超音波フローセル用マルチフェーズキャビテーターインサート

マルチフェーズキャビテーターインサート(InsertMPC48)は、液体/液体、液体/気体混合物の超音波処理を改善するために設計されています。48本の極細カニューレが、キャビテーションゾーン内の液相に液体または気体を注入します。これにより、非常に小さな浮遊液滴または気泡が生成され、非常に高い比表面積が得られます。

このインサートは、相転移反応のような乳化化学に特に有用である、 相間移動触媒作用 (PTC)または液体-液体抽出。もう一つの興味深い応用分野は、2つの液体前駆体からの粒子の沈殿やソノ結晶化です。このインサートはHielscher社製フローセル反応器用に設計されており、バッチまたは連続処理が可能です。

1ポートおよび48ポート

超音波は乳化と混合に効果的な手段である。フローセルやキャビテーションに入る前に別々の相が結合される従来のセットアップとは異なり、このフローセルインサートは2つの相の結合を改善します。液体が48本の細いカニューレを通して注入されると、非常に細い繊維状になってフローセルに入る。このインサートは、内径0.3mmから1.2mmの非常に細い48本の医療用カニューレを使用しています。これらのカニューレは簡単に交換することができ、低コストの消耗品である（滅菌済み、約2ct/本）。超音波キャビテーション（20kHz）により、フローセル内の液相に流入した48本の液糸を小滴に切断します。
この設計では、1つの供給源から48個のカニューレすべてに同じ供給圧をかけ、カニューレ間の流れを平準化します。

液-液反応用超音波リアクターへの48のエントリーポート

用途と応用

Hielscher社製超音波リアクターは、乳化、相間移動プロセスの動力学改善、液-液相系における溶解速度の改善によく使用される。このようなプロセスの例としては、過酸化水素による酸化的脱硫とそれに続く溶媒抽出、あるいはトリグリセリドの塩基触媒によるトランスエステル化などがある。
ある試薬相の別の試薬相への溶解度が限られていることは、プロセス乳化化学において重要な問題である。超音波を使用しない場合、二相系では反応速度が遅く、転化速度も遅くなる。
超音波リアクターにインサートを使用すると、キャビテーションによって高い水力せん断が発生し、注入された相がサブミクロンやナノサイズの液滴に分解される。相界面の比表面積は化学反応速度に影響するため、液滴直径の大幅な縮小は反応速度を向上させ、相間移動剤の必要性を低減または排除する可能性がある。より微細なエマルションは、他の試薬相と同じ接触面を提供するために、より少ない体積を必要とするため、注入相の体積割合を下げることができる。
このインサートを使用することで、両親媒性エマルジョン触媒の必要量を減らすことができる。 相間移動触媒（PTC）第4級アンモニウム塩のように、水性液体にも有機液体にも溶解するユニークな能力を持つ。

化学反応における物質移動の促進

2つの試薬相が相境界で反応すると、反応生成物が液滴表面に蓄積し、試薬相が界面で相互作用するのを妨げます。超音波キャビテーションによる水力せん断により、液滴表面からの乱流と液滴表面への物質輸送が生じ、合体とそれに続く新しい液滴の形成が繰り返されます。時間の経過とともに反応が進行すると、超音波処理によって試薬の露出と相互作用が最大化される。
この効果は、植物油のトランスエステル化によるバイオディーゼルや、ジエステルとジオールのトランスエステル化によるポリエステルの合成など、多くのプロセスで利用されている。

乳化

このフローセルインサートは、混じり合わない液体を混合する際の乳化を改善します。これにより、液滴サイズが小さくなり、粒度分布が狭くなります。 – エマルジョンの安定性を左右する重要な要素です。この設計では、低粘度や中粘度の液体を、重油（HFO）やポリマー、ゲルなどの高粘度の液体にも注入し、乳化することができます。配合によっては、乳化剤や安定剤の添加が必要な場合があります。この場合、乳化剤を均一に混合するのに役立ちます。ご要望に応じて、複数の相をカニューレを通して注入するためのカスタマイズされた設計も可能です。

液体-液体抽出

このインサートは、例えば油相中の溶媒相を微細な乱流エマルジョンにすることで、液-液抽出プロセスを後押しする。この場合も、相の接触面が増加するため、抽出が向上し、溶媒の使用量が減少します。

よりクリーンな燃焼のためのアクア燃料

船舶や発電に使用される重油などの低級燃料油は、水と乳化させることができる。その結果、燃焼効率が向上し、NOxが大幅に削減される。_x 排出と煤煙を排出する。
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析出 / ソノ結晶化

顔料やナノ粒子は、液体中の沈殿によってボトムアップで生成することができる。この場合、過飽和混合物は高濃度の物質から固体粒子や結晶を形成し始める。これらの粒子はある時点まで成長し、最終的に沈殿する。粒子／結晶のサイズと形態を制御するためには、前駆体／試薬の混合を制御することが不可欠である。
一般的に、沈殿プロセスには以下のものが含まれる：混合、過飽和、核生成、粒子成長、凝集。後者は低固体濃度または安定化剤によって回避される。混合は非常に重要で、ほとんどの沈殿プロセスでは反応速度が非常に速い。InsertMPC48は、高速で狭い噴射幅のジェットと強力な超音波キャビテーショナルシアーを組み合わせています。これにより、混合速度と性能が最大化され、より多く、より小さな粒子が生成されます。

ラボ試験からパイロット・スケール、そして生産へ

Hielscher Ultrasonics社は、この技術をあらゆる規模でテスト、検証、活用するための装置を提供している。このコンセプトは、既存のプロセスに組み込むことが容易です。

1. A相をフローセル底部の液体エントリーポートに供給する。
2. B相をフローセル側面の小さい液体導入ポートに供給する。このフィードは、48本の細いパイプを通してキャビテーションエリアに注入されます。
3. フローセル出口ポートの背圧弁を使用してリアクター圧力を調整する。

ベンチトップ・レベルでは UIP1000hd (1kW)は、100～1000L/hr(25～250gal/hr)の流量を処理することができ、プロセスのデモンストレーションや超音波処理パラメータの最適化を行うことができます。Hielscher 社の超音波処理装置は、パイロットスケールまたは生産スケールで、より大きな処理量にリニアにスケールアップできるように設計されています。下表に処理量と推奨装置サイズを示します。