MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 para célula de fluxo ultrassónica

O inserto MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) foi concebido para melhorar o processamento ultrassónico de misturas líquido/líquido ou líquido/gás. 48 cânulas muito finas injetam líquido ou gás numa fase líquida diretamente na zona de cavitação. Isto cria gotículas muito pequenas em suspensão ou bolhas de gás, proporcionando uma área superficial específica muito elevada.

Este inserto é particularmente útil para a química de emulsões, como reações de transferência de fase, catálise de transferência de fase (PTC) ou extração líquido-líquido. Outro domínio de aplicação interessante é a precipitação de partículas a partir de dois precursores líquidos ou a sonocristalização. Este inserto foi concebido para reatores de célula de fluxo Hielscher e permite o processamento por lotes ou contínuo.

Uma e 48 portas de injeção

A sonicação é um meio eficaz de emulsificação e mistura. Ao contrário da configuração convencional, em que as fases separadas são combinadas antes de entrarem na célula de fluxo e na zona de cavitação, este inserto 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 0,3mm a 1,2mm. Estas cânulas podem ser facilmente substituídas e são um consumível de baixo custo (estéril, aprox. 2ct/peça). A cavitação ultrassónica (a 20kHz) divide os 48 filamentos de líquido que entram em pequenas gotículas quando estes entram na fase líquida da célula de fluxo.
A conceção aplica a mesma pressão de alimentação, proveniente de uma única fonte, às 48 cânulas para uniformizar o caudal entre elas.

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

Utilizações e aplicações

Os reatores ultrassónicos Hielscher são frequentemente utilizados para emulsificar, melhorar a cinética dos processos de transferência de fase ou as velocidades de dissolução em sistemas de fases líquido-líquido. Exemplos destes processos são a dessulfuração oxidativa com peróxido de hidrogénio e a subsequente extração com solvente, ou a transesterificação de triglicéridos catalisada por bases.
A solubilidade limitada de uma fase reagente noutra fase reagente constitui um problema significativo na química de emulsões do processo, uma vez que ambas as fases reagem entre si apenas na interface. Sem ultrassons, isto resulta em baixas velocidades de reação e numa cinética de conversão lenta em sistemas bifásicos.
Ao utilizar o inserto com um reator ultrassónico, a cavitação produz um elevado cisalhamento hidráulico e divide a fase injetada em gotículas submicrométricas e nanométricas. Como a área superficial específica da interface entre as fases influencia a velocidade da 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 volúmica da fase injetada pode ser reduzida, porque 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 anfifílicos de emulsão ou catalisadores de transferência de fase (PTC), como os sais de amónio quaternário, com a sua capacidade única de se dissolverem tanto em líquidos aquosos como orgânicos.

Transferência de massa melhorada para reações químicas

Quando duas fases reagentes reagem na interface entre as fases, os produtos da reação acumulam-se na superfície das gotículas e impedem a interação das fases reagentes na interface. O cisalhamento hidráulico causado pela cavitação ultrassónica resulta num escoamento turbulento e no transporte de matéria de e para as superfícies das gotículas, conduzindo à coalescência repetida e à subsequente formação de novas gotículas. À medida que a reação progride ao longo do tempo, a sonicação maximiza a exposição e a interação dos reagentes.
Este efeito é utilizado em muitos processos, como a transesterificação de óleos vegetais para produzir biodiesel ou a síntese de poliésteres por transesterificação de diésteres com dióis para formar macromoléculas.

Emulsionar / Emulsificação

Este inserto de célula de fluxo melhora a emulsificação ao misturar líquidos imiscíveis. Isto conduz a gotículas de menor tamanho e a uma distribuição de tamanhos mais estreita – um fator essencial para a estabilidade de uma emulsão. Com esta conceção, pode injetar e emulsificar líquidos de baixa e média viscosidade mesmo em líquidos de elevada viscosidade, como fuelóleos pesados (HFOs), polímeros ou géis. Algumas formulações podem exigir a adição de emulsionantes ou estabilizantes. Neste caso, ajuda a misturar o emulsionante uniformemente. Estão disponíveis, mediante pedido, conceções personalizadas para a injeção de mais de uma fase através das cânulas.

Extração líquido-líquido

Este inserto melhora os processos de extração líquido-líquido ao criar uma emulsão turbulenta de gotículas finas, por exemplo, de uma fase de solvente numa fase oleosa. Mais uma vez, isto aumenta a superfície de contacto entre as fases e resulta numa melhor extração e numa menor utilização de solvente.

Combustíveis emulsionados com água para uma combustão mais limpa

Os fuelóleos de baixa qualidade, como o fuelóleo pesado utilizado em navios ou na produção de energia, podem ser emulsionados com água. Isto resulta numa combustão mais eficiente e numa redução significativa das emissões de NO_x e de fuligem.
Leia mais sobre a emulsificação ultrassónica de combustíveis com água (combustíveis emulsionados)!

Precipitação / Sonocristalização

Podem ser produzidos pigmentos ou nanopartículas por precipitação em líquidos, a partir dos seus constituintes mais pequenos. Neste caso, uma mistura sobressaturada começa a formar partículas sólidas ou cristais a partir do material altamente concentrado. Estas partículas crescem até determinado ponto e acabam por precipitar. Para controlar o tamanho e a morfologia das partículas/cristais, é essencial controlar a mistura dos precursores/reagentes.
Em geral, o processo de precipitação envolve: mistura, sobressaturação, nucleação, crescimento das partículas e aglomeração. Esta última é evitada através de uma baixa concentração de sólidos ou de agentes estabilizantes. A mistura é fundamental, uma vez que, na maioria dos processos de precipitação, a velocidade da reação é muito elevada. O InsertMPC48 combina jatos injetados rápidos e estreitos com um forte cisalhamento provocado pela cavitação ultrassónica. Isto maximiza a velocidade e o desempenho da mistura, criando mais partículas e de menor tamanho.

Dos ensaios laboratoriais 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 em processos existentes.

1. Introduza a fase A na porta de entrada de líquido na parte inferior da célula de fluxo
2. Introduza a fase B na(s) porta(s) de entrada de líquido mais pequena(s) na lateral da célula de fluxo. Esta alimentação será injetada na zona de cavitação através de 48 tubos finos
3. Ajuste a pressão do reator utilizando uma válvula de contrapressão na porta de saída da célula de fluxo

À escala de bancada, o sonicador UIP1000hdT de 1kW pode processar caudais de 100 a 1000L/hr (25 a 250 gal/hr) para demonstração do processo e otimização dos parâmetros de sonicação. Os processadores ultrassónicos Hielscher foram concebidos para um aumento linear de escala para volumes de processamento maiores à escala piloto ou de produção. A tabela abaixo apresenta os volumes de processamento e as dimensões de equipamento recomendadas.