MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 voor ultrasone doorstroomcel

Het MultiPhaseCavitator-inzetstuk (Insert MPC48) is ontworpen om de ultrasone verwerking van vloeistof/vloeistof- of vloeistof/gasmengsels te verbeteren. 48 zeer fijne canules injecteren vloeistof of gas in een vloeistoffase, direct in de cavitatiezone. Hierdoor ontstaan zeer kleine zwevende druppeltjes of gasbellen met een zeer groot specifiek oppervlak.

Dit inzetstuk is bijzonder nuttig voor emulsiechemie, zoals faseoverdrachtsreacties, faseoverdrachtskatalyse (PTC) of vloeistof-vloeistofextractie. Een ander interessant toepassingsgebied is de precipitatie van deeltjes uit twee vloeibare precursoren of sonokristallisatie. Dit inzetstuk is ontworpen voor doorstroomcelreactoren van Hielscher en maakt batchgewijze of continue verwerking mogelijk.

Eén en 48 injectiepoorten

Sonicatie is een effectieve methode voor emulgeren en mengen. Bij de conventionele opstelling worden afzonderlijke fasen gecombineerd voordat ze de doorstroomcel en de cavitatiezone binnenkomen. Dit doorstroomcelinzetstuk verbetert de combinatie van de twee fasen. Wanneer een vloeistof door de 48 fijne canules wordt geïnjecteerd, komt deze in zeer smalle stralen de doorstroomcel binnen. Het inzetstuk gebruikt 48 zeer fijne medische canules met binnendiameters van 0,3mm tot 1,2mm. Deze canules kunnen eenvoudig worden vervangen en zijn goedkope verbruiksartikelen (steriel, ca. 2ct/stuk). De ultrasone cavitatie (bij 20kHz) verdeelt de 48 binnenkomende vloeistofstralen in kleine druppeltjes wanneer ze de vloeistoffase in de doorstroomcel binnenkomen.
Het ontwerp zorgt ervoor dat vanuit één toevoer dezelfde toevoerdruk op alle 48 canules wordt toegepast om het debiet tussen de canules gelijk te maken.

48 inlaatpoorten in de ultrasone reactor voor vloeistof-vloeistofreacties

Gebruik en toepassingen

Ultrasone reactoren van Hielscher worden vaak gebruikt om te emulgeren, de proceskinetiek van faseoverdracht te verbeteren of de oplossnelheid in vloeistof-vloeistoffasesystemen te verhogen. Voorbeelden van dergelijke processen zijn oxidatieve ontzwaveling met waterstofperoxide en daaropvolgende oplosmiddelextractie of de basegekatalyseerde omestering van triglyceriden.
De beperkte oplosbaarheid van de ene reagensfase in de andere reagensfase is een aanzienlijk probleem in de procesemulsiechemie, aangezien beide fasen alleen aan het grensvlak met elkaar reageren. Zonder ultrasoon geluid leidt dit tot lage reactiesnelheden en een trage omzettingskinetiek in tweefasensystemen.
Wanneer het inzetstuk met een ultrasone reactor wordt gebruikt, veroorzaakt de cavitatie sterke hydraulische afschuiving en verdeelt deze de geïnjecteerde fase in druppeltjes met afmetingen kleiner dan een micrometer en op nanoschaal. Omdat het specifieke oppervlak van de fasegrens de chemische reactiesnelheid beïnvloedt, verbetert deze aanzienlijke vermindering van de druppeldiameter de reactiekinetiek en kan deze de behoefte aan faseoverdrachtsmiddelen verminderen of wegnemen. Het volumepercentage van de geïnjecteerde fase kan worden verlaagd, omdat fijnere emulsies minder volume nodig hebben om hetzelfde contactoppervlak met de andere reagensfase te bieden.
Het gebruik van dit inzetstuk kan de benodigde hoeveelheid amfifiele emulsiekatalysatoren of faseoverdrachtskatalysatoren (PTC), zoals quaternaire ammoniumzouten met hun unieke vermogen om zowel in waterige als in organische vloeistoffen op te lossen, verminderen.

