MultiPhaseCavitator-Insert pour Réacteur à Flux Ultrasonique

L'insert MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) 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 des bulles de gaz produisant une surface spécifique très élevée.

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

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, ce qui améliore l'extraction et réduit l'utilisation de 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 NO_x et de la suie.
En savoir plus sur l'émulsification ultrasonique des aqua-carburants (émulsion-carburants) !

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. Afin de 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.

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.

1. Introduire la phase A dans l'orifice d'entrée du liquide au fond de la cellule d'écoulement
2. 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.
3. 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 du banc d'essai, un UIP1000hd (1kW) peuvent 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 à ultrasons 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 répertorie les volumes de traitement et les tailles d'équipement recommandées.