MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 ultrahangos átfolyó cellához
A MultiPhaseCavitator betétet (Insert MPC48) folyadék/folyadék vagy folyadék/gáz keverékek ultrahangos feldolgozásának javítására tervezték. 48 nagyon finom kanül folyadékot vagy gázt fecskendez egy folyadékfázisba, közvetlenül a kavitációs zónában. Ez nagyon kis méretű, szuszpendált cseppeket vagy gázbuborékokat hoz létre, amelyek nagyon nagy fajlagos felületet biztosítanak.
Ez a betét különösen hasznos az emulziókémiában, például fázistranszfer-reakciók, fázistranszfer-katalízis (PTC) vagy folyadék–folyadék extrakció esetén. További érdekes alkalmazási terület a részecskék kicsapatása két folyékony prekurzorból, illetve az ultrahangos kristályosítás. Ezt a betétet Hielscher átfolyó cellás reaktorokhoz tervezték, és szakaszos vagy folyamatos feldolgozást tesz lehetővé.
Egy és 48 befecskendezőnyílás
Az ultrahangos kezelés hatékony eszköz az emulgeáláshoz és a keveréshez. A hagyományos elrendezéssel szemben, amelyben a különálló fázisokat még az átfolyó cellába és a kavitációs zónába való belépésük előtt egyesítik, ez az átfolyócellabetét javítja a két fázis egyesítését. Amikor egy folyadékot a 48 finom kanülön keresztül fecskendeznek be, az nagyon vékony folyadékszálak formájában lép be az átfolyó cellába. A betét 48 nagyon finom orvosi kanült használ, amelyek belső átmérője 0,3mm és 1,2mm közötti. Ezek a kanülök könnyen cserélhetők, és alacsony költségű fogyóeszközök (sterilek, kb. 2ct/pc). A 20kHz frekvenciájú ultrahangos kavitáció apró cseppekre bontja a 48 beérkező folyadékszálat, amikor azok belépnek az átfolyó cellában lévő folyadékfázisba.
A kialakítás egyetlen betáplálásból azonos betáplálási nyomást biztosít mind a 48 kanülnek, hogy kiegyenlítse a kanülökön átáramló folyadék térfogatáramát.
48 bemeneti nyílás az ultrahangos reaktorba folyadék–folyadék reakciókhoz
Befecskendezés az ultrahangos MultiPhaseCavitator készülékbe
InsertMPC48 – 48 finom kanül végződik a kavitációs zónában
FC100L1K-1S ultrahangos átfolyó cellás reaktor InsertMPC48 betéttel
Felhasználási és alkalmazási területek
A Hielscher ultrahangos reaktorokat gyakran használják emulgeálásra, a fázistranszfer-folyamatok kinetikájának javítására vagy az oldódási sebesség növelésére folyadék–folyadék fázisrendszerekben. Ilyen folyamat például a hidrogén-peroxiddal végzett oxidatív kéntelenítés és az azt követő oldószeres extrakció, illetve a trigliceridek báziskatalizált átészterezése.
Az egyik reagensfázis korlátozott oldhatósága a másik reagensfázisban jelentős probléma az emulziókémiai folyamatokban, mivel a két fázis csak a fázishatáron reagál egymással. Ultrahang alkalmazása nélkül ez alacsony reakciósebességet és lassú átalakulási kinetikát eredményez a kétfázisú rendszerekben.
Ha a betétet ultrahangos reaktorral használják, a kavitáció erős hidraulikus nyírást hoz létre, és a befecskendezett fázist szubmikronos és nanoméretű cseppekre bontja. Mivel a fázishatár fajlagos felülete befolyásolja a kémiai reakció sebességét, a cseppátmérő e jelentős csökkenése javítja a reakciókinetikát, és csökkentheti vagy megszüntetheti a fázistranszfer-ágensek szükségességét. A befecskendezett fázis térfogatszázaléka csökkenthető lehet, mivel a finomabb emulziók kisebb térfogattal is ugyanakkora érintkezési felületet biztosítanak a másik reagensfázissal.
E betét használata csökkentheti a szükséges amfifil emulziós katalizátorok vagy fázistranszfer-katalizátorok (PTC) mennyiségét, például az olyan kvaterner ammóniumsókét, amelyek egyedülálló módon vizes és szerves folyadékokban egyaránt képesek oldódni.
