MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 לתא זרימה אולטרסוני

התוסף MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) נועד לשפר את העיבוד האולטרסוני של תערובות נוזל/נוזל או נוזל/גז. 48 קנולות דקות מאוד מזריקות נוזל או גז לתוך פאזה נוזלית ישירות באזור הקוויטציה. כך נוצרות טיפות מרחפות או בועות גז קטנות מאוד, המספקות שטח פנים סגולי גבוה מאוד.

תוסף זה שימושי במיוחד לכימיה של תחליבים, כגון תגובות מעבר בין פאזות, קטליזה של מעבר בין פאזות (PTC) או מיצוי נוזל–נוזל. תחום יישום מעניין נוסף הוא שיקוע חלקיקים משני חומרי מוצא נוזליים או גיבוש באמצעות סוניקציה. תוסף זה מיועד לריאקטורים בעלי תא זרימה של Hielscher ומאפשר עיבוד מנתי או רציף.

פתח הזרקה אחד ו־48 פתחי הזרקה

סוניקציה היא אמצעי יעיל לתחלוב ולערבוב. בניגוד למערך המקובל, שבו משלבים פאזות נפרדות לפני כניסתן לתא הזרימה ולאזור הקוויטציה, תוסף זה לתא הזרימה משפר את השילוב בין שתי הפאזות. כאשר נוזל מוזרק דרך 48 הקנולות הדקות, הוא נכנס לתא הזרימה בזרמים דקיקים מאוד. בתוסף נעשה שימוש ב־48 קנולות רפואיות דקות מאוד, בעלות קטרים פנימיים מ־0.3mm עד 1.2mm. אפשר להחליף קנולות אלה בקלות, והן פריט מתכלה בעלות נמוכה (סטריליות, כ־2ct/pc). הקוויטציה האולטרסונית (בתדר 20kHz) חותכת את 48 זרמי הנוזל הנכנסים לטיפות קטנות בעת כניסתם לפאזה הנוזלית בתא הזרימה.
התכנון מחיל לחץ הזנה זהה ממקור הזנה אחד על כל 48 הקנולות, כדי להשוות את הזרימה בין הקנולות.

48 פתחי כניסה לריאקטור אולטרסוני לתגובות נוזל–נוזל

שימושים ויישומים

ריאקטורים אולטרסוניים של Hielscher משמשים לעיתים קרובות לתחלוב, לשיפור הקינטיקה של תהליכי מעבר בין פאזות או לשיפור קצבי ההמסה במערכות של פאזות נוזל–נוזל. דוגמאות לתהליכים כאלה הן הסרת גופרית בחמצון באמצעות מי חמצן ומיצוי בממס לאחר מכן, או טרנסאסטריפיקציה של טריגליצרידים בקטליזה בסיסית.
מסיסות מוגבלת של פאזה אחת המכילה מגיב בפאזה אחרת המכילה מגיב היא בעיה משמעותית בכימיה של תחליבים בתהליך, שכן שתי הפאזות מגיבות זו עם זו רק בממשק שביניהן. ללא אולטרסאונד, הדבר מוביל לקצבי תגובה נמוכים ולקינטיקת המרה איטית במערכות דו־פאזיות.
בעת שימוש בתוסף עם ריאקטור אולטרסוני, הקוויטציה יוצרת גזירה הידראולית חזקה ומפרקת את הפאזה המוזרקת לטיפות בגודל תת־מיקרוני וננומטרי. מכיוון ששטח הפנים הסגולי של הגבול בין הפאזות משפיע על קצב התגובה הכימית, הפחתה משמעותית זו בקוטר הטיפות משפרת את קינטיקת התגובה ועשויה להפחית את הצורך בחומרים המסייעים למעבר בין פאזות או לבטלו. ניתן להפחית את האחוז הנפחי של הפאזה המוזרקת, משום שתחליבים בעלי טיפות קטנות יותר דורשים נפח קטן יותר כדי לספק את אותו שטח מגע עם הפאזה האחרת המכילה מגיב.
השימוש בתוסף זה עשוי להפחית את הכמות הנדרשת של זרזים אמפיפיליים לתחליבים או של זרזי מעבר בין פאזות (PTC), כגון מלחי אמוניום רבעוניים בעלי היכולת הייחודית להתמוסס הן בנוזלים מימיים והן בנוזלים אורגניים.

