MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 pour cellule à circulation ultrasonore
L’insert MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) est conçu pour améliorer le traitement par ultrasons des mélanges liquide/liquide ou liquide/gaz. 48 canules très fines injectent du liquide ou du gaz dans une phase liquide directement dans la zone de cavitation. Cela crée de très petites gouttelettes en suspension ou bulles de gaz, offrant une surface spécifique très élevée.
Cet insert est particulièrement utile pour la chimie des émulsions, notamment les réactions par transfert de phase, la 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 sonocristallisation. Cet insert est conçu pour les réacteurs Hielscher à cellule à circulation et permet un traitement par lots ou en continu.
Un orifice d’injection et 48 orifices d’injection
La sonication est un moyen efficace d’émulsification et de mélange. Contrairement à la configuration conventionnelle, dans laquelle les phases séparées sont combinées avant d’entrer dans la cellule à circulation et dans la zone de cavitation, cet insert pour cellule à circulation améliore la mise en contact des deux phases. Lorsqu’un liquide est injecté à travers les 48 canules fines, il pénètre dans la cellule à circulation sous forme de filets très étroits. L’insert utilise 48 canules médicales très fines dont les diamètres intérieurs vont de 0,3mm à 1,2mm. Ces canules sont faciles à remplacer et constituent un consommable peu coûteux (stérile, env. 2ct/pièce). La cavitation ultrasonore (à 20kHz) fragmente les 48 filets de liquide entrants en petites gouttelettes lorsqu’ils pénètrent dans la phase liquide de la cellule à circulation.
La conception applique la même pression d’alimentation, à partir d’une alimentation unique, aux 48 canules afin d’équilibrer les débits entre les canules.
48 orifices d’entrée dans le réacteur ultrasonore pour les réactions liquide-liquide
Injection dans le MultiPhaseCavitator ultrasonore
InsertMPC48 – 48 canules fines débouchent dans la zone de cavitation
Réacteur ultrasonore à cellule à circulation FC100L1K-1S avec InsertMPC48
Utilisations et applications
Les réacteurs ultrasonores Hielscher sont souvent utilisés pour émulsifier, améliorer la cinétique des procédés de transfert de phase ou les vitesses de dissolution dans les systèmes à phases liquide-liquide. Parmi ces procédés figurent la désulfuration oxydative au peroxyde d’hydrogène suivie d’une extraction par solvant, ou la transestérification des triglycérides catalysée par une base.
La solubilité limitée d’une phase réactive dans une autre constitue un problème majeur en chimie des procédés en émulsion, car les deux phases ne réagissent entre elles qu’à l’interface. Sans ultrasons, cela entraîne de faibles vitesses de réaction et une cinétique de conversion lente dans les systèmes biphasiques.
Lorsque l’insert est utilisé avec un réacteur ultrasonore, la cavitation produit un fort cisaillement hydraulique et fragmente la phase injectée en gouttelettes submicroniques et nanométriques. La surface spécifique de l’interface entre les phases influant sur la vitesse de la réaction chimique, cette réduction importante du diamètre des gouttelettes améliore la cinétique de réaction et peut réduire ou supprimer le besoin d’agents de transfert de phase. Le pourcentage volumique de la phase injectée peut être abaissé, car les émulsions plus fines nécessitent un volume moindre pour offrir la même surface de contact avec l’autre phase réactive.
L’utilisation de cet insert peut réduire la quantité nécessaire de catalyseurs amphiphiles pour émulsions ou de catalyseurs de transfert de phase (PTC), tels que les sels d’ammonium quaternaire, qui possèdent la capacité particulière de se dissoudre aussi bien dans les liquides aqueux que dans les liquides organiques.
Transfert de matière amélioré pour les réactions chimiques
Lorsque deux phases réactives réagissent à l’interface entre les phases, les produits de 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 ultrasonore engendre un écoulement turbulent et un transport de matière depuis et vers les surfaces des gouttelettes, entraînant des coalescences répétées suivies de la formation de nouvelles gouttelettes. Au fur et à mesure que la réaction progresse, la sonication maximise la mise en contact et l’interaction des réactifs.
Cet effet est utilisé dans de nombreux procédés, tels que la transestérification des huiles végétales en biodiesel ou la synthèse de polyesters par transestérification de diesters avec des diols pour former des macromolécules.
