MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 per cella di flusso a ultrasuoni

L’inserto MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) è progettato per migliorare il trattamento a ultrasuoni di miscele liquido/liquido o liquido/gas. 48 cannule molto sottili iniettano liquido o gas in una fase liquida direttamente nella zona di cavitazione. Si creano così minuscole goccioline sospese o bolle di gas, che offrono una superficie specifica molto elevata.

Questo inserto è particolarmente utile nella chimica delle emulsioni, ad esempio per le reazioni a trasferimento di fase, la catalisi a trasferimento di fase (PTC) o l’estrazione liquido-liquido. Un altro interessante campo di applicazione è la precipitazione di particelle da due precursori liquidi o la sonocristallizzazione. Questo inserto è progettato per i reattori con cella di flusso Hielscher e consente il trattamento in batch o in continuo.

Una porta e 48 porte di iniezione

Il trattamento a ultrasuoni è un metodo efficace per l’emulsificazione e la miscelazione. Rispetto alla configurazione convenzionale, nella quale le fasi separate vengono combinate prima di entrare nella cella di flusso e nella zona di cavitazione, questo inserto per cella di flusso migliora la combinazione delle due fasi. Quando un liquido viene iniettato attraverso le 48 cannule sottili, entra nella cella di flusso sotto forma di filamenti molto stretti. L’inserto utilizza 48 cannule medicali molto sottili con diametri interni da 0,3mm a 1,2mm. Queste cannule possono essere sostituite facilmente e sono materiali di consumo a basso costo (sterili, circa 2ct/pc). La cavitazione ultrasonica (a 20kHz) frammenta i 48 filamenti di liquido in ingresso in piccole goccioline quando entrano nella fase liquida all’interno della cella di flusso.
La configurazione applica la stessa pressione di alimentazione, da un’unica sorgente, a tutte le 48 cannule per uniformare la portata tra le cannule.

48 porte di ingresso nel reattore a ultrasuoni per reazioni liquido-liquido

Usi e applicazioni

I reattori a ultrasuoni Hielscher vengono spesso utilizzati per emulsionare, migliorare la cinetica dei processi di trasferimento di fase o aumentare la velocità di dissoluzione nei sistemi a fasi liquido-liquido. Esempi di questi processi sono la desolforazione ossidativa con perossido di idrogeno seguita dall’estrazione con solvente, oppure la transesterificazione dei trigliceridi catalizzata da basi.
La solubilità limitata di una fase reagente in un’altra fase reagente costituisce un problema significativo nella chimica dei processi in emulsione, poiché le due fasi reagiscono tra loro soltanto all’interfaccia. Senza ultrasuoni, ciò comporta basse velocità di reazione e una cinetica di conversione lenta nei sistemi bifasici.
Utilizzando l’inserto con un reattore a ultrasuoni, la cavitazione produce elevate sollecitazioni di taglio idraulico e frammenta la fase iniettata in goccioline di dimensioni submicrometriche e nanometriche. Poiché la superficie specifica dell’interfaccia tra le fasi influisce sulla velocità della reazione chimica, questa significativa riduzione del diametro delle goccioline migliora la cinetica di reazione e può ridurre o eliminare la necessità di agenti di trasferimento di fase. La percentuale in volume della fase iniettata può essere ridotta, perché le emulsioni più fini richiedono un volume minore per fornire la stessa superficie di contatto con l’altra fase reagente.
L’uso di questo inserto può ridurre la quantità necessaria di catalizzatori anfifilici per emulsioni o di catalizzatori a trasferimento di fase (PTC), come i sali di ammonio quaternario, con la loro peculiare capacità di dissolversi sia nei liquidi acquosi sia in quelli organici.

Trasferimento di massa migliorato per le reazioni chimiche

Quando due fasi reagenti reagiscono all’interfaccia tra le fasi, i prodotti di reazione si accumulano sulla superficie delle goccioline e impediscono alle fasi reagenti di interagire all’interfaccia. Il taglio idraulico causato dalla cavitazione ultrasonica genera un flusso turbolento e il trasporto di materia da e verso le superfici delle goccioline, provocando ripetuti fenomeni di coalescenza e la successiva formazione di nuove goccioline. Man mano che la reazione procede nel tempo, la sonicazione massimizza l’esposizione e l’interazione dei reagenti.
Questo effetto viene sfruttato in numerosi processi, come la transesterificazione degli oli vegetali per ottenere biodiesel o la sintesi di poliesteri mediante transesterificazione di diesteri con dioli per formare macromolecole.

