MultiPhaseCavitator – 초음파 플로우 셀용 Insert MPC48

MultiPhaseCavitator Insert(Insert MPC48)는 액체/액체 또는 액체/기체 혼합물의 초음파 처리를 개선하도록 설계되었습니다. 48개의 매우 미세한 캐뉼라가 캐비테이션 영역 바로 안에서 액상에 액체 또는 기체를 주입합니다. 이로써 매우 작은 부유 액적이나 기포가 생성되어 매우 높은 비표면적을 제공합니다.

이 인서트는 상간 이동 반응, 상간 이동 촉매 작용 (PTC) 또는 액–액 추출과 같은 에멀션 화학 분야에 특히 유용합니다. 또 다른 흥미로운 응용 분야로는 두 액체 전구체로부터 입자를 침전시키는 공정이나 초음파 결정화가 있습니다. 이 인서트는 Hielscher 플로우 셀 반응기용으로 설계되었으며 회분식 또는 연속식 처리가 가능합니다.

하나의 주입 포트와 48개의 주입 포트

초음파 처리는 유화와 혼합에 효과적인 수단입니다. 분리된 상들을 플로우 셀과 캐비테이션 영역에 들어가기 전에 합치는 기존 구성과 달리, 이 플로우 셀 인서트는 두 상의 결합을 개선합니다. 액체를 48개의 미세한 캐뉼라를 통해 주입하면 매우 가느다란 액체 줄기 형태로 플로우 셀에 들어갑니다. 이 인서트는 내경이 0.3mm에서 1.2mm인 매우 미세한 의료용 캐뉼라 48개를 사용합니다. 이 캐뉼라는 쉽게 교체할 수 있는 저비용 소모품입니다(멸균 상태, 약 2ct/pc). 초음파 캐비테이션(20kHz)은 유입되는 48개의 액체 줄기가 플로우 셀 내부의 액상으로 들어갈 때 이를 작은 액적으로 분할합니다.
이 설계는 하나의 공급원에서 48개의 모든 캐뉼라에 동일한 공급 압력을 가하여 캐뉼라 간 유량을 균등하게 합니다.

액–액 반응용 초음파 반응기로 이어지는 48개의 유입 포트

용도 및 응용 분야

Hielscher 초음파 반응기는 액–액 상 시스템에서 유화하거나 상간 이동 공정의 반응 속도론적 특성 또는 용해 속도를 개선하는 데 자주 사용됩니다. 이러한 공정의 예로는 과산화수소를 이용한 산화 탈황 및 후속 용매 추출이나 트리글리세리드의 염기 촉매 에스테르 교환 반응이 있습니다.
한 시약 상이 다른 시약 상에 제한적으로만 용해되는 것은 에멀션 화학 공정에서 중요한 문제입니다. 두 상이 서로 반응하는 곳이 계면에 한정되기 때문입니다. 초음파를 사용하지 않으면 이상계에서 반응 속도가 낮아지고 전환이 느리게 진행됩니다.
이 인서트를 초음파 반응기와 함께 사용하면 캐비테이션이 높은 수력학적 전단을 발생시키고 주입된 상을 서브마이크론 및 나노 크기의 액적으로 분할합니다. 상 경계의 비표면적은 화학 반응 속도에 영향을 미치므로, 액적 직경의 이러한 현저한 감소는 반응 속도론적 특성을 개선하며 상간 이동제의 필요성을 줄이거나 없앨 수 있습니다. 더 미세한 에멀션은 다른 시약 상과 동일한 접촉 표면적을 확보하는 데 더 적은 부피가 필요하므로, 주입되는 상의 부피 백분율을 낮출 수 있습니다.
이 인서트를 사용하면 양친매성 유화 촉매 또는 상간 이동 촉매(PTC)의 필요량을 줄일 수 있습니다. 그 예로는 수성 액체와 유기 액체 모두에 용해되는 고유한 능력을 지닌 사차 암모늄염이 있습니다.

