MultiPhaseCavitator – wkład Insert MPC48 do ultradźwiękowej komory przepływowej

Wkład MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) został zaprojektowany w celu usprawnienia ultradźwiękowego przetwarzania mieszanin ciecz/ciecz lub ciecz/gaz. 48 bardzo cienkich kaniul wprowadza ciecz lub gaz do fazy ciekłej bezpośrednio w strefie kawitacji. Powstają w ten sposób bardzo małe zawieszone krople lub pęcherzyki gazu, zapewniające bardzo dużą powierzchnię właściwą.

Wkład ten jest szczególnie przydatny w chemii emulsji, na przykład w reakcjach z przeniesieniem międzyfazowym, katalizie przeniesienia międzyfazowego (PTC) lub ekstrakcji ciecz–ciecz. Innym interesującym obszarem zastosowania jest wytrącanie cząstek z dwóch ciekłych prekursorów lub sonokrystalizacja. Wkład ten jest przeznaczony do reaktorów Hielscher z komorą przepływową i umożliwia przetwarzanie okresowe lub ciągłe.

Jeden i 48 portów wtryskowych

Sonikacja jest skuteczną metodą emulgowania i mieszania. W odróżnieniu od konwencjonalnej konfiguracji, w której oddzielne fazy są łączone przed wprowadzeniem do komory przepływowej i strefy kawitacji, ten wkład do komory przepływowej usprawnia łączenie obu faz. Ciecz wtryskiwana przez 48 cienkich kaniul trafia do komory przepływowej w postaci bardzo wąskich strug. Wkład wykorzystuje 48 bardzo cienkich kaniul medycznych o średnicach wewnętrznych od 0,3mm do 1,2mm. Kaniule te można łatwo wymienić i stanowią one niedrogie materiały eksploatacyjne (sterylne, ok. 2ct/pc). Kawitacja ultradźwiękowa (przy 20kHz) rozcina 48 dopływających strug cieczy na małe krople w momencie ich wejścia do fazy ciekłej w komorze przepływowej.
Konstrukcja zapewnia jednakowe ciśnienie zasilania z jednego źródła dla wszystkich 48 kaniul, aby wyrównać przepływ przez poszczególne kaniule.

48 portów wlotowych do reaktora ultradźwiękowego do reakcji ciecz–ciecz

Zastosowania

Reaktory ultradźwiękowe Hielscher są często wykorzystywane do emulgowania, poprawy kinetyki procesów przeniesienia międzyfazowego lub zwiększania szybkości rozpuszczania w układach fazowych ciecz–ciecz. Przykładami takich procesów są odsiarczanie oksydacyjne nadtlenkiem wodoru z następującą po nim ekstrakcją rozpuszczalnikiem lub transestryfikacja triglicerydów katalizowana zasadą.
Ograniczona rozpuszczalność jednej fazy reagentu w drugiej fazie reagentu stanowi istotny problem w chemii procesów emulsyjnych, ponieważ obie fazy reagują ze sobą wyłącznie na granicy faz. Bez ultradźwięków prowadzi to do małych szybkości reakcji i powolnej kinetyki konwersji w układach dwufazowych.
Podczas stosowania wkładu z reaktorem ultradźwiękowym kawitacja wytwarza silne ścinanie hydrauliczne i rozbija wtryskiwaną fazę na krople o rozmiarach submikronowych i nanometrycznych. Ponieważ powierzchnia właściwa granicy faz wpływa na szybkość reakcji chemicznej, to znaczne zmniejszenie średnicy kropli poprawia kinetykę reakcji i może zmniejszyć lub wyeliminować potrzebę stosowania środków przeniesienia międzyfazowego. Udział objętościowy wtryskiwanej fazy może zostać zmniejszony, ponieważ emulsje o drobniejszych kroplach wymagają mniejszej objętości, aby zapewnić taką samą powierzchnię kontaktu z drugą fazą reagentu.
Zastosowanie tego wkładu może zmniejszyć wymaganą ilość amfifilowych katalizatorów emulsyjnych lub katalizatorów przeniesienia międzyfazowego (PTC), takich jak czwartorzędowe sole amoniowe o wyjątkowej zdolności rozpuszczania się zarówno w cieczach wodnych, jak i organicznych.

