Inserção de Cavitador Multifásico para Célula de Fluxo Ultrassónica

O Insert MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) foi concebido para melhorar o processamento ultrassónico de misturas líquido/líquido ou líquido/gás. 48 cânulas muito finas injectam líquido ou gás numa fase líquida diretamente na zona de cavitação. Isto cria gotículas suspensas muito pequenas ou bolhas de gás que produzem uma área de superfície específica muito elevada.

Esta inserção é particularmente útil para a química de emulsões, como as reacções de transferência de fase, Catálise de transferência de fase (PTC) ou extração líquido-líquido. Outro campo de aplicação interessante é a precipitação de partículas a partir de dois precursores líquidos ou a sono-cristalização. Este inserto foi concebido para reactores de célula de fluxo Hielscher e permite o processamento em lote ou contínuo.

Um e 48 orifícios de injeção

A ultra-sons é um meio eficaz para a emulsificação e mistura. Diferente da configuração convencional, onde as fases separadas são combinadas antes de entrarem na célula de fluxo e na cavitação, esta inserção de célula de fluxo melhora a combinação das duas fases. Quando um líquido é injetado através das 48 cânulas finas, entra na célula de fluxo em filamentos muito estreitos. O inserto utiliza 48 cânulas médicas muito finas com diâmetros internos de 0,3 mm a 1,2 mm. Estas cânulas podem ser facilmente substituídas e são um consumível de baixo custo (estéril, aprox. 2ct/pc). A cavitação ultra-sónica (a 20kHz) corta os 48 fios de líquido que entram em pequenas gotas quando entram na fase líquida da célula de fluxo.
A conceção aplica a mesma pressão de alimentação de uma fonte a todas as 48 cânulas para nivelar o fluxo entre as cânulas.

48 portas de entrada no reator ultrassónico para reacções líquido-líquido

Utilizações e aplicações

Os reactores de ultra-sons Hielscher são frequentemente utilizados para emulsionar, para melhorar a cinética do processo de transferência de fase ou as taxas de dissolução em sistemas de fase líquido-líquido. Exemplos de tais processos são a dessulfuração oxidativa com peróxido de hidrogénio e subsequente extração por solvente ou a transesterificação catalisada por bases de triglicéridos.
A solubilidade limitada de uma fase reagente noutra fase reagente é um problema significativo na química de emulsão do processo, uma vez que ambas as fases reagem entre si apenas na interfase. Sem ultra-sons, isto resulta em baixas taxas de reação e uma cinética de conversão lenta em sistemas de duas fases.
Utilizando o inserto com um reator ultrassónico, a cavitação produz um elevado cisalhamento hidráulico e quebra a fase injectada em gotículas sub-micrónicas e nanométricas. Como a área de superfície específica do limite da fase é influente para a taxa de reação química, esta redução significativa do diâmetro das gotículas melhora a cinética da reação e pode reduzir ou eliminar a necessidade de agentes de transferência de fase. A percentagem de volume da fase injectada pode ser reduzida, uma vez que as emulsões mais finas necessitam de menos volume para proporcionar a mesma superfície de contacto com a outra fase reagente.
A utilização deste inserto pode reduzir a quantidade necessária de catalisadores de emulsão anfifílicos ou catalisadores de transferência de fase (PTC)Os sais de amónio quaternário, com a sua capacidade única de se dissolverem em líquidos aquosos e orgânicos.

Transferência de massa melhorada para reacções químicas

Quando duas fases reagentes reagem num limite de fase, os produtos da reação acumulam-se na superfície da gota e impedem que as fases reagentes interajam na interface. O cisalhamento hidráulico causado pela cavitação ultra-sónica resulta num fluxo turbulento e no transporte de material de e para as superfícies das gotículas e leva à coalescência repetida e à formação subsequente de novas gotículas. À medida que a reação progride no tempo, a sonicação maximiza a exposição e a interação dos reagentes.
Este efeito é utilizado em muitos processos, como a transesterificação de óleos vegetais em biodiesel ou a síntese de poliésteres pela transesterificação de diésteres com dióis para formar macromoléculas.

Emulsionar / Emulsificação

Este inserto de célula de fluxo melhora a emulsificação ao misturar líquidos imiscíveis. Isto leva a tamanhos de gotas mais pequenos e a uma distribuição de tamanhos mais estreita – fator-chave para a estabilidade de uma emulsão. Com esta conceção, é possível injetar e emulsionar líquidos de baixa e média viscosidade, mesmo em líquidos de alta viscosidade, como óleos combustíveis pesados (HFOs), polímeros ou géis. Algumas formulações podem exigir a adição de emulsionantes ou estabilizadores. Neste caso, é útil misturar o emulsionante uniformemente. Estão disponíveis, mediante pedido, desenhos personalizados para a injeção de mais do que uma fase através das cânulas.

extração líquido-líquido

Este inserto aumenta os processos de extração líquido-líquido ao criar uma emulsão turbulenta de tamanho fino, por exemplo, de uma fase de solvente numa fase de óleo. Mais uma vez, isto aumenta a superfície de contacto das fases e resulta numa melhor extração e numa menor utilização de solventes.

Aqua-Combustíveis para uma combustão mais limpa

Os fuelóleos de baixa qualidade, como o fuelóleo pesado utilizado em embarcações marítimas ou na produção de eletricidade, podem ser emulsionados com água. Isto resulta numa combustão mais eficiente e numa redução significativa das emissões de NO_x e fuligem.
Leia mais sobre a emulsificação ultra-sônica de aqua-combustíveis (emulsão-combustíveis)!

Precipitação / Sono-cristalização

Os pigmentos ou nano-partículas podem ser gerados de baixo para cima por precipitação em líquidos. Neste caso, uma mistura supersaturada começa a formar partículas sólidas ou cristais a partir do material altamente concentrado. Estas partículas crescem até um determinado ponto e finalmente precipitam. Para controlar o tamanho e a morfologia das partículas/cristais, é essencial controlar a mistura de precursores/reagentes.
Em geral, o processo de precipitação envolve: Mistura, supersaturação, nucleação, crescimento de partículas e aglomeração. Esta última é evitada por uma baixa concentração de sólidos ou por agentes estabilizadores. A mistura é crítica; como na maioria dos processos de precipitação, a velocidade da reação é muito elevada. O InsertMPC48 combina jactos rápidos e estreitos injectados com um forte cisalhamento cavitacional ultrassónico. Isto maximiza a velocidade e o desempenho da mistura, criando mais e menores partículas.

Dos testes de laboratório à escala piloto e à produção

A Hielscher Ultrasonics oferece equipamento para testar, verificar e utilizar esta tecnologia a qualquer escala. O conceito é fácil de incorporar nos processos existentes.

1. Alimentar a fase A no orifício de entrada de líquido no fundo da célula de fluxo
2. Alimentar a fase B através de uma ou mais portas de entrada de líquido mais pequenas na parte lateral da célula de fluxo. Esta alimentação será injectada na zona de cavitação através de 48 tubos finos
3. Ajustar a pressão do reator utilizando uma válvula de contrapressão no orifício de saída da célula de fluxo

Ao nível da bancada, um UIP1000hd (1kW) podem processar taxas de fluxo de 100 a 1000L/hr (25 a 250 gal/hr) para demonstração do processo e para a otimização dos parâmetros de sonicação. Os processadores ultra-sónicos da Hielscher foram concebidos para um aumento de escala linear para volumes de processamento maiores à escala piloto ou de produção. A tabela abaixo lista os volumes de processamento e os tamanhos de equipamento recomendados.