Émulsionner / Émulsification
Cet insert pour cellule à circulation améliore l’émulsification lors du mélange de liquides non miscibles. Cela permet d’obtenir des gouttelettes plus petites et une distribution de tailles plus étroite – un facteur clé pour la stabilité d’une émulsion. Cette conception permet d’injecter et d’émulsifier des liquides de viscosité faible ou moyenne, même dans des liquides de viscosité élevée, tels que les fiouls lourds (HFO), les polymères ou les gels. Certaines formulations peuvent nécessiter l’ajout d’émulsifiants ou de stabilisants. Dans ce cas, l’insert aide à répartir uniformément l’émulsifiant. Des modèles personnalisés permettant l’injection de plusieurs phases à travers les canules sont disponibles sur demande.
Extraction liquide-liquide
Cet insert intensifie les procédés d’extraction liquide-liquide en produisant une émulsion turbulente à fines gouttelettes, par exemple d’une phase de solvant dans une phase huileuse. Là encore, cela augmente la surface de contact entre les phases, améliore l’extraction et réduit la consommation de solvant.
Combustibles émulsionnés avec de l’eau pour une combustion plus propre
Les fiouls de qualité inférieure, tels que le fioul lourd utilisé à bord des 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.
En savoir plus sur l’émulsification par ultrasons des combustibles contenant de l’eau (combustibles en émulsion) !
Précipitation / Sonocristallisation
Des pigments ou des nanoparticules peuvent être produits par une approche ascendante, par précipitation dans des liquides. Dans ce cas, un mélange sursaturé commence à former des particules solides ou des cristaux à partir de la matière fortement concentrée. Ces particules croissent jusqu’à un certain point, puis finissent par précipiter. Pour maîtriser la taille et la morphologie des particules ou des cristaux, il est essentiel de contrôler le mélange des précurseurs et des réactifs.
En général, le procédé de précipitation comprend les étapes suivantes : mélange, sursaturation, nucléation, croissance des particules et agglomération. Cette dernière est évitée par une faible concentration en solides ou par des agents stabilisants. Le mélange est déterminant, car la vitesse de réaction est très élevée dans la plupart des procédés de précipitation. L’InsertMPC48 associe des jets injectés rapides et étroits à un fort cisaillement dû à la cavitation ultrasonore. Cela maximise la vitesse et l’efficacité du mélange, produisant des particules plus nombreuses et plus petites.
Distribution granulométrique des particules de Fe3O4 (magnétite) produites par une réaction continue de précipitation par ultrasons (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 exploiter cette technologie à toute échelle. Le concept s’intègre facilement aux procédés existants.
- Introduire la phase A par l’orifice d’entrée du liquide situé au fond de la cellule à circulation
- Introduire la phase B par le ou les orifices d’entrée du liquide, plus petits, situés sur le côté de la cellule à circulation. Cette alimentation sera injectée dans la zone de cavitation à travers 48 tubes fins
- Régler la pression du réacteur à l’aide d’une vanne de contre-pression à l’orifice de sortie de la cellule à circulation
À l’échelle de paillasse, le sonicateur UIP1000hdT de 1kW peut traiter des débits de 100 à 1000L/hr (25 à 250 gal/hr) pour la démonstration du procédé et l’optimisation des paramètres de sonication. Les processeurs ultrasonores Hielscher sont conçus pour une mise à l’échelle linéaire vers des volumes de traitement plus importants, à l’échelle pilote ou de production. Le tableau ci-dessous présente les volumes de traitement et les tailles d’équipement recommandées.
| Volume par lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 0,2L | 0,25 à 2m3/hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0,2L | 1 à 8m3/hr | UIP4000hdT |
| s. o. | 4 à 30m3/hr | UIP16000hdT |
| s. o. | plus de 30m3/hr | ensemble de UIP10000 ou UIP16000hdT |
Questions fréquentes sur le MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 pour cellule à circulation ultrasonore
Qu’est-ce que l’insert MultiPhaseCavitator (Insert MPC48 pour cellule à circulation) ?
L’insert MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) est un insert pour cellule à circulation conçu pour améliorer le traitement par ultrasons des mélanges liquide/liquide ou liquide/gaz. Il utilise 48 canules très fines qui injectent du liquide ou du gaz dans une phase liquide directement dans la zone de cavitation, créant de très petites gouttelettes en suspension ou bulles de gaz présentant une surface spécifique élevée.
Que signifie MPC48 ?
MPC est l’abréviation de MultiPhaseCavitator. Le nombre 48 indique que l’insert comporte 48 canules servant de points d’injection. Sur demande, l’insert pour cellule à circulation peut être équipé d’un nombre supérieur ou inférieur de canules.
Comment fonctionne l’Insert MPC48 pour cellule à circulation ?
Lorsqu’un liquide est injecté à travers les 48 canules médicales fines (diamètres intérieurs de 0,3 mm à 1,2 mm), il pénètre dans la cellule à circulation sous forme de filets très étroits. La cavitation ultrasonore à 20 kHz fragmente ces filets entrants en petites gouttelettes lorsqu’ils pénètrent dans la phase liquide. La conception applique la même pression d’alimentation, à partir d’une alimentation unique, aux 48 canules afin d’équilibrer leurs débits.