화학 반응을 위한 물질 전달 향상

두 시약 상이 상 경계에서 반응하면 반응 생성물이 액적 표면에 축적되어 계면에서 시약 상 사이의 상호작용을 차단합니다. 초음파 캐비테이션으로 발생하는 유체역학적 전단은 난류와 액적 표면을 오가는 물질 이동을 일으키며, 액적의 반복적인 합체와 그에 이은 새로운 액적의 형성으로 이어집니다. 시간이 지나면서 반응이 진행됨에 따라 초음파 처리는 시약의 노출과 상호작용을 극대화합니다.
이 효과는 식물성 오일을 바이오디젤로 전환하는 에스테르 교환 반응이나 디에스테르와 디올의 에스테르 교환 반응을 통해 고분자를 형성하는 폴리에스테르 합성 등 여러 공정에 사용됩니다.

유화 처리 / 유화

이 플로우 셀 인서트는 서로 섞이지 않는 액체를 혼합할 때 유화를 개선합니다. 이에 따라 액적 크기가 더 작아지고 크기 분포가 더 좁아지며, 이는 에멀젼의 안정성에 핵심적인 요소입니다. 이 설계를 사용하면 중유(HFOs), 고분자 또는 겔과 같은 고점도 액체에도 저점도 및 중점도 액체를 주입하여 유화할 수 있습니다. 일부 배합물에는 유화제나 안정제를 첨가해야 할 수 있습니다. 이 경우 인서트는 유화제를 균일하게 혼합하는 데 도움이 됩니다. 요청 시 캐뉼라를 통해 둘 이상의 상을 주입할 수 있는 맞춤형 설계를 제공합니다.

액–액 추출

이 인서트는 예를 들어 오일 상 내의 용매 상을 미세한 난류 에멀젼으로 만들어 액–액 추출 공정을 향상시킵니다. 이 역시 상 사이의 접촉 표면적을 늘려 추출 성능을 높이고 용매 사용량을 줄입니다.

더 깨끗한 연소를 위한 수분 함유 연료

선박이나 발전에 사용되는 중유와 같은 저등급 연료유는 물과 함께 유화할 수 있습니다. 이를 통해 연소 효율이 높아지고 NO_x 배출량과 그을음이 크게 감소합니다.
수분 함유 연료(에멀젼 연료)의 초음파 유화에 대해 자세히 알아보세요!

침전 / 초음파 결정화

액체 내 침전을 통해 상향식으로 안료나 나노입자를 생성할 수 있습니다. 이 경우 과포화 혼합물은 고농도 물질로부터 고체 입자나 결정을 형성하기 시작합니다. 이러한 입자는 일정 수준까지 성장한 후 최종적으로 침전됩니다. 입자/결정의 크기와 형태를 제어하려면 전구체/시약의 혼합을 제어하는 것이 필수적입니다.
일반적으로 침전 공정에는 혼합, 과포화, 핵생성, 입자 성장 및 응집이 포함됩니다. 마지막 단계인 응집은 고체 농도를 낮추거나 안정제를 사용하여 방지합니다. 대부분의 침전 공정에서는 반응 속도가 매우 높으므로 혼합이 매우 중요합니다. InsertMPC48은 빠르고 가느다란 주입 제트와 강력한 초음파 캐비테이션 전단을 결합합니다. 이를 통해 혼합 속도와 성능을 극대화하여 더 작고 더 많은 입자를 생성합니다.

실험실 시험부터 파일럿 규모 및 생산까지

Hielscher Ultrasonics는 모든 규모에서 이 기술을 시험하고 검증하며 활용할 수 있는 장비를 제공합니다. 이 개념은 기존 공정에 쉽게 통합할 수 있습니다.

1. 플로우 셀 하단의 액체 유입구로 상 A를 공급합니다
2. 플로우 셀 측면의 더 작은 액체 유입구로 상 B를 공급합니다. 이 공급액은 48개의 가는 관을 통해 캐비테이션 영역으로 주입됩니다
3. 플로우 셀 배출구의 배압 밸브를 사용하여 반응기 압력을 조절합니다

실험대 규모의 1kW 초음파 처리기 UIP1000hdT는 공정 시연과 초음파 처리 매개변수 최적화를 위해 100–1000L/hr(25–250 gal/hr)의 유량을 처리할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 파일럿 또는 생산 규모에서 더 큰 처리 용량으로 선형적으로 규모를 확대할 수 있도록 설계되었습니다. 아래 표에는 처리 용량과 권장 장비 규모가 나와 있습니다.