la cavitation ultrasonique génère un écoulement turbulent et un transport de matière vers et depuis les surfaces des gouttelettes, ce qui entraîne une coalescence répétée et la formation de nouvelles gouttelettes. Au fil du temps, la sonication optimise l'exposition et l'interaction des réactifs – utilisés dans des procédés tels que la transestérification des huiles végétales en biodiesel ou la synthèse des polyesters.
Cet insert est-il efficace pour l'extraction liquide-liquide ?
Oui. L'insert améliore l'extraction liquide-liquide en créant une émulsion turbulente à particules fines, par exemple d'une phase solvant dans une phase huileuse. Cela augmente la surface de contact entre les phases et permet d'obtenir une meilleure extraction tout en réduisant la consommation de solvant.
Peut-on l'utiliser pour les « aqua-carburants » ?
Oui. Les fiouls de qualité inférieure, tels que le fioul lourd utilisé sur les navires ou pour la production d'électricité, peuvent être émulsionnés avec de l'eau. Cela permet une combustion plus efficace et une réduction significative des émissions de NOx et de suie.
Découvrez les avantages de l'émulsification par ultrasons des « aqua-carburants » !
En quoi l'insert contribue-t-il à la précipitation et à la sonocristallisation ?
Les pigments ou les nanoparticules peuvent être générés selon une approche « bottom-up » par précipitation dans des liquides. L'insert MPC48 combine des jets injectés rapides et étroits à un fort cisaillement cavitationnel ultrasonique, ce qui optimise la vitesse de mélange et les performances, permettant ainsi de créer davantage de particules plus petites. La vitesse de nombreuses réactions de précipitation étant très élevée, il est essentiel de contrôler le mélange des précurseurs et des réactifs ; l'insert permet ainsi de contrôler la taille et la morphologie des particules et des cristaux.
Les canules sont-elles des consommables ?
Oui. Les 48 canules médicales fines peuvent être facilement remplacées et constituent un consommable peu coûteux (stériles, environ 2 ct/pièce). Ces canules sont des consommables standard et peuvent être facilement se procurées sur place. Des modèles sur mesure permettant d'injecter plusieurs phases à travers les canules sont disponibles sur demande.
Comment configurer la cellule de flux avec l’InsertMPC48 ? Le principe s’intègre facilement aux processus existants : introduisez la phase A dans l'orifice d'entrée de liquide situé au fond de la cellule d'écoulement, introduisez la phase B dans le ou les orifices d'entrée de liquide plus petits situés sur le côté (injectés dans la zone de cavitation par les 48 tubes fins), puis réglez la pression du réacteur à l'aide d'une vanne de contre-pression située au niveau de l'orifice de sortie de la cellule d'écoulement.
Quelles sont les options d'extension et les tailles d'équipement disponibles ?
Hielscher propose des équipements permettant de tester, de valider et de mettre en œuvre cette technologie à n'importe quelle échelle, avec une extrapolation linéaire allant du laboratoire à l'échelle pilote et à la production. Par exemple, un UIP1000hd (1 kW) peut traiter 100 à 1 000 L/h à des fins de démonstration et d'optimisation des paramètres ; les appareils recommandés vont de l’UIP1000hd/UIP2000hd à l’UIP4000 et à l’UIP16000, avec des grappes d’UIP10000 ou d’UIP16000 pour des débits supérieurs à 30 m³/h.
Insert pour cellule de débit à ultrasons MPC48 – Cavitateur multiphase