Emulsionamento / Emulsificazione

Questo inserto per cella di flusso migliora l’emulsificazione durante la miscelazione di liquidi immiscibili. Si ottengono così goccioline più piccole e una distribuzione dimensionale più stretta – un fattore chiave per la stabilità di un’emulsione. Con questa configurazione è possibile iniettare ed emulsionare liquidi a bassa e media viscosità anche in liquidi ad alta viscosità, come oli combustibili pesanti (HFO), polimeri o gel. Alcune formulazioni possono richiedere l’aggiunta di emulsionanti o stabilizzanti. In questo caso, l’inserto aiuta a miscelare uniformemente l’emulsionante. Su richiesta sono disponibili configurazioni personalizzate per l’iniezione di più di una fase attraverso le cannule.

Estrazione liquido-liquido

Questo inserto potenzia i processi di estrazione liquido-liquido creando un’emulsione turbolenta a goccioline fini, ad esempio di una fase solvente in una fase oleosa. Anche in questo caso, aumenta la superficie di contatto tra le fasi, migliorando l’estrazione e riducendo il consumo di solvente.

Combustibili emulsionati con acqua per una combustione più pulita

Gli oli combustibili di bassa qualità, come l’olio combustibile pesante utilizzato sulle navi o per la produzione di energia, possono essere emulsionati con acqua. Ciò consente una combustione più efficiente e una riduzione significativa delle emissioni di NO_x e di fuliggine.
Scopri di più sull’emulsificazione a ultrasuoni dei combustibili con acqua (combustibili in emulsione)!

Precipitazione / Sonocristallizzazione

Pigmenti o nanoparticelle possono essere prodotti con un approccio bottom-up mediante precipitazione nei liquidi. In questo caso, una miscela sovrasatura inizia a formare particelle solide o cristalli a partire dal materiale altamente concentrato. Queste particelle crescono fino a un certo punto e infine precipitano. Per controllare le dimensioni e la morfologia delle particelle o dei cristalli, è essenziale controllare la miscelazione dei precursori e dei reagenti.
In generale, il processo di precipitazione comprende: miscelazione, sovrasaturazione, nucleazione, crescita delle particelle e agglomerazione. Quest’ultima viene evitata mediante una bassa concentrazione di solidi o l’uso di agenti stabilizzanti. La miscelazione è cruciale, poiché nella maggior parte dei processi di precipitazione la velocità di reazione è molto elevata. InsertMPC48 combina getti iniettati rapidi e stretti con intense sollecitazioni di taglio generate dalla cavitazione ultrasonica. Ciò massimizza la velocità e l’efficacia della miscelazione, creando un maggior numero di particelle più piccole.

Dalle prove di laboratorio alla scala pilota e alla produzione

Hielscher Ultrasonics offre apparecchiature per testare, verificare e utilizzare questa tecnologia a qualsiasi scala. Il concetto è facile da integrare nei processi esistenti.

1. Alimentare la fase A attraverso la porta di ingresso del liquido sul fondo della cella di flusso
2. Alimentare la fase B attraverso la porta o le porte di ingresso del liquido più piccole sul lato della cella di flusso. Questa alimentazione verrà iniettata nella zona di cavitazione attraverso 48 tubicini sottili
3. Regolare la pressione del reattore mediante una valvola di contropressione sulla porta di uscita della cella di flusso

Su scala da banco, il sonicatore UIP1000hdT da 1kW può trattare portate da 100 a 1000L/hr (da 25 a 250 gal/hr) per la dimostrazione del processo e l’ottimizzazione dei parametri di sonicazione. I processori a ultrasuoni Hielscher sono progettati per un aumento di scala lineare verso volumi di trattamento maggiori su scala pilota o di produzione. La tabella seguente riporta i volumi di trattamento e le taglie consigliate delle apparecchiature.