Kawitator wielofazowy – Włóż MPC48 do ultradźwiękowej komory przepływowej
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.
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
Wtrysk do wielofazowego lawitatora ultradźwiękowego
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.
Rozkład wielkości cząstek Fe3O4 (magnetytu) generowanych w ciągłej ultradźwiękowej reakcji strącania (Banert i in., 2004).
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.
W wersji stołowej sonikator o mocy 1 kW, model UIP1000hdT może przetwarzać przepływy o natężeniu od 100 do 1000 l/h (25 do 250 galonów/h) w celu przeprowadzenia demonstracji procesu oraz optymalizacji parametrów sonikacji. Procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher zostały zaprojektowane z myślą o liniowym zwiększaniu skali do większych objętości przetwarzania na poziomie pilotażowym lub produkcyjnym. W poniższej tabeli przedstawiono objętości przetwarzania oraz zalecane rozmiary urządzeń.
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 0.2L | 0.25 do 2 m3/godz. | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0.2L | 1 do 8 m3/godz. | UIP4000hdT |
| b.d. | 4 do 30 m3/godz. | UIP16000hdT |
| b.d. | powyżej 30 m3/godz. | klaster UIP10000 lub UIP16000hdT |
Najczęściej zadawane pytania dotyczące urządzenia MultiPhaseCavitator – Wkład komory przepływowej ultradźwiękowej MPC48
Czym jest wkład MultiPhaseCavitator (wkład do komory przepływowej MPC48)?
Wkładka MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) to wkładka do komory przepływowej przeznaczona do usprawnienia przetwarzania ultradźwiękowego mieszanin ciecz-ciecz lub ciecz-gaz. Wykorzystuje on 48 bardzo cienkich kaniul, które wtryskują ciecz lub gaz do fazy ciekłej bezpośrednio w strefie kawitacji, tworząc bardzo małe zawieszone kropelki lub pęcherzyki gazu o dużej powierzchni właściwej.
Co oznacza skrót MPC48?
Skrót MPC oznacza MultiPhaseCavitator. Liczba 48 oznacza, że wkład posiada 48 kaniul służących jako miejsca wstrzyknięcia. Na życzenie klienta wkład komory przepływowej może być wyposażony w większą lub mniejszą liczbę kaniul.
Jak działa wkład komory przepływowej MPC48?
Gdy ciecz jest wtłaczana przez 48 cienkich kaniul medycznych (o średnicach wewnętrznych od 0,3 mm do 1,2 mm), przedostaje się do komory przepływowej w postaci bardzo wąskich strumieni. Kawitacja ultradźwiękowa o częstotliwości 20 kHz rozbija te napływające strumyki na małe kropelki w momencie, gdy przechodzą one w fazę ciekłą. Konstrukcja zapewnia takie samo ciśnienie zasilania z jednego źródła do wszystkich 48 kaniul, co pozwala wyrównać przepływ między nimi.
Do jakich zastosowań najlepiej nadaje się wkład MultiPhaseCavitator?
Jest to szczególnie przydatne w chemii emulsji, np. w reakcjach transferu fazowego, katalizie transferu fazowego (PTC) oraz ekstrakcji ciecz-ciecz. Doskonale nadaje się również do strącania cząstek z dwóch ciekłych prekursorów oraz do sonokrystalizacji. Wkładka została zaprojektowana do reaktorów z komorą przepływową firmy Hielscher i umożliwia przetwarzanie w trybie okresowym lub ciągłym.
W jaki sposób wkładka MPC48 poprawia przebieg reakcji przenoszenia fazowego?
Ponieważ ograniczona rozpuszczalność jednej fazy odczynnika w drugiej ogranicza reakcję do strefy międzyfazowej, w układach dwufazowych bez zastosowania ultradźwięków szybkości reakcji są często niskie. Dzięki wkładce kawitacja wytwarza duże ścinanie hydrauliczne i rozbija wtryskiwaną fazę na kropelki o rozmiarach submikronowych i nanometrycznych. To znaczne zmniejszenie średnicy kropelek poprawia kinetykę reakcji i może ograniczyć lub wyeliminować potrzebę stosowania środków przenoszących fazę.
Czy wkładka może zmniejszyć ilość potrzebnego katalizatora?
