MultiPhaseCavitator – Plaats de MPC48 voor de ultrasone doorstroomcel
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.
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
Injectie in ultrasone multifasekavitator
InvoegenMPC48 – 48 fijne canules eindigen in de cavitatiezone
Ultrasone stroomcelreactor FC100L1K-1S met inzetstukMPC48
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 NOx 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.
Deeltjesgrootteverdeling van Fe3O4 (magnetiet) deeltjes gegenereerd in een continue ultrasone precipitatiereactie (Banert et al., 2004).
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.
- Voer fase A toe aan de vloeistofinlaat onderaan de stromingscel
- Voer fase B in kleinere vloeistofingangspoorten aan de zijkant van de stromingscel. Deze voeding wordt in het cavitatiegebied geïnjecteerd via 48 fijne pijpen
- Pas de reactordruk aan met een tegendrukklep bij de uitlaatpoort van de stroomcel
Op laboratoriumniveau: de 1 kW-sonicator UIP1000hdT kan doorstroomhoeveelheden van 100 tot 1000 l/uur (25 tot 250 gal/uur) verwerken voor procesdemonstraties en voor het optimaliseren van de ultrasone parameters. De ultrasone verwerkers van Hielscher zijn ontworpen voor een lineaire opschaling naar grotere verwerkingsvolumes op proef- of productieschaal. In de onderstaande tabel staan de verwerkingsvolumes en de aanbevolen afmetingen van de apparatuur vermeld.
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.2L | 0.25 tot 2m3/uur | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0.2L | 1 tot 8m3/uur | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 4 tot 30 m3/uur | UIP16000hdT |
| n.v.t. | boven 30m3/uur | cluster van UIP10000 of UIP16000hdT |
Veelgestelde vragen over de MultiPhaseCavitator – Ultrasone doorstroomcel-inzetstuk MPC48
Wat is het MultiPhaseCavitator-inzetstuk (Flow Cell Insert MPC48)?
Het MultiPhaseCavitator-inzetstuk (InsertMPC48) is een inzetstuk voor een doorstroomcel dat is ontworpen om de ultrasone bewerking van vloeistof/vloeistof- of vloeistof/gas-mengsels te verbeteren. Het maakt gebruik van 48 zeer fijne canules die vloeistof of gas rechtstreeks in de cavitatiezone in een vloeistoffase injecteren, waardoor zeer kleine zwevende druppeltjes of gasbellen met een groot specifiek oppervlak ontstaan.
Wat betekent MPC48?
MPC is de afkorting van MultiPhaseCavitator. Het getal 48 geeft aan dat het inzetstuk 48 canules als injectieplaatsen heeft. Op verzoek kan het inzetstuk voor de doorstroomcel worden uitgerust met meer of minder canules.
Hoe werkt het Flow Cell-inzetstuk MPC48?
Wanneer een vloeistof via de 48 fijne medische canules (binnendiameters van 0,3 mm tot 1,2 mm) wordt geïnjecteerd, komt deze in zeer smalle strengen de stroomcel binnen. Ultrasone cavitatie bij 20 kHz verdeelt deze binnenkomende strengen in kleine druppeltjes zodra ze in de vloeibare fase terechtkomen. Het ontwerp zorgt ervoor dat dezelfde toevoerdruk vanuit één toevoer naar alle 48 canules wordt toegepast, om de doorstroming tussen de canules gelijkmatig te verdelen.
Voor welke toepassingen is het MultiPhaseCavitator-inzetstuk het meest geschikt?
Het is met name nuttig voor emulsiechemie, zoals faseoverdrachtsreacties, faseoverdrachtskatalyse (PTC) en vloeistof-vloeistof-extractie. Het is ook zeer geschikt voor de neerslag van deeltjes uit twee vloeibare precursoren en voor sonokristallisatie. Het inzetstuk is ontworpen voor Hielscher-doorstroomcelreactoren en maakt zowel batch- als continue verwerking mogelijk.
Hoe zorgt het MPC48-inzetstuk voor een verbetering van de faseoverdrachtsreacties?
Omdat de beperkte oplosbaarheid van de ene reagensfase in de andere de reactie tot het grensvlak beperkt, vertonen tweefasige systemen zonder ultrasone behandeling vaak lage reactiesnelheden. Met het inzetstuk zorgt cavitatie voor een hoge hydraulische afschuifkracht en wordt de geïnjecteerde fase afgebroken tot druppeltjes van submicron- en nanogrootte. Deze aanzienlijke vermindering van de druppeldiameter verbetert de reactiekinetiek en kan de noodzaak van faseoverdrachtsmiddelen verminderen of elimineren.
