MultiPhaseCavitator-Insert voor Ultrasone Stroomcel

Het MultiPhaseCavitator Insert (InsertMPC48) is ontworpen om de ultrasone verwerking van vloeistof/vloeistof- of vloeistof/gasmengsels te verbeteren. 48 zeer fijne canules injecteren vloeistof of gas in een vloeibare fase, precies in de cavitatiezone. Hierdoor ontstaan zeer kleine gesuspendeerde druppeltjes of gasbellen met een zeer hoog specifiek oppervlak.

Dit inzetstuk is vooral nuttig voor emulsiechemie, zoals fasetransfer-reacties, Fase-overdracht-katalyse (PTC) of vloeistof-vloeistof extractie. Een ander interessant toepassingsgebied is het neerslaan van deeltjes uit twee vloeibare precursors of sonokristallisatie. Dit inzetstuk is ontworpen voor Hielscher flowcellreactoren en maakt batch- of continue verwerking mogelijk.

Eén en 48 injectiepoorten

Ultrasoon is een effectief middel voor emulgeren en mengen. Anders dan bij de conventionele opstelling, waarbij afzonderlijke fasen worden gecombineerd voordat ze de stromingscel en de cavitatie ingaan, verbetert dit stromingscelelement de combinatie van de twee fasen. Wanneer een vloeistof door de 48 fijne canules wordt geïnjecteerd, komt deze in zeer smalle strengen de stromingscel binnen. Het inzetstuk maakt gebruik van 48 zeer fijne medische canules met een binnendiameter van 0,3 mm tot 1,2 mm. Deze canules kunnen eenvoudig worden vervangen en zijn een goedkoop verbruiksartikel (steriel, ca. 2ct/pc). De ultrasone cavitatie (bij 20 kHz) snijdt de 48 inkomende vloeistofstrengen in kleine druppeltjes wanneer ze de vloeistoffase in de flowcel binnengaan.
Het ontwerp past dezelfde toevoerdruk van één toevoer toe op alle 48 canules om de stroom tussen de canules gelijk te maken.

48 ingangspoorten in ultrasone reactor voor vloeistof-vloeistofreacties

Gebruik en toepassingen

Hielscher ultrasone reactoren worden vaak gebruikt om te emulgeren, om de kinetiek van fasetransferprocessen of oplossnelheden in vloeistof-vloeistoffasesystemen te verbeteren. Voorbeelden van dergelijke processen zijn de oxidatieve ontzwaveling met waterstofperoxide en daaropvolgende vloeistofextractie of de basisch gekatalyseerde omestering van triglyceriden.
Beperkte oplosbaarheid van een reagensfase in een andere reagensfase is een belangrijk probleem in de procesemulsiechemie, omdat beide fasen alleen met elkaar reageren in de interfase. Zonder ultrasone trillingen resulteert dit in lage reactiesnelheden en een trage omzettingskinetiek in tweefasensystemen.
Bij gebruik van het inzetstuk in een ultrasone reactor produceert de cavitatie een hoge hydraulische afschuiving en breekt de geïnjecteerde fase in submicron- en nanodruppeltjes. Aangezien het specifieke oppervlak van de fasegrens van invloed is op de chemische reactiesnelheid, verbetert deze aanzienlijke vermindering van de druppeldiameter de reactiekinetiek en kan het de noodzaak voor faseovergangsmiddelen verminderen of elimineren. Het volumepercentage van de geïnjecteerde fase kan worden verlaagd, omdat fijnere emulsies minder volume nodig hebben om hetzelfde contactoppervlak met de andere reagensfase te hebben.
Het gebruik van dit inzetstuk kan de vereiste hoeveelheid amfifiele emulsiekatalysatoren of faseovergangskatalysatoren (PTC)zoals quaternaire ammoniumzouten met hun unieke vermogen om op te lossen in zowel waterige als organische vloeistoffen.

