MultiPhaseCavitator-Insert dla ultradźwiękowej komory przepływowej
Wkładka MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) została zaprojektowana w celu usprawnienia ultradźwiękowego przetwarzania mieszanin ciecz/ciecz lub ciecz/gaz. 48 bardzo drobnych kaniul wstrzykuje ciecz lub gaz do fazy ciekłej bezpośrednio w strefie kawitacji. Tworzy to bardzo małe zawieszone kropelki lub pęcherzyki gazu, dając bardzo wysoką powierzchnię właściwą.
Ta wkładka jest szczególnie przydatna w chemii emulsyjnej, takiej jak reakcje przeniesienia fazowego, Kataliza przeniesienia fazowego (PTC) lub ekstrakcja ciecz-ciecz. Innym interesującym obszarem zastosowań jest wytrącanie cząstek z dwóch ciekłych prekursorów lub sonokrystalizacja. Ta wkładka jest przeznaczona do reaktorów przepływowych Hielscher i umożliwia przetwarzanie wsadowe lub ciągłe.
Jeden i 48 portów wtryskowych
Ultradźwięki są skutecznym środkiem do emulgowania i mieszania. W odróżnieniu od konwencjonalnej konfiguracji, w której oddzielne fazy są łączone przed wejściem do komory przepływowej i kawitacji, ta wkładka do komory przepływowej poprawia połączenie dwóch faz. Gdy ciecz jest wstrzykiwana przez 48 drobnych kaniul, wchodzi ona do komory przepływowej w bardzo wąskich pasmach. We wkładzie zastosowano 48 cienkich kaniul medycznych o średnicy wewnętrznej od 0,3 mm do 1,2 mm. Kaniule te można łatwo wymienić i są one tanim materiałem eksploatacyjnym (sterylne, ok. 2 szt./szt.). Kawitacja ultradźwiękowa (o częstotliwości 20 kHz) tnie 48 przychodzących nitek cieczy na małe kropelki, gdy wchodzą one do fazy ciekłej w komorze przepływowej.
Konstrukcja stosuje to samo ciśnienie zasilania z jednego źródła do wszystkich 48 kaniul, aby wyrównać przepływ między kaniulami.