Tak. Wkładka pozwala zmniejszyć wymaganą ilość amfifilowych katalizatorów emulsyjnych lub katalizatorów przenoszenia fazowego (PTC), takich jak czwartorzędowe sole amoniowe, ponieważ emulsje o drobniejszej strukturze wymagają mniejszej objętości, aby zapewnić taką samą powierzchnię styku z drugą fazą odczynnika.
W jaki sposób poprawia to przenoszenie masy w reakcjach chemicznych?
Produkty reakcji mogą gromadzić się na powierzchni kropelek i blokować oddziaływanie odczynników na granicy faz. Ścinanie hydrauliczne spowodowane kawitacją ultradźwiękową powoduje powstanie przepływu turbulentnego oraz transport materiału do i z powierzchni kropelek, co prowadzi do powtarzającego się koalescowania i tworzenia nowych kropelek. Z upływem czasu sonikacja maksymalizuje ekspozycję i oddziaływanie odczynników – wykorzystywane w procesach takich jak transestryfikacja olejów roślinnych do produkcji biodiesla lub synteza poliestrów.
Czy wkładka ta sprawdza się w ekstrakcji ciecz-ciecz?
Tak. Wkładka usprawnia ekstrakcję ciecz-ciecz poprzez tworzenie drobnoziarnistej emulsji burzliwej, na przykład fazy rozpuszczalnikowej w fazie olejowej. Zwiększa to powierzchnię styku faz, co skutkuje lepszą ekstrakcją przy mniejszym zużyciu rozpuszczalnika.
Czy można go wykorzystać do produkcji paliw wodnych?
Tak. Paliwa olejowe niskiej jakości, takie jak ciężki olej opałowy stosowany na statkach morskich lub do wytwarzania energii elektrycznej, można emulgować z wodą. Prowadzi to do bardziej wydajnego spalania oraz znacznego ograniczenia emisji NOx i sadzy.
Odkryj zalety emulgowania ultradźwiękowego paliw wodnych!
W jaki sposób wkładka wspomaga procesy wytrącania i sonokrystalizacji?
Pigmenty lub nanocząsteczki można wytwarzać metodą „od dołu do góry” poprzez strącanie w cieczach. Wkładka MPC48 łączy szybkie, wąskie strumienie wtryskiwane z silnym ścinaniem kawitacyjnym wywołanym ultradźwiękami, co maksymalizuje prędkość mieszania i wydajność, tworząc większą liczbę mniejszych cząstek. Ponieważ prędkość wielu reakcji strącania jest bardzo wysoka, kontrola mieszania prekursorów/odczynników ma zasadnicze znaczenie, a wkładka pomaga kontrolować wielkość i morfologię cząstek/kryształów.
Czy kaniule są materiałami eksploatacyjnymi?
Tak. 48 cienkich kaniul medycznych można łatwo wymienić i są to niedrogie materiały eksploatacyjne (sterylne, ok. 2 ct/szt.). Kaniule te stanowią standardowe materiały eksploatacyjne i można je łatwo nabyć na miejscu. Na życzenie dostępne są niestandardowe konstrukcje umożliwiające wstrzykiwanie więcej niż jednej fazy przez kaniule.
Jak skonfigurować komorę przepływową z modułem InsertMPC48? Koncepcję tę można łatwo wdrożyć w istniejących procesach: fazę A należy wprowadzić do dolnego wlotu cieczy w komorze przepływowej, fazę B do mniejszego wlotu (lub wlotów) cieczy z boku (wtryskiwanej do obszaru kawitacyjnego przez 48 cienkich rurek), a ciśnienie w reaktorze należy regulować za pomocą zaworu przeciwciśnieniowego na wylocie komory przepływowej.
Jakie opcje rozbudowy i rozmiary urządzeń są dostępne?
Firma Hielscher oferuje urządzenia do testowania, weryfikacji i wdrażania tej technologii na dowolną skalę, z możliwością liniowego zwiększania wydajności od urządzeń laboratoryjnych, przez instalacje pilotażowe, aż po produkcję seryjną. Na przykład urządzenie UIP1000hd (1 kW) może przetwarzać 100–1 000 l/godz. w celach demonstracyjnych i optymalizacji parametrów; zalecane urządzenia obejmują modele od UIP1000hd/UIP2000hd po UIP4000 i UIP16000, a w przypadku natężenia przepływu powyżej 30 m³/h stosuje się klastry urządzeń UIP10000 lub UIP16000.
Wkład komory przepływowej ultradźwiękowej MPC48 – Kawitator wielofazowy