Usprawniony transport masy w reakcjach chemicznych

Gdy dwie fazy reagentów reagują na granicy faz, produkty reakcji gromadzą się na powierzchni kropli i uniemożliwiają fazom reagentów oddziaływanie na granicy faz. Ścinanie hydrauliczne wywołane kawitacją ultradźwiękową powoduje przepływ turbulentny i transport materii z powierzchni kropli i do nich oraz prowadzi do powtarzającej się koalescencji i następującego po niej tworzenia nowych kropli. W miarę postępu reakcji sonikacja maksymalizuje wzajemny kontakt i oddziaływanie reagentów.
Efekt ten jest wykorzystywany w wielu procesach, takich jak transestryfikacja olejów roślinnych do biodiesla lub synteza poliestrów poprzez transestryfikację diestrów diolami w celu utworzenia makrocząsteczek.

Emulgowanie / Emulgacja

Ten wkład do komory przepływowej usprawnia emulgowanie podczas mieszania niemieszających się cieczy. Prowadzi to do mniejszych rozmiarów kropli i węższego rozkładu ich wielkości – kluczowego czynnika wpływającego na stabilność emulsji. Dzięki tej konstrukcji można wtryskiwać i emulgować ciecze o małej i średniej lepkości nawet w cieczach o dużej lepkości, takich jak ciężkie oleje opałowe (HFO), polimery lub żele. Niektóre formulacje mogą wymagać dodania emulgatorów lub stabilizatorów. W takim przypadku wkład pomaga równomiernie wymieszać emulgator. Na zamówienie dostępne są konstrukcje dostosowane do wtryskiwania więcej niż jednej fazy przez kaniule.

Ekstrakcja ciecz–ciecz

Wkład ten usprawnia procesy ekstrakcji ciecz–ciecz poprzez tworzenie turbulentnej emulsji o drobnych kroplach, np. fazy rozpuszczalnika w fazie olejowej. Również w tym przypadku zwiększa to powierzchnię kontaktu faz i prowadzi do lepszej ekstrakcji oraz mniejszego zużycia rozpuszczalnika.

Paliwa z dodatkiem wody zapewniające czystsze spalanie

Oleje opałowe niskiej jakości, takie jak ciężki olej opałowy stosowany na statkach morskich lub do wytwarzania energii elektrycznej, można emulgować z wodą. Prowadzi to do wydajniejszego spalania oraz znacznego ograniczenia emisji NO_x i sadzy.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowym emulgowaniu paliw z dodatkiem wody (paliw emulsyjnych)!

Wytrącanie / Sonokrystalizacja

Pigmenty lub nanocząstki można wytwarzać metodą oddolną poprzez wytrącanie w cieczach. W takim przypadku przesycona mieszanina zaczyna tworzyć cząstki stałe lub kryształy z materiału o wysokim stężeniu. Cząstki te rosną do pewnego momentu, a ostatecznie się wytrącają. Aby kontrolować rozmiar i morfologię cząstek/kryształów, niezbędna jest kontrola mieszania prekursorów/reagentów.
Ogólnie proces wytrącania obejmuje: mieszanie, przesycenie, zarodkowanie, wzrost cząstek i aglomerację. Tej ostatniej zapobiega się poprzez niskie stężenie substancji stałej lub zastosowanie środków stabilizujących. Mieszanie ma kluczowe znaczenie, ponieważ w większości procesów wytrącania szybkość reakcji jest bardzo duża. InsertMPC48 łączy szybkie, wąskie wtryskiwane strugi z silnym ścinaniem wywołanym kawitacją ultradźwiękową. Maksymalizuje to szybkość i wydajność mieszania, prowadząc do powstawania większej liczby mniejszych cząstek.

Od badań laboratoryjnych do skali pilotażowej i produkcji

Hielscher Ultrasonics oferuje urządzenia do testowania, weryfikacji i wykorzystywania tej technologii w dowolnej skali. Rozwiązanie to można łatwo włączyć do istniejących procesów.

1. Doprowadź fazę A do portu wlotowego cieczy na dole komory przepływowej
2. Doprowadź fazę B do mniejszego portu lub mniejszych portów wlotowych cieczy z boku komory przepływowej. Strumień ten zostanie wtryskiwany do strefy kawitacji przez 48 cienkich rurek
3. Wyreguluj ciśnienie w reaktorze za pomocą zaworu utrzymującego ciśnienie wsteczne przy porcie wylotowym komory przepływowej

W skali stanowiska laboratoryjnego sonikator UIP1000hdT o mocy 1kW może przetwarzać strumienie o natężeniu przepływu od 100 do 1000L/hr (od 25 do 250 gal/hr) w celu demonstracji procesu i optymalizacji parametrów sonikacji. Procesory ultradźwiękowe Hielscher zostały zaprojektowane z myślą o liniowym zwiększaniu skali do większych objętości przetwarzania w skali pilotażowej lub produkcyjnej. Poniższa tabela przedstawia objętości przetwarzania i zalecane wielkości urządzeń.