MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 za ultrazvučnu protočnu ćeliju

Umetak MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) osmišljen je za poboljšanje ultrazvučne obrade smjesa tekućina/tekućina ili tekućina/plin. 48 vrlo tankih kanila ubrizgava tekućinu ili plin u tekuću fazu izravno u zoni kavitacije. Time nastaju vrlo sitne suspendirane kapljice ili mjehurići plina s vrlo velikom specifičnom površinom.

Ovaj je umetak posebno koristan u kemiji emulzija, primjerice za reakcije s prijenosom između faza, katalizu s prijenosom između faza (PTC) ili ekstrakciju tekućina–tekućina. Još jedno zanimljivo područje primjene jest taloženje čestica iz dvaju tekućih prekursora ili sonokristalizacija. Ovaj je umetak namijenjen reaktorima Hielscher s protočnom ćelijom i omogućuje šaržnu ili kontinuiranu obradu.

Jedan i 48 otvora za ubrizgavanje

Ultrazvučna obrada učinkovito je sredstvo za emulgiranje i miješanje. Za razliku od uobičajene konfiguracije, u kojoj se odvojene faze spajaju prije ulaska u protočnu ćeliju i područje kavitacije, ovaj umetak za protočnu ćeliju poboljšava spajanje dviju faza. Kada se tekućina ubrizgava kroz 48 tankih kanila, ulazi u protočnu ćeliju u vrlo tankim mlazovima. Umetak ima 48 vrlo tankih medicinskih kanila s unutarnjim promjerima od 0,3mm do 1,2mm. Te se kanile mogu lako zamijeniti i predstavljaju jeftin potrošni materijal (sterilne, približno 2ct/kom.). Ultrazvučna kavitacija (pri 20kHz) razbija 48 ulaznih mlazova tekućine u sitne kapljice kada ulaze u tekuću fazu u protočnoj ćeliji.
Konstrukcija omogućuje primjenu jednakog dovodnog tlaka iz jednog izvora na svih 48 kanila kako bi se ujednačio protok kroz kanile.

48 ulaznih otvora u ultrazvučni reaktor za reakcije tekućina–tekućina

Uporaba i primjene

Ultrazvučni reaktori Hielscher često se upotrebljavaju za emulgiranje, poboljšanje kinetike procesa prijenosa između faza ili povećanje brzine otapanja u sustavima tekućina–tekućina. Primjeri takvih procesa jesu oksidativno odsumporavanje vodikovim peroksidom i naknadna ekstrakcija otapalom ili bazno katalizirana transesterifikacija triglicerida.
Ograničena topljivost jedne reaktantske faze u drugoj reaktantskoj fazi značajan je problem u kemiji emulzijskih procesa jer dvije faze međusobno reagiraju samo na međufaznoj granici. Bez primjene ultrazvuka to rezultira malim brzinama reakcije i sporom kinetikom pretvorbe u dvofaznim sustavima.
Pri uporabi umetka s ultrazvučnim reaktorom kavitacija stvara snažno hidrauličko smicanje i razbija ubrizganu fazu u kapljice submikrometarskih i nanometarskih veličina. Budući da specifična površina međufazne granice utječe na brzinu kemijske reakcije, ovo značajno smanjenje promjera kapljica poboljšava kinetiku reakcije i može smanjiti ili ukloniti potrebu za sredstvima za prijenos između faza. Volumni udio ubrizgane faze može se smanjiti jer je finijim emulzijama potreban manji volumen za postizanje jednake dodirne površine s drugom reaktantskom fazom.
Uporaba ovog umetka može smanjiti potrebnu količinu amfifilnih katalizatora za emulzije ili katalizatora prijenosa između faza (PTC), kao što su kvaterne amonijeve soli s jedinstvenom sposobnošću otapanja i u vodenim i u organskim tekućinama.