Verbeterde massatransfer voor chemische reacties

Wanneer twee reagensfasen reageren op een faseovergang, hopen de reactieproducten zich op aan het druppeloppervlak en blokkeren ze de interactie tussen de reagensfasen op het grensvlak. De hydraulische afschuiving veroorzaakt door de ultrasone cavitatie resulteert in turbulente stroming en materiaaltransport van en naar druppeloppervlakken en leidt tot het herhaaldelijk samensmelten en de daaropvolgende vorming van nieuwe druppels. Naarmate de reactie vordert, maximaliseert sonicatie de blootstelling en interactie van de reagentia.
Dit effect wordt gebruikt in veel processen, zoals de transesterificatie van plantaardige oliën tot biodiesel of de synthese van polyesters door de transesterificatie van diesters met diolen om macromoleculen te vormen.

Emulgeren / Emulgeren

Dit stromingscelelement verbetert de emulsificatie bij het mengen van niet-mengbare vloeistoffen. Dit leidt tot kleinere druppelgroottes en een kleinere grootteverdeling. – sleutelfactor voor de stabiliteit van een emulsie. Met dit ontwerp kun je vloeistoffen met een lage en gemiddelde viscositeit injecteren en emulgeren in zelfs vloeistoffen met een hoge viscositeit, zoals zware stookolie (HFO's), polymeren of gels. Bij sommige formules moeten emulgatoren of stabilisatoren worden toegevoegd. In dat geval helpt het om de emulgator gelijkmatig te mengen. Aangepaste ontwerpen voor de injectie van meer dan één fase via de canules zijn op aanvraag verkrijgbaar.

vloeistof-vloeistof extractie

Dit inzetstuk bevordert vloeistof-vloeistof extractieprocessen door een fijne turbulente emulsie te maken, bv. van een solventfase in een oliefase. Ook dit vergroot het contactoppervlak van de fase en resulteert in een betere extractie en een lager verbruik van oplosmiddelen.

Aqua-brandstoffen voor schonere verbranding

Laagwaardige stookolie, zoals zware stookolie die wordt gebruikt op zeeschepen of voor energieopwekking, kan worden geëmulgeerd met water. Dit resulteert in een efficiëntere verbranding en een aanzienlijke vermindering van NO_x uitstoot en roet.
Lees meer over ultrasone emulsie van aqua-brandstoffen (emulsie-brandstoffen)!

Precipitatie / Sono-kristallisatie

Pigmenten of nanodeeltjes kunnen bottom-up worden gegenereerd door precipitatie in vloeistoffen. In dit geval begint een oververzadigd mengsel vaste deeltjes of kristallen te vormen uit het sterk geconcentreerde materiaal. Deze deeltjes groeien tot een bepaald punt en slaan uiteindelijk neer. Om de grootte en morfologie van de deeltjes/kristallen te controleren, is het essentieel om de precursor/reagentia te mengen.
In het algemeen omvat het precipitatieproces: Mengen, oververzadiging, nucleatie, deeltjesgroei en agglomeratie. Dit laatste wordt vermeden door een lage vaste concentratie of door stabiliserende middelen. Het mengen is kritisch; zoals bij de meeste neerslagprocessen is de snelheid van de reactie erg hoog. De InsertMPC48 combineert snelle smalle geïnjecteerde stralen met sterke ultrasone cavitatieschering. Dit maximaliseert de mengsnelheid en prestaties waardoor meer en kleinere deeltjes ontstaan.

Van laboratoriumtests tot pilotschaal en productie

Hielscher Ultrasonics biedt apparatuur om deze technologie op elke schaal te testen, te verifiëren en te gebruiken. Het concept is eenvoudig te integreren in bestaande processen.

1. Voer fase A toe aan de vloeistofinlaat onderaan de stromingscel
2. Voer fase B in kleinere vloeistofingangspoorten aan de zijkant van de stromingscel. Deze voeding wordt in het cavitatiegebied geïnjecteerd via 48 fijne pijpen
3. Pas de reactordruk aan met een tegendrukklep bij de uitlaatpoort van de stroomcel

Op tafelniveau is een UIP1000hd (1kW) kan debieten verwerken van 100 tot 1000L/hr (25 tot 250 gal/hr) voor procesdemonstratie en voor het optimaliseren van de sonicatieparameters. Hielscher ultrasone processors zijn ontworpen voor lineaire opschaling naar grotere verwerkingsvolumes op pilot- of productieschaal. De onderstaande tabel geeft een overzicht van de verwerkingsvolumes en de aanbevolen afmetingen van de apparatuur.