Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Inserimento di MultiPhaseCavitator-Insert per celle a flusso ultrasonico

L'inserto MultiPhaseCavitator Insert (InsertMPC48) è stato progettato per migliorare il trattamento ad ultrasuoni di miscele liquido/liquido o liquido/gas. 48 cannule molto fini iniettano liquido o gas in una fase liquida proprio nella zona di cavitazione. Questo crea piccolissime gocce sospese o bolle di gas che producono una superficie specifica molto alta.
Questo inserto è particolarmente utile per la chimica delle emulsioni, come le reazioni di trasferimento di fase e trasferimento, Fase-Transferimento-Catalisi (PTC) o Liquido-Liquido-Estrazione. Un altro interessante campo di applicazione è la precipitazione di particelle da due precursori liquidi o sono-cristallizzazione. Questo inserto è stato progettato per i reattori con cella a flusso Hielscher e consente un trattamento discontinuo o continuo.
Mostra il dettaglio dell'iniezione di fase di Multi-Phase-Cavitator

Iniezione nel multiphasecavitator ultrasonico

Uno e 48 porte di iniezione

L'ultrasonicazione è un mezzo efficace per l'emulsione e la miscelazione. A differenza della configurazione convenzionale, in cui fasi separate vengono combinate prima che entrino nella cella di flusso e nella cavitazione, questo inserto per celle di flusso migliora la combinazione delle due fasi. Quando un liquido viene iniettato attraverso le 48 cannule fini, entra nella cella di flusso in fili molto stretti. L'inserto utilizza 48 cannule medicali molto fini 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 fili di liquido in ingresso in piccole gocce quando entrano nella fase liquida nella cella di flusso.
Il progetto applica la stessa pressione di alimentazione da un'alimentazione a tutte le 48 cannule per livellare il flusso tra le cannule.

InsertMPC48 per reattore a cellule di flusso

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

Usi e applicazioni

Miscelazione ad ultrasuoni per la chimica delle emulsioniI reattori ad ultrasuoni Hielscher sono spesso utilizzati per emulsionare, migliorare la cinetica del processo di trasferimento di fase o la velocità di dissoluzione nei sistemi a fase liquida e liquida. Esempi di tali processi sono la desolforazione ossidativa con perossido di idrogeno e successiva estrazione con solvente o la transesterificazione catalitica di trigliceridi.
La limitata solubilità di una fase reagente in un'altra fase reagente è un problema significativo nella chimica dell'emulsione di processo, in quanto entrambe le fasi reagiscono tra loro solo nella fase intermedia. Senza ultrasuoni, questo si traduce in basse velocità di reazione e in una cinetica di conversione lenta nei sistemi bifase.
Utilizzando l'inserto con un reattore ad ultrasuoni, la cavitazione produce un elevato taglio idraulico e rompe la fase iniettata in gocce di dimensioni inferiori al micron e nano. Poiché l'area superficiale specifica del limite di fase influisce sulla velocità di reazione chimica, 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 in volume della fase iniettata può essere abbassata, 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 abbassare la quantità richiesta di catalizzatori di emulsione anfibilica 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.

Miglioramento del trasferimento di massa per le reazioni chimiche

Quando due fasi reagenti reagiscono a un limite di fase, i prodotti di reazione si accumulano sulla superficie delle gocce e bloccano l'interazione tra le fasi reagente e l'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. Man mano che la reazione progredisce nel tempo, la sonicazione massimizza l'esposizione e l'interazione dei reagenti.
Questo effetto viene utilizzato in molti processi, come la transesterificazione di oli vegetali in biodiesel o la sintesi di poliesteri mediante la transesterificazione di diesteri con dioli per formare macromolecole.

Emulsionante / Emulsionante / Emulsionante

Questo inserto per celle a flusso migliora l'emulsificazione quando si mescolano liquidi immiscibili. Questo 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 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 aiuta a miscelare l'emulsionante in modo uniforme. Disegni personalizzati per l'iniezione di più di una fase anche se le cannule sono disponibili su richiesta.

Estrazione Liquido-Liquido

Questo inserto potenzia i processi di estrazione liquido-liquido realizzando un'emulsione turbolenta di piccole dimensioni, ad esempio di una fase solvente in una fase oleosa. Anche in questo caso, ciò aumenta la superficie di contatto di fase e si traduce in una migliore estrazione e un ridotto utilizzo di solventi.

Aqua-Combustibili per una combustione più pulita

Gli oli combustibili di bassa qualità, come l'olio combustibile pesante utilizzato su navi o per la produzione di energia elettrica, possono essere emulsionati con l'acqua. Ciò si traduce in una combustione più efficiente e in una significativa riduzione delle emissioni di NOx e fuliggine.
Per saperne di più sull'emulsione ultrasonica di acquafustibili (emulsione-combustibili)!

InsertoMPC48 con 48 cannule fini

InsertMPC48 – 48 cannule fini terminano nella zona di cavitazione

FC100L1K-1S con insertoMPC48

Reattore a celle a flusso ultrasonico FC100L1K-1S con InsertMPC48

Un design migliore crea risultati migliori!

Precipitazione/Cristallizzazione del sono-cristallizzazione

I pigmenti o le nano-particelle possono essere generati dal basso verso l'alto dalla precipitazione nei liquidi. In questo caso, una miscela sovrasatura inizia a formare particelle solide o cristalli dal materiale altamente concentrato. Queste particelle cresceranno fino a un certo punto e infine precipiteranno. Per controllare la dimensione e la morfologia delle particelle/cristallo è essenziale controllare la miscelazione precursore/reagente.
In generale, il processo di precipitazione comporta: Miscelazione, sovrasaturazione, nucleazione, crescita di particelle e agglomerazione. Quest'ultimo viene evitato da una bassa concentrazione di solidi o da agenti stabilizzanti. La miscelazione è critica; come per la maggior parte dei processi di precipitazione la velocità di reazione è molto elevata. L'InsertMPC48 combina getti a iniezione stretta e veloce con una forte cesoia cavitazionale ad ultrasuoni. Questo massimizza la velocità di miscelazione e le prestazioni creando sempre più particelle più piccole.

Distribuzione granulometrica delle particelle di Fe3O4

Distribuzione granulometrica delle particelle di Fe3O4 (magnetite) generate in una continua reazione di precipitazione ad ultrasuoni (Banert et al., 2004).

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Dai test 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 facilmente integrabile nei processi esistenti.

  1. Alimentare la fase A nella bocca di ingresso del liquido sul fondo della cella di flusso.
  2. Alimentare la fase B in una o più piccole aperture di ingresso del liquido sul lato della cella di flusso. Questa alimentazione sarà iniettata nell'area cavitazionale attraverso 48 tubi sottili.
  3. Regolare la pressione del reattore utilizzando una valvola di contropressione all'uscita della cella di flusso.

A livello da banco a UIP1000hd (1kW) può trattare portate da 100 a 1000L/ora (da 25 a 250 gal/ora) per la dimostrazione del processo e per l'ottimizzazione dei parametri di sonicazione. I processori ad ultrasuoni Hielscher sono progettati per la scalabilità lineare fino a grandi volumi di lavorazione su scala pilota o di produzione. La tabella seguente elenca i volumi di lavorazione e le dimensioni consigliate delle apparecchiature.

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
0.2L 0.25 a 2m3/ora UIP1000hd, UIP2000hd
0.2L da 1 a 8m3/ora UIP4000
n.a. Da 4 a 30m3/ora UIP16000
n.a. sopra i 30m3/ora cluster di UIP10000 o UIP16000