Kan het inzetstuk de benodigde hoeveelheid katalysator verminderen?
Ja. Door het toevoegen van het inzetstuk kan de benodigde hoeveelheid amfifiele emulsiekatalysatoren of faseoverdrachtskatalysatoren (PTC), zoals quaternaire ammoniumzouten, worden verminderd, omdat fijnere emulsies minder volume nodig hebben om hetzelfde contactoppervlak met de andere reagensfase te bieden.
Hoe bevordert het de massaoverdracht bij chemische reacties?
Reactieproducten kunnen zich ophopen aan het druppeloppervlak en de interactie tussen de reagentia aan het grensvlak blokkeren. De hydraulische afschuiving als gevolg van ultrasone cavitatie zorgt voor een turbulente stroming en materiaaltransport van en naar de druppeloppervlakken, wat leidt tot herhaalde coalescentie en de vorming van nieuwe druppels. Na verloop van tijd zorgt ultrasone behandeling ervoor dat de blootstelling aan en de interactie tussen de reagentia worden gemaximaliseerd. – gebruikt in processen zoals de transesterificatie van plantaardige oliën tot biodiesel of de synthese van polyesters.
Is het inzetstuk geschikt voor vloeistof-vloeistofextractie?
Ja. Het inzetstuk bevordert de vloeistof-vloeistofextractie door een fijne, turbulente emulsie te creëren, bijvoorbeeld van een oplosmiddelfase in een oliefase. Dit vergroot het contactoppervlak tussen de fasen en leidt tot een betere extractie bij een lager oplosmiddelverbruik.
Kan het worden gebruikt voor aquabrandstoffen?
Ja. Brandstoffen van lage kwaliteit, zoals zware stookolie die op schepen of voor energieopwekking wordt gebruikt, kunnen met water worden geëmulgeerd. Dit leidt tot een efficiëntere verbranding en een aanzienlijke vermindering van de NOx-uitstoot en roetvorming.
Ontdek de voordelen van ultrasone emulgering van aquabrandstoffen!
Hoe draagt het inzetstuk bij aan neerslag en sonokristallisatie?
Pigmenten of nanodeeltjes kunnen op een bottom-up manier worden geproduceerd door middel van neerslag in vloeistoffen. Het Insert MPC48 combineert snelle, smalle injectiestralen met krachtige ultrasone cavitatiekracht, waardoor de mengsnelheid en prestaties worden gemaximaliseerd en er meer en kleinere deeltjes worden gevormd. Aangezien de snelheid van veel neerslagreacties zeer hoog is, is het essentieel om het mengen van precursoren en reagentia te beheersen, en het insert helpt bij het beheersen van de deeltjes- en kristalgrootte en de morfologie.
Zijn de canules verbruiksartikelen?
Ja. De 48 fijne medische canules kunnen eenvoudig worden vervangen en zijn een voordelig verbruiksartikel (steriel, ca. 2 ct/st.). Deze canules zijn standaardverbruiksartikelen en zijn ter plaatse gemakkelijk verkrijgbaar. Op verzoek zijn maatwerkontwerpen beschikbaar voor het toedienen van meer dan één fase via de canules.
Hoe stel je de flowcel in met de InsertMPC48? Het concept laat zich eenvoudig integreren in bestaande processen: voer fase A toe via de vloeistofinlaat aan de onderkant van de doorstroomcel, voer fase B toe via de kleinere vloeistofinlaat(en) aan de zijkant (die via de 48 fijne buisjes in het cavitatiegebied worden geïnjecteerd) en stel de reactordruk af met behulp van een tegendrukventiel aan de uitlaat van de doorstroomcel.
Welke schaalvergrotingsopties en welke afmetingen van apparatuur zijn er beschikbaar?
Hielscher biedt apparatuur om deze technologie op elke schaal te testen, te valideren en toe te passen, met een lineaire opschaling van laboratoriumschaal naar proefschaal en productie. Zo kan een UIP1000hd (1 kW) bijvoorbeeld 100–1.000 L/uur verwerken voor demonstratiedoeleinden en parameteroptimalisatie; aanbevolen apparaten variëren van de UIP1000hd/UIP2000hd tot de UIP4000 en UIP16000, met clusters van UIP10000 of UIP16000 voor debieten boven 30 m³/uur.
Ultrasone doorstroomcel-inzetstuk MPC48 – MultiPhaseCavitator