Fokozott anyagátadás kémiai reakciókhoz
Amikor két reagensfázis a fázishatáron reagál egymással, a reakciótermékek felhalmozódnak a cseppek felületén, és megakadályozzák a reagensfázisok kölcsönhatását a határfelületen. Az ultrahangos kavitáció által okozott hidraulikus nyírás turbulens áramlást és a cseppek felületétől, illetve a felületük felé irányuló anyagtranszportot eredményez, továbbá ismétlődő koaleszcenciához és azt követően új cseppek képződéséhez vezet. Ahogy a reakció időben előrehalad, az ultrahangos kezelés maximalizálja a reagensek érintkezési lehetőségét és kölcsönhatását.
Ezt a hatást számos folyamatban alkalmazzák, például növényi olajok biodízellé történő átészterezésénél, illetve poliészterek szintézisénél, amelyben diésztereket diolokkal átészterezve makromolekulákat képeznek.
Emulgeálás / emulzióképzés
Ez az átfolyócellabetét javítja az emulgeálást egymással nem elegyedő folyadékok keverésekor. Ez kisebb cseppméretet és szűkebb méreteloszlást eredményez – az emulzió stabilitásának kulcsfontosságú tényezőjét. Ezzel a kialakítással kis és közepes viszkozitású folyadékokat fecskendezhet be és emulgeálhat akár nagy viszkozitású folyadékokban is, például nehéz fűtőolajokban (HFOs), polimerekben vagy gélekben. Egyes készítményekhez emulgeálószerek vagy stabilizátorok hozzáadása lehet szükséges. Ebben az esetben a betét elősegíti az emulgeálószer egyenletes elkeverését. Kérésre olyan egyedi kialakítások is rendelkezésre állnak, amelyekkel egynél több fázis fecskendezhető be a kanülökön keresztül.
Folyadék–folyadék extrakció
Ez a betét javítja a folyadék–folyadék extrakciós folyamatokat azáltal, hogy finom cseppméretű, turbulens emulziót hoz létre, például egy oldószerfázisból egy olajfázisban. Ez szintén növeli a fázisok érintkezési felületét, és jobb extrakciót, valamint csökkent oldószerfelhasználást eredményez.
Víztartalmú üzemanyagok a tisztább égésért
Az alacsony minőségű fűtőolajok, például a tengeri hajókon vagy villamosenergia-termelésre használt nehéz fűtőolaj, vízzel emulgeálhatók. Ez hatékonyabb égést eredményez, és jelentősen csökkenti a NOx kibocsátását és a korom mennyiségét.
Olvasson többet a víztartalmú üzemanyagok (emulziós üzemanyagok) ultrahangos emulgeálásáról!
Kicsapatás / ultrahangos kristályosítás
Pigmentek vagy nanorészecskék alulról felfelé építkező eljárással, folyadékokban végzett kicsapatással állíthatók elő. Ebben az esetben egy túltelített keverékben a nagy koncentrációjú anyagból szilárd részecskék vagy kristályok kezdenek képződni. Ezek a részecskék egy bizonyos méretig növekednek, majd végül kicsapódnak. A részecskék/kristályok méretének és morfológiájának szabályozásához elengedhetetlen a prekurzorok/reagensek keverésének szabályozása.
A kicsapatási folyamat általában a következőket foglalja magában: keverés, túltelítés, magképződés, részecskenövekedés és agglomeráció. Ez utóbbi alacsony szilárdanyag-koncentrációval vagy stabilizálószerekkel kerülhető el. A keverés kritikus fontosságú, mivel a legtöbb kicsapatási folyamatban nagyon nagy a reakció sebessége. Az InsertMPC48 a gyors, vékony befecskendezett folyadéksugarakat erős ultrahangos kavitációs nyírással kombinálja. Ez maximalizálja a keverés sebességét és teljesítményét, több és kisebb részecskét létrehozva.
Folyamatos ultrahangos kicsapatási reakcióban előállított Fe3O4 (magnetit) részecskék méreteloszlása (Banert et al., 2004).
A laboratóriumi teszteléstől a kísérleti üzemi léptékig és a gyártásig
A Hielscher Ultrasonics berendezéseket kínál e technológia teszteléséhez, ellenőrzéséhez és alkalmazásához bármilyen léptékben. A koncepció könnyen beilleszthető a meglévő folyamatokba.