Verbeterde massaoverdracht voor chemische reacties

Wanneer twee reagensfasen aan een fasegrens reageren, hopen de reactieproducten zich op aan het druppeloppervlak en verhinderen ze dat de reagensfasen aan het grensvlak met elkaar reageren. De hydraulische afschuiving die door de ultrasone cavitatie wordt veroorzaakt, resulteert in turbulente stroming en materiaaltransport van en naar druppeloppervlakken en leidt tot herhaalde coalescentie en de daaropvolgende vorming van nieuwe druppels. Naarmate de reactie vordert, maximaliseert sonicatie de blootstelling en de onderlinge interactie van de reagentia.
Dit effect wordt in veel processen gebruikt, zoals de omestering van plantaardige oliën tot biodiesel of de synthese van polyesters door omestering van di-esters met diolen om macromoleculen te vormen.

Emulgeren / Emulsificatie

Dit doorstroomcelinzetstuk verbetert de emulsificatie bij het mengen van niet-mengbare vloeistoffen. Dit leidt tot kleinere druppels en een smallere grootteverdeling – een belangrijke factor voor de stabiliteit van een emulsie. Met dit ontwerp kunt u vloeistoffen met een lage en gemiddelde viscositeit injecteren en emulgeren in zelfs hoogviskeuze vloeistoffen, zoals zware stookoliën (HFO’s), polymeren of gels. Bij sommige formuleringen kan het nodig zijn emulgatoren of stabilisatoren toe te voegen. In dat geval helpt het om de emulgator gelijkmatig te mengen. Op maat gemaakte ontwerpen voor de injectie van meer dan één fase door de canules zijn op aanvraag beschikbaar.

Vloeistof-vloeistofextractie

Dit inzetstuk verbetert vloeistof-vloeistofextractieprocessen door een fijne, turbulente emulsie te vormen, bijvoorbeeld van een oplosmiddelfase in een oliefase. Ook hierdoor neemt het contactoppervlak tussen de fasen toe, wat resulteert in een betere extractie en een lager oplosmiddelverbruik.

Waterhoudende brandstoffen voor een schonere verbranding

Laagwaardige stookoliën, zoals zware stookolie die op zeeschepen of voor elektriciteitsopwekking wordt gebruikt, kunnen met water worden geëmulgeerd. Dit resulteert in een efficiëntere verbranding en een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van NO_x en roet.
Lees meer over ultrasone emulsificatie van waterhoudende brandstoffen (emulsiebrandstoffen)!

Precipitatie / Sonokristallisatie

Pigmenten of nanodeeltjes kunnen via een bottom-upproces worden gevormd 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 beheersen, is het essentieel om de menging van precursoren/reagentia te beheersen.
In het algemeen omvat het precipitatieproces: mengen, oververzadiging, nucleatie, deeltjesgroei en agglomeratie. Dit laatste wordt voorkomen door een lage concentratie vaste stoffen of door stabilisatoren. De menging is cruciaal, aangezien de reactiesnelheid bij de meeste precipitatieprocessen zeer hoog is. De InsertMPC48 combineert snelle, smalle geïnjecteerde stralen met sterke afschuiving door ultrasone cavitatie. Dit maximaliseert de mengsnelheid en de mengprestaties, 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 toe te passen. Het concept is eenvoudig in bestaande processen te integreren.

1. Voer fase A toe via de vloeistofinlaatpoort aan de onderkant van de doorstroomcel
2. Voer fase B toe via de kleinere vloeistofinlaatpoort(en) aan de zijkant van de doorstroomcel. Deze toevoer wordt via 48 fijne buisjes in de cavitatiezone geïnjecteerd
3. Stel de reactordruk in met een tegendrukventiel bij de uitlaatpoort van de doorstroomcel

De 1kW sonicator UIP1000hdT voor gebruik op de laboratoriumtafel kan debieten van 100 tot 1000L/hr (25 tot 250 gal/hr) verwerken voor procesdemonstraties en voor de optimalisatie van de sonicatieparameters. Ultrasone processoren van Hielscher zijn ontworpen voor lineaire opschaling naar grotere verwerkingsvolumes op pilot- of productieschaal. De onderstaande tabel vermeldt verwerkingsvolumes en aanbevolen apparaatgroottes.