Poboljšan prijenos tvari za kemijske reakcije

Kada dvije faze reaktanata reagiraju na granici faza, produkti reakcije nakupljaju se na površini kapljica i sprječavaju međudjelovanje faza reaktanata na međufaznoj granici. Hidrauličko smicanje uzrokovano ultrazvučnom kavitacijom dovodi do turbulentnog strujanja i prijenosa tvari s površina kapljica i prema njima te do ponavljane koalescencije i naknadnog stvaranja novih kapljica. Kako reakcija napreduje tijekom vremena, sonikacija maksimizira izloženost i međudjelovanje reaktanata.
Taj se učinak primjenjuje u mnogim procesima, poput transesterifikacije biljnih ulja u biodizel ili sinteze poliestera transesterifikacijom diestera s diolima radi stvaranja makromolekula.

Emulgiranje / Emulgacija

Ovaj umetak za protočnu ćeliju poboljšava emulgiranje pri miješanju tekućina koje se međusobno ne miješaju. Time se postižu manje kapljice i uža raspodjela veličina – ključan čimbenik stabilnosti emulzije. Ova konstrukcija omogućuje ubrizgavanje i emulgiranje tekućina niske i srednje viskoznosti čak i u tekućine visoke viskoznosti, poput teških loživih ulja (HFO), polimera ili gelova. Neke formulacije mogu zahtijevati dodavanje emulgatora ili stabilizatora. U tom slučaju pomaže ravnomjerno umiješati emulgator. Prilagođene izvedbe za ubrizgavanje više od jedne faze kroz kanile dostupne su na zahtjev.

Ekstrakcija tekuće–tekuće

Ovaj umetak pospješuje procese ekstrakcije tekuće–tekuće stvaranjem turbulentne emulzije sitnih kapljica, primjerice faze otapala u uljnoj fazi. Time se ponovno povećava dodirna površina faza, što dovodi do bolje ekstrakcije i smanjene potrošnje otapala.

Goriva s vodom za čišće izgaranje

Loživa ulja niže kvalitete, poput teškog loživog ulja koje se upotrebljava na brodovima ili za proizvodnju električne energije, mogu se emulgirati s vodom. To dovodi do učinkovitijeg izgaranja i značajnog smanjenja emisija NO_x i čađe.
Pročitajte više o ultrazvučnom emulgiranju goriva s vodom (emulzijskih goriva)!

Taloženje / Sonokristalizacija

Pigmenti ili nanočestice mogu se dobiti pristupom odozdo prema gore taloženjem u tekućinama. U tom slučaju prezasićena smjesa počinje stvarati čvrste čestice ili kristale iz visokokoncentriranog materijala. Te čestice rastu do određene veličine i naposljetku se talože. Za kontrolu veličine i morfologije čestica ili kristala ključno je kontrolirati miješanje prekursora ili reaktanata.
Općenito, proces taloženja obuhvaća: miješanje, prezasićenje, nukleaciju, rast čestica i aglomeraciju. Aglomeracija se izbjegava niskom koncentracijom čvrste tvari ili stabilizatorima. Miješanje je ključno jer je u većini procesa taloženja brzina reakcije vrlo visoka. InsertMPC48 kombinira brze, uske ubrizgane mlazove sa snažnim smicanjem uzrokovanim ultrazvučnom kavitacijom. Time se maksimiziraju brzina i učinkovitost miješanja te nastaje više čestica manje veličine.

Od laboratorijskih ispitivanja do pilotnog mjerila i proizvodnje

Hielscher Ultrasonics nudi opremu za ispitivanje, provjeru i primjenu ove tehnologije u bilo kojem mjerilu. Koncept je lako uklopiti u postojeće procese.

1. Dovedite fazu A u ulazni priključak za tekućinu na dnu protočne ćelije
2. Dovedite fazu B u manji ulazni priključak ili priključke za tekućinu na bočnoj strani protočne ćelije. Taj će se dovodni tok ubrizgavati u kavitacijsko područje kroz 48 tankih cjevčica
3. Podesite tlak u reaktoru pomoću ventila za regulaciju protutlaka na izlaznom priključku protočne ćelije

U laboratorijskom stolnom postavu sonikator UIP1000hdT snage 1kW može obrađivati tekućinu pri protocima od 100 do 1000L/hr (25 do 250 gal/hr) radi demonstracije procesa i optimizacije parametara sonikacije. Hielscher ultrazvučni procesori projektirani su za linearno povećanje mjerila na veće volumene obrade u pilotnom ili proizvodnom mjerilu. Tablica u nastavku navodi volumene obrade i preporučene veličine uređaja.