MultiPhaseCavitator – Inserire l'MPC48 per la cella di flusso a ultrasuoni

The MultiPhaseCavitator Insert (Insert MPC48) is designed to improve the ultrasonic processing of liquid/liquid or liquid/gas mixes. 48 very fine cannulas inject liquid or gas into a liquid phase right in the cavitation zone. This creates very small suspended droplets or gas bubbles yielding a very high specific surface area.

Questo inserto è particolarmente utile per la chimica delle emulsioni, come le reazioni di trasferimento di fase, Catalisi a trasferimento di fase (PTC) o Estrazione liquido-liquido. Un altro interessante campo di applicazione è la precipitazione di particelle da due precursori liquidi o la sono-cristallizzazione. Questo inserto è stato progettato per i reattori a celle di flusso Hielscher e consente il trattamento in batch o in continuo.

Una e 48 porte di iniezione

Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace per l'emulsionamento e la miscelazione. A differenza della configurazione convenzionale, in cui le fasi separate vengono combinate prima di entrare nella cella a flusso e nella cavitazione, questo inserto della cella a flusso migliora la combinazione delle due fasi. Quando un liquido viene iniettato attraverso le 48 cannule sottili, entra nella cella a flusso in filamenti molto stretti. L'inserto utilizza 48 cannule medicali molto sottili con diametri interni da 0,3 mm a 1,2 mm. Queste cannule possono essere facilmente sostituite e sono un materiale di consumo a basso costo (sterile, circa 2ct/pc). La cavitazione ultrasonica (a 20 kHz) taglia i 48 filamenti di liquido in ingresso in piccole gocce quando entrano nella fase liquida della cella a flusso.
Il progetto applica la stessa pressione di alimentazione da una fonte a tutte le 48 cannule per livellare il flusso tra le cannule.

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

Usi e applicazioni

I reattori a ultrasuoni Hielscher sono spesso utilizzati per emulsionare, migliorare la cinetica dei processi di trasferimento di fase o la velocità di dissoluzione nei sistemi in fase liquido-liquido. Esempi di tali processi sono la desolforazione ossidativa con perossido di idrogeno e la successiva estrazione con solvente o la transesterificazione catalizzata da basi di trigliceridi.
La limitata solubilità di una fase reagente in un'altra fase reagente è un problema significativo nella chimica delle emulsioni di processo, poiché entrambe le fasi reagiscono tra loro solo nell'interfase. In assenza di ultrasuoni, ciò comporta basse velocità di reazione e una lenta cinetica di conversione nei sistemi bifase.
Utilizzando l'inserto con un reattore a ultrasuoni, la cavitazione produce un elevato taglio idraulico e rompe la fase iniettata in gocce di dimensioni sub-microniche e nanometriche. Poiché l'area superficiale specifica del confine di fase influisce sulla velocità chimica della reazione, questa significativa riduzione del diametro delle gocce migliora la cinetica di reazione e può ridurre o eliminare la necessità di agenti di trasferimento di fase. La percentuale di volume della fase iniettata può essere ridotta, perché le emulsioni più fini hanno bisogno di meno volume per fornire la stessa superficie di contatto con l'altra fase reagente.
L'uso di questo inserto può ridurre la quantità richiesta di catalizzatori anfifilici per emulsioni o catalizzatori a trasferimento di fase (PTC)come i sali di ammonio quaternario, con la loro capacità unica di dissolversi in liquidi sia acquosi che organici.

Trasferimento di massa potenziato per le reazioni chimiche

Quando due fasi reagenti reagiscono su un confine di fase, i prodotti di reazione si accumulano sulla superficie delle gocce e bloccano l'interazione tra le fasi reagenti all'interfaccia. Il taglio idraulico causato dalla cavitazione ultrasonica provoca un flusso turbolento e il trasporto di materiale da e verso le superfici delle gocce e porta alla coalescenza ripetuta e alla successiva formazione di nuove gocce. Mentre la reazione procede nel tempo, la sonicazione massimizza l'esposizione e l'interazione dei reagenti.
Questo effetto è utilizzato in molti processi, come la transesterificazione degli oli vegetali in biodiesel o la sintesi di poliesteri mediante la transesterificazione di diesteri con dioli per formare macromolecole.