העברת מסה משופרת לתגובות כימיות

כאשר שתי פאזות של מגיבים מגיבות בגבול שבין הפאזות, תוצרי התגובה מצטברים על פני הטיפות ומונעים מפאזות המגיבים לבוא במגע זו עם זו בממשק. הגזירה ההידראולית הנגרמת מהקוויטציה האולטרסונית יוצרת זרימה טורבולנטית והסעת חומר מפני הטיפות ואליהם, ומובילה להתאחות חוזרת ונשנית ולאחריה להיווצרות טיפות חדשות. ככל שהתגובה מתקדמת עם הזמן, הסוניקציה ממקסמת את החשיפה ואת האינטראקציה בין המגיבים.
השפעה זו מנוצלת בתהליכים רבים, כגון טרנסאסטריפיקציה של שמנים צמחיים לביודיזל או סינתזה של פוליאסטרים באמצעות טרנסאסטריפיקציה של דיאסטרים עם דיולים ליצירת מקרומולקולות.

תחלוב / יצירת תחליב

תוסף זה לתא זרימה משפר את התחלוב בעת ערבוב נוזלים שאינם מתערבבים זה בזה. הדבר מוביל לטיפות קטנות יותר ולהתפלגות גדלים צרה יותר – גורם מפתח ביציבות התחליב. תכנון זה מאפשר להזריק נוזלים בעלי צמיגות נמוכה ובינונית ולתחלב אותם אפילו בתוך נוזלים בעלי צמיגות גבוהה, כגון שמני דלק כבדים (HFOs), פולימרים או ג'לים. פורמולציות מסוימות עשויות לדרוש הוספת מתחלבים או מייצבים. במקרה כזה, התוסף מסייע לערבב את המתחלב באופן אחיד. ניתן לקבל לפי בקשה תכנונים מותאמים אישית להזרקת יותר מפאזה אחת דרך הקנולות.

מיצוי נוזל–נוזל

תוסף זה משפר תהליכי מיצוי נוזל–נוזל באמצעות יצירת תחליב טורבולנטי בעל טיפות זעירות, למשל של פאזת ממס בתוך פאזת שמן. גם כאן, הדבר מגדיל את שטח המגע בין הפאזות ומוביל למיצוי משופר ולהפחתת השימוש בממס.

דלקים מתוחלבים במים לבעירה נקייה יותר

ניתן לתחלב במים שמני דלק באיכות נמוכה, כגון שמן דלק כבד המשמש בכלי שיט או לייצור חשמל. הדבר מוביל לבעירה יעילה יותר ולירידה משמעותית בפליטות NO_x ובפיח.
קראו עוד על תחלוב אולטרסוני של דלקים עם מים (דלקי תחליב)!

שיקוע / התגבשות בסיוע אולטרסאונד

ניתן לייצר פיגמנטים או ננו־חלקיקים בגישת בנייה מלמטה למעלה באמצעות שיקוע בנוזלים. במקרה זה, תערובת ברוויית־יתר מתחילה ליצור חלקיקים מוצקים או גבישים מתוך החומר המרוכז מאוד. חלקיקים אלה יגדלו עד לשלב מסוים ולבסוף ישקעו. כדי לשלוט בגודל ובמורפולוגיה של החלקיקים או הגבישים, חיוני לשלוט בערבוב חומרי המוצא והמגיבים.
באופן כללי, תהליך השיקוע כולל: ערבוב, רוויית־יתר, התגרענות, גדילת חלקיקים ואגלומרציה. את האגלומרציה מונעים באמצעות ריכוז מוצקים נמוך או חומרים מייצבים. הערבוב קריטי, שכן ברוב תהליכי השיקוע מהירות התגובה גבוהה מאוד. InsertMPC48 משלב סילונים מוזרקים צרים ומהירים עם גזירה חזקה הנוצרת בקוויטציה אולטרסונית. הדבר ממקסם את מהירות הערבוב ואת ביצועיו ויוצר חלקיקים רבים יותר וקטנים יותר.

מבדיקות מעבדה לקנה מידה של פיילוט ולייצור

Hielscher Ultrasonics מציעה ציוד לבדיקה, לאימות וליישום של טכנולוגיה זו בכל קנה מידה. קל לשלב את הקונספט בתהליכים קיימים.

1. הזינו את פאזה A לפתח כניסת הנוזל בתחתית תא הזרימה
2. הזינו את פאזה B לפתח או לפתחי כניסת הנוזל הקטנים יותר שבצד תא הזרימה. הזנה זו תוזרק לאזור הקוויטציה דרך 48 צינוריות דקות
3. כוונו את הלחץ בכור באמצעות שסתום לחץ נגדי בפתח היציאה של תא הזרימה

בקנה מידה שולחני, מכשיר הסוניקציה UIP1000hdT בהספק 1kW יכול לעבד בספיקות זרימה של 100 עד 1000L/hr (25 עד 250 gal/hr) לצורך הדגמת התהליך ומיטוב פרמטרי הסוניקציה. המעבדים האולטרסוניים של Hielscher מתוכננים להגדלת קנה מידה ליניארית לנפחי עיבוד גדולים יותר בקנה מידה של פיילוט או ייצור. הטבלה שלהלן מפרטת את נפחי העיבוד ואת גדלי הציוד המומלצים.