À quelles applications l’insert MultiPhaseCavitator convient-il le mieux ?
Il est particulièrement utile pour la chimie des émulsions, notamment les réactions par transfert de phase, la catalyse par transfert de phase (PTC) et l’extraction liquide-liquide. Il convient également très bien à la précipitation de particules à partir de deux précurseurs liquides et à la sonocristallisation. L’insert est conçu pour les réacteurs Hielscher à cellule à circulation et permet un traitement par lots ou en continu.
Comment l’insert MPC48 améliore-t-il les réactions par transfert de phase ?
Comme la solubilité limitée d’une phase réactive dans une autre restreint la réaction à l’interface, les systèmes biphasiques présentent souvent de faibles vitesses de réaction en l’absence d’ultrasons. Avec l’insert, la cavitation produit un fort cisaillement hydraulique et fragmente la phase injectée en gouttelettes submicroniques et nanométriques. Cette réduction importante du diamètre des gouttelettes améliore la cinétique de réaction et peut réduire ou supprimer le besoin d’agents de transfert de phase.
L’insert peut-il réduire la quantité de catalyseur nécessaire ?
Oui. L’insert peut réduire la quantité nécessaire de catalyseurs amphiphiles pour émulsions 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.
Comment améliore-t-il le transfert de matière 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 dû à la cavitation ultrasonore crée un écoulement turbulent et un transport de matière vers et depuis les surfaces des gouttelettes, entraînant des coalescences répétées et la formation de nouvelles gouttelettes. Au fil du temps, la sonication maximise la mise en contact et l’interaction des réactifs – un effet utilisé dans des procédés tels que la transestérification des huiles végétales en biodiesel ou la synthèse de polyesters.
L’insert est-il efficace pour l’extraction liquide-liquide ?
Oui. L’insert intensifie l’extraction liquide-liquide en créant une émulsion turbulente à fines gouttelettes, par exemple d’une phase de solvant dans une phase huileuse. Cela augmente la surface de contact entre les phases et améliore l’extraction tout en réduisant la consommation de solvant.
Peut-il être utilisé pour les combustibles émulsionnés avec de l’eau ?
Oui. Les fiouls de qualité inférieure, tels que le fioul lourd utilisé à bord des 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 combustibles contenant de l’eau !
Comment l’insert facilite-t-il la précipitation et la sonocristallisation ?
Des pigments ou des nanoparticules peuvent être produits par une approche ascendante, par précipitation dans des liquides. L’Insert MPC48 associe des jets injectés rapides et étroits à un fort cisaillement dû à la cavitation ultrasonore, ce qui maximise la vitesse et l’efficacité du mélange et produit des particules plus nombreuses et plus petites. Comme la vitesse de nombreuses réactions de précipitation est très élevée, il est essentiel de contrôler le mélange des précurseurs et des réactifs, et l’insert aide à maîtriser la taille et la morphologie des particules ou des cristaux.
Les canules sont-elles des consommables ?
Oui. Les 48 canules médicales fines sont faciles à remplacer et constituent un consommable peu coûteux (stérile, env. 2 ct/pièce). Ces canules sont des consommables standard et peuvent être facilement achetées localement. Des modèles personnalisés permettant l’injection de plusieurs phases à travers les canules sont disponibles sur demande.
Comment configurer la cellule à circulation avec l’InsertMPC48 ?
Le concept s’intègre facilement aux procédés existants : introduire la phase A par l’orifice d’entrée du liquide situé au fond de la cellule à circulation, introduire la phase B par le ou les orifices d’entrée du liquide, plus petits, situés sur le côté (injection dans la zone de cavitation à travers les 48 tubes fins), puis régler la pression du réacteur à l’aide d’une vanne de contre-pression à l’orifice de sortie de la cellule à circulation.
Quelles options de mise à l’échelle et quelles tailles d’équipement sont disponibles ?
Hielscher propose des équipements pour tester, vérifier et exploiter cette technologie à toute échelle, avec une mise à l’échelle linéaire de la paillasse aux installations pilotes et de production. Par exemple, un UIP1000hd (1 kW) peut traiter 100–1 000 L/hr pour la démonstration et l’optimisation des paramètres ; les appareils recommandés vont des UIP1000hd/UIP2000hd aux UIP4000 et UIP16000, avec des ensembles de UIP10000 ou de UIP16000 pour les débits supérieurs à 30 m³/hr.
Insert MPC48 pour cellule à circulation ultrasonore – MultiPhaseCavitator