Emulsionare / Emulsionare

Questo inserto per cella a flusso migliora l'emulsione quando si mescolano liquidi immiscibili. Ciò porta a gocce di dimensioni più piccole e a una distribuzione dimensionale più ristretta. – fattore chiave per la stabilità di un'emulsione. Con questo design è possibile iniettare ed emulsionare liquidi a bassa e media viscosità in liquidi anche ad alta viscosità, come oli combustibili pesanti (HFO), polimeri o gel. Alcune formulazioni possono richiedere l'aggiunta di emulsionanti o stabilizzatori. In questo caso è utile miscelare l'emulsionante in modo uniforme. Su richiesta sono disponibili modelli personalizzati per l'iniezione di più fasi attraverso le cannule.

Estrazione liquido-liquido

Questo inserto potenzia i processi di estrazione liquido-liquido creando un'emulsione turbolenta di dimensioni ridotte, ad esempio di una fase solvente in una fase oleosa. Anche in questo caso, si aumenta la superficie di contatto delle fasi e si ottiene una migliore estrazione e un minore utilizzo di solvente.

Combustibili acquatici per una combustione più pulita

Gli oli combustibili di bassa qualità, come quelli pesanti utilizzati sulle navi o per la produzione di energia, possono essere emulsionati con acqua. In questo modo si ottiene una combustione più efficiente e una significativa riduzione delle emissioni di NO_x e fuliggine.
Per saperne di più sull'emulsionamento a ultrasuoni dei carburanti acquosi (carburanti in emulsione)!

Precipitazione / Sono-cristallizzazione

I pigmenti o le nanoparticelle possono essere generati dal basso verso l'alto per precipitazione nei liquidi. In questo caso, una miscela supersatura inizia a formare particelle solide o cristalli dal materiale altamente concentrato. Queste particelle crescono fino a un certo punto e infine precipitano. Per controllare le dimensioni e la morfologia delle particelle/cristalli, è essenziale controllare la miscelazione precursore/reagente.
In generale, il processo di precipitazione comporta: Miscelazione, sovrasaturazione, nucleazione, crescita delle particelle e agglomerazione. Quest'ultima viene evitata da una bassa concentrazione di solido o da agenti stabilizzanti. La miscelazione è fondamentale; come per la maggior parte dei processi di precipitazione, la velocità della reazione è molto elevata. L'InsertMPC48 combina getti stretti e veloci con un forte taglio cavitazionale a ultrasuoni. Questo massimizza la velocità di miscelazione e le prestazioni, creando un numero maggiore di particelle più piccole.

Dai test di laboratorio alla scala pilota e alla produzione

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

1. Alimentare la fase A nella porta di ingresso del liquido sul fondo della cella a deflusso
2. Alimentare la fase B nelle porte di ingresso del liquido più piccole sul lato della cella a flusso. Questo alimento sarà iniettato nell'area di cavitazione attraverso 48 tubi sottili.
3. Regolare la pressione del reattore utilizzando una valvola di contropressione sulla porta di uscita della cella a flusso.

A livello da banco, il sonicatore da 1 kW UIP1000hdT È in grado di gestire portate da 100 a 1000 L/h (da 25 a 250 gal/h) per la dimostrazione del processo e per l’ottimizzazione dei parametri di sonicazione. I processori a ultrasuoni Hielscher sono progettati per un scale-up lineare verso volumi di lavorazione più elevati su scala pilota o di produzione. La tabella sottostante elenca i volumi di lavorazione e le dimensioni consigliate delle apparecchiature.