- Táplálja be az A fázist az átfolyó cella alján található folyadékbemeneti nyílásba
- Táplálja be a B fázist az átfolyó cella oldalán található kisebb folyadékbemeneti nyílásba vagy nyílásokba. Ez a betáplált közeg 48 finom csövön keresztül kerül befecskendezésre a kavitációs térbe
- Állítsa be a reaktor nyomását az átfolyó cella kimeneti nyílásánál elhelyezett ellennyomásszelep segítségével
Laboratóriumi asztali léptékben az 1kW teljesítményű UIP1000hdT ultrahangos kezelőberendezés 100 és 1000L/hr közötti térfogatáramokat (25 és 250 gal/hr között) képes feldolgozni a folyamat bemutatásához és az ultrahangos kezelés paramétereinek optimalizálásához. A Hielscher ultrahangos feldolgozóberendezéseket a feldolgozási térfogat lineáris növelésére tervezték kísérleti üzemi vagy gyártási léptékben. Az alábbi táblázat a feldolgozási térfogatokat és az ajánlott berendezésméreteket sorolja fel.
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 0,2L | 0,25–2m3/hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0,2L | 1–8m3/hr | UIP4000hdT |
| n.a. | 4–30m3/hr | UIP16000hdT |
| n.a. | 30m3/hr felett | csoportba kapcsolt UIP10000 vagy UIP16000hdT |
Gyakran ismételt kérdések a MultiPhaseCavitator – MPC48 ultrahangos átfolyócellabetétről
Mi a MultiPhaseCavitator betét (MPC48 átfolyócellabetét)?
A MultiPhaseCavitator betét (InsertMPC48) egy átfolyócellabetét, amelyet folyadék/folyadék vagy folyadék/gáz keverékek ultrahangos feldolgozásának javítására terveztek. 48 nagyon finom kanült használ, amelyek folyadékot vagy gázt fecskendeznek egy folyadékfázisba közvetlenül a kavitációs zónában, nagyon kis méretű, szuszpendált cseppeket vagy nagy fajlagos felületű gázbuborékokat létrehozva.
Mit jelent az MPC48?
Az MPC a MultiPhaseCavitator rövidítése. A 48-as szám azt jelzi, hogy a betét 48 kanüllel rendelkezik befecskendezési pontként. Kérésre az átfolyócellabetét több vagy kevesebb kanüllel is felszerelhető.
Hogyan működik az MPC48 átfolyócellabetét?
Amikor egy folyadékot a 48 finom orvosi kanülön keresztül fecskendeznek be (belső átmérőjük 0,3 mm és 1,2 mm közötti), az nagyon vékony folyadékszálak formájában lép be az átfolyó cellába. A 20 kHz frekvenciájú ultrahangos kavitáció apró cseppekre bontja ezeket a beérkező folyadékszálakat, amikor azok belépnek a folyadékfázisba. A kialakítás egyetlen betáplálásból azonos betáplálási nyomást biztosít mind a 48 kanülnek, hogy kiegyenlítse a rajtuk átáramló folyadék térfogatáramát.
Milyen alkalmazásokra a legalkalmasabb a MultiPhaseCavitator betét?
Különösen hasznos az emulziókémiában, például fázistranszfer-reakciók, fázistranszfer-katalízis (PTC) és folyadék–folyadék extrakció esetén. Jól alkalmazható részecskék két folyékony prekurzorból történő kicsapatására és ultrahangos kristályosításra is. A betétet Hielscher átfolyó cellás reaktorokhoz tervezték, és szakaszos vagy folyamatos feldolgozást tesz lehetővé.
Hogyan javítja az MPC48 betét a fázistranszfer-reakciókat?
Mivel az egyik reagensfázis korlátozott oldhatósága a másikban a fázishatárra korlátozza a reakciót, a kétfázisú rendszerekben ultrahang alkalmazása nélkül gyakran alacsony a reakciósebesség. A betéttel a kavitáció erős hidraulikus nyírást hoz létre, és a befecskendezett fázist szubmikronos és nanoméretű cseppekre bontja. A cseppátmérő e jelentős csökkenése javítja a reakciókinetikát, és csökkentheti vagy megszüntetheti a fázistranszfer-ágensek szükségességét.
Csökkentheti a betét a szükséges katalizátor mennyiségét?
Igen. A betét csökkentheti a szükséges amfifil emulziós katalizátorok vagy fázistranszfer-katalizátorok (PTC), például kvaterner ammóniumsók mennyiségét, mivel a finomabb emulziók kisebb térfogattal is ugyanakkora érintkezési felületet biztosítanak a másik reagensfázissal.