48 portów wejściowych do reaktora ultradźwiękowego do reakcji ciecz-ciecz

InsertMPC48 – 48 cienkich kaniul kończy się w strefie kawitacji

Ultradźwiękowy reaktor przepływowy FC100L1K-1S z wkładkąMPC48
Zastosowania i aplikacje
Reaktory ultradźwiękowe Hielschera są często używane do emulgowania, w celu poprawy kinetyki procesu przenoszenia faz lub szybkości rozpuszczania w układach faz ciecz-ciecz. Przykładami takich procesów są utleniające odsiarczanie nadtlenkiem wodoru i późniejsza ekstrakcja rozpuszczalnikiem lub katalizowana zasadą transestryfikacja triglicerydów.
Ograniczona rozpuszczalność jednej fazy odczynnika w innej fazie odczynnika jest istotnym problemem w chemii emulsji procesowej, ponieważ obie fazy reagują ze sobą tylko w interfazie. Bez ultradźwięków powoduje to niskie szybkości reakcji i powolną kinetykę konwersji w układach dwufazowych.
Używając wkładki z reaktorem ultradźwiękowym, kawitacja wytwarza wysokie ścinanie hydrauliczne i rozbija wtryskiwaną fazę na kropelki submikronowe i nanorozmiarowe. Ponieważ powierzchnia właściwa granicy faz ma wpływ na szybkość reakcji chemicznej, znaczne zmniejszenie średnicy kropli poprawia kinetykę reakcji i może zmniejszyć lub wyeliminować potrzebę stosowania środków przenoszących fazę. Objętość procentowa wtryskiwanej fazy może zostać obniżona, ponieważ drobniejsze emulsje wymagają mniejszej objętości, aby zapewnić taką samą powierzchnię kontaktu z drugą fazą odczynnika.
Zastosowanie tej wkładki może obniżyć wymaganą ilość amfifilowych katalizatorów emulsji lub katalizatory przeniesienia fazy (PTC)takie jak czwartorzędowe sole amoniowe z ich unikalną zdolnością do rozpuszczania się zarówno w cieczach wodnych, jak i organicznych.
Wzmocniony transfer masy w reakcjach chemicznych
Gdy dwie fazy reagentów reagują na granicy faz, produkty reakcji gromadzą się na powierzchni kropli i blokują interakcję faz reagentów na granicy faz. Ścinanie hydrauliczne spowodowane kawitacją ultradźwiękową powoduje turbulentny przepływ i transport materiału z i do powierzchni kropli i prowadzi do powtarzającej się koalescencji, a następnie tworzenia nowych kropelek. W miarę postępu reakcji w czasie, sonikacja maksymalizuje ekspozycję i interakcję odczynników.
Efekt ten jest wykorzystywany w wielu procesach, takich jak transestryfikacja olejów roślinnych do biodiesla lub synteza poliestrów poprzez transestryfikację diestrów z diolami w celu utworzenia makrocząsteczek.
Emulgowanie / Emulgowanie
Ta wkładka do celi przepływowej poprawia emulgowanie podczas mieszania niemieszających się cieczy. Prowadzi to do mniejszych rozmiarów kropel i węższego rozkładu ich wielkości – jest kluczowym czynnikiem wpływającym na stabilność emulsji. Dzięki tej konstrukcji można wtryskiwać i emulgować ciecze o niskiej i średniej lepkości nawet do cieczy o wysokiej lepkości, takich jak ciężkie oleje opałowe (HFO), polimery lub żele. Niektóre preparaty mogą wymagać dodania emulgatorów lub stabilizatorów. W takim przypadku pomocne jest równomierne wymieszanie emulgatora. Niestandardowe konstrukcje do wtrysku więcej niż jednej fazy przez kaniule są dostępne na życzenie.
ekstrakcja ciecz-ciecz
Ta wkładka usprawnia procesy ekstrakcji ciecz-ciecz poprzez tworzenie turbulentnej emulsji o drobnych rozmiarach, np. fazy rozpuszczalnika w fazie olejowej. Ponownie, zwiększa to powierzchnię kontaktu faz i skutkuje lepszą ekstrakcją i mniejszym zużyciem rozpuszczalnika.
Aqua-Paliwa dla czystszego spalania
Niskogatunkowe oleje opałowe, takie jak ciężki olej opałowy stosowany na statkach morskich lub do wytwarzania energii, mogą być emulgowane wodą. Powoduje to bardziej wydajne spalanie i znaczną redukcję emisji NOx i sadzy.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej emulgacji paliw wodnych (paliw emulsyjnych)!
Wytrącanie / Sono-krystalizacja
Pigmenty lub nanocząstki mogą być generowane oddolnie poprzez wytrącanie w cieczach. W tym przypadku przesycona mieszanina zaczyna tworzyć stałe cząstki lub kryształy z wysoce skoncentrowanego materiału. Cząstki te rosną do pewnego punktu i ostatecznie wytrącają się. Aby kontrolować rozmiar i morfologię cząstek/kryształów, niezbędne jest kontrolowanie mieszania prekursora/odczynnika.
Ogólnie rzecz biorąc, proces wytrącania obejmuje: mieszanie, przesycanie, zarodkowanie, wzrost cząstek i aglomerację. Tej ostatniej można uniknąć dzięki niskiemu stężeniu substancji stałych lub środkom stabilizującym. Mieszanie jest krytyczne; jak w przypadku większości procesów strącania, szybkość reakcji jest bardzo wysoka. InsertMPC48 łączy szybkie wąskie strumienie wtryskiwane z silnym ultradźwiękowym ścinaniem kawitacyjnym. Maksymalizuje to szybkość i wydajność mieszania, tworząc więcej mniejszych cząstek.
Od testów laboratoryjnych po skalę pilotażową i produkcję
Hielscher Ultrasonics oferuje sprzęt do testowania, weryfikacji i wykorzystania tej technologii w dowolnej skali. Koncepcja ta jest łatwa do włączenia do istniejących procesów.
- Wprowadzić fazę A do otworu wlotowego cieczy w dolnej części komory przepływowej.
- Wprowadzić fazę B do mniejszych otworów wlotowych cieczy z boku komory przepływowej. Ciecz ta będzie wtryskiwana do obszaru kawitacji przez 48 cienkich rur
- Wyregulować ciśnienie w reaktorze za pomocą zaworu przeciwciśnienia w porcie wylotowym komory przepływowej.
Na poziomie bench-top a UIP1000hd (1kW) może przetwarzać natężenia przepływu od 100 do 1000 l/h (25 do 250 gal/h) w celu demonstracji procesu i optymalizacji parametrów sonikacji. Procesory ultradźwiękowe Hielscher są przeznaczone do liniowego skalowania do większych objętości przetwarzania w skali pilotażowej lub produkcyjnej. Poniższa tabela zawiera listę wielkości przetwarzania i zalecanych rozmiarów sprzętu.
Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
---|---|---|
0.2L | 0.25 do 2 m3/godz. | UIP1000hd, UIP2000hd |
0.2L | 1 do 8 m3/godz. | UIP4000 |
b.d. | 4 do 30 m3/godz. | UIP16000 |
b.d. | powyżej 30 m3/godz. | klaster UIP10000 lub UIP16000 |