Hogyan fokozza az anyagátadást a kémiai reakciókban?
A reakciótermékek felhalmozódhatnak a cseppek felületén, és megakadályozhatják a reagensek kölcsönhatását a határfelületen. Az ultrahangos kavitációból származó hidraulikus nyírás turbulens áramlást és a cseppek felülete felé, illetve attól elfelé irányuló anyagtranszportot hoz létre, ami ismétlődő koaleszcenciához és új cseppek képződéséhez vezet. Az idő előrehaladtával az ultrahangos kezelés maximalizálja a reagensek érintkezési lehetőségét és kölcsönhatását – ezt olyan folyamatokban alkalmazzák, mint a növényi olajok biodízellé történő átészterezése vagy a poliészterek szintézise.
Hatékony a betét a folyadék–folyadék extrakcióhoz?
Igen. A betét javítja a folyadék–folyadék extrakciót azáltal, hogy finom cseppméretű, turbulens emulziót hoz létre, például egy oldószerfázisból egy olajfázisban. Ez növeli a fázisok érintkezési felületét, és jobb extrakciót eredményez csökkent oldószerfelhasználás mellett.
Használható víztartalmú üzemanyagokhoz?
Igen. Az alacsony minőségű fűtőolajok, például a tengeri hajókon vagy villamosenergia-termelésre használt nehéz fűtőolaj, vízzel emulgeálhatók. Ez hatékonyabb égéshez, valamint a NOx kibocsátásának és a korom mennyiségének jelentős csökkenéséhez vezet.
Ismerje meg a víztartalmú üzemanyagok ultrahangos emulgeálásának előnyeit!
Hogyan segíti a betét a kicsapatást és az ultrahangos kristályosítást?
Pigmentek vagy nanorészecskék alulról felfelé építkező eljárással, folyadékokban végzett kicsapatással állíthatók elő. Az Insert MPC48 a gyors, vékony befecskendezett folyadéksugarakat erős ultrahangos kavitációs nyírással kombinálja, ami maximalizálja a keverés sebességét és teljesítményét, több és kisebb részecskét létrehozva. Mivel sok kicsapatási reakció sebessége nagyon nagy, elengedhetetlen a prekurzorok/reagensek keverésének szabályozása, és a betét segít szabályozni a részecskék/kristályok méretét és morfológiáját.
A kanülök fogyóeszközök?
Igen. A 48 finom orvosi kanül könnyen cserélhető, és alacsony költségű fogyóeszköz (steril, kb. 2 ct/pc). Ezek a kanülök szabványos fogyóeszközök, és helyben könnyen beszerezhetők. Kérésre olyan egyedi kialakítások is rendelkezésre állnak, amelyekkel egynél több fázis fecskendezhető be a kanülökön keresztül.
Hogyan állítható be az átfolyó cella az InsertMPC48 betéttel?
A koncepció könnyen beilleszthető a meglévő folyamatokba: táplálja be az A fázist az átfolyó cella alján található folyadékbemeneti nyílásba, a B fázist pedig az oldalt található kisebb folyadékbemeneti nyílásba vagy nyílásokba (a közeg a 48 finom csövön keresztül kerül befecskendezésre a kavitációs térbe), majd állítsa be a reaktor nyomását az átfolyó cella kimeneti nyílásánál elhelyezett ellennyomásszelep segítségével.
Milyen léptéknövelési lehetőségek és berendezésméretek állnak rendelkezésre?
A Hielscher berendezéseket kínál e technológia teszteléséhez, ellenőrzéséhez és alkalmazásához bármilyen léptékben, a laboratóriumi asztali léptéktől a kísérleti üzemi és gyártási léptékig történő lineáris léptéknöveléssel. Például egy UIP1000hd (1 kW) 100–1 000 L/hr térfogatáramot képes feldolgozni bemutatáshoz és paraméteroptimalizáláshoz; az ajánlott készülékek köre az UIP1000hd/UIP2000hd modellektől az UIP4000 és UIP16000 modellekig terjed, 30 m³/hr feletti térfogatáramokhoz pedig csoportba kapcsolt UIP10000 vagy UIP16000 készülékek használhatók.
MPC48 ultrahangos átfolyócellabetét – MultiPhaseCavitator