MultiPhaseCavitator-Insert para célula de fluxo ultrassônico

O inserto MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) foi projetado para melhorar o processamento ultrassônico de misturas líquido/líquido ou líquido/gás. 48 cânulas muito finas injetam líquido ou gás em uma fase líquida bem na zona de cavitação. Isso cria gotículas suspensas muito pequenas ou bolhas de gás, produzindo uma área de superfície específica muito alta.

Esta pastilha é particularmente útil para química de emulsão, como reações de transferência de fase, Catálise por transferência de fase (PTC) ou extração líquido-líquido. Outro campo de aplicação interessante é a precipitação de partículas de dois precursores líquidos ou sonocristalização. Este inserto é projetado para reatores de célula de fluxo Hielscher e permite processamento em lote ou contínuo.

Uma e 48 portas de injeção

A ultrassonografia é um meio eficaz de emulsificação e mistura. Diferente da configuração convencional, onde fases separadas são combinadas antes de entrarem na célula de fluxo e na cavitação, este inserto de célula de fluxo melhora a combinação das duas fases. Quando um líquido é injetado através das 48 cânulas finas, ele entra na célula de fluxo em fios muito estreitos. O inserto usa muito 48 cânulas médicas finas com diâmetros internos de 0,3 mm a 1,2 mm. Essas cânulas podem ser facilmente substituídas e são um consumível de baixo custo (estéril, aprox. 2ct/pc). A cavitação ultrassônica (a 20kHz) corta os 48 fios de líquido recebidos em pequenas gotículas quando entram na fase líquida na célula de fluxo.
O projeto 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 ultrassônico para reações líquido-líquido

Usos e aplicações

Os reatores ultrassônicos Hielscher são frequentemente usados para emulsionar, 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 hidrogênio e subsequente extração por solvente ou a transesterificação catalisada por base de triglicerídeos.
A solubilidade limitada de uma fase de reagente em outra fase de reagente é um problema significativo na química da emulsão de processo, pois ambas as fases reagem entre si apenas na interfase. Sem ultrassom, isso resulta em baixas taxas de reação e uma cinética de conversão lenta em sistemas bifásicos.
Usando o inserto com um reator ultrassônico, a cavitação produz alto cisalhamento hidráulico e quebra a fase injetada em gotículas submicrométricas e nanométricas. Como a área de superfície específica do limite de fase é influente para a taxa química de reação, essa redução significativa no diâmetro da gota 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, porque as emulsões mais finas necessitam de menos volume para fornecer a mesma superfície de contacto com a outra fase reagente.
O uso deste inserto pode diminuir a quantidade necessária de catalisadores de emulsão anfifílicos ou catalisadores de transferência de fase (PTC), como sais de amônio quaternário com sua capacidade única de se dissolver em líquidos aquosos e orgânicos.

Transferência de massa aprimorada para reações químicas

Quando duas fases do reagente reagem em um limite de fase, os produtos da reação se acumulam na superfície da gota e impedem que as fases do reagente interajam na interface. O cisalhamento hidráulico causado pela cavitação ultrassônica resulta em fluxo turbulento e transporte de material de e para superfícies de gotículas e leva à coalescência repetida e 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 usado 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.

Emulsificação / Emulsificação

Este inserto de célula de fluxo melhora a emulsificação ao misturar líquidos imiscíveis. Isso leva a tamanhos de gotículas menores e uma distribuição de tamanho mais estreita – fator chave para a estabilidade de uma emulsão. Com este design, você pode injetar e emulsionar líquidos de baixa e média viscosidade até mesmo em líquidos de alta viscosidade, como óleos combustíveis pesados (HFOs), polímeros ou géis. Algumas formulações podem exigir a adição de emulsificantes ou estabilizantes. Nesse caso, ajuda a misturar o emulsificante uniformemente. Projetos personalizados para a injeção de mais de uma fase através das cânulas estão disponíveis mediante solicitação.

Extração líquido-líquido

Este inserto aumenta os processos de extração líquido-líquido, fazendo uma emulsão turbulenta de tamanho fino, por exemplo, de uma fase solvente em uma fase oleosa. Novamente, isso aumenta a superfície de contato de fase e resulta em melhor extração e redução do uso de solvente.

Aqua-combustíveis para uma combustão mais limpa

Óleos combustíveis de baixo grau, como óleo combustível pesado usado em embarcações marítimas ou para geração de energia, podem ser emulsionados com água. Isso resulta em uma combustão mais eficiente e em uma redução significativa de NO_x emissões e fuligem.
Leia mais sobre emulsificação ultrassônica de aqua-combustíveis (emulsões-combustíveis)!

Precipitação / Sono-Cristalização

Pigmentos ou nanopartículas podem ser gerados de baixo para cima por precipitação em líquidos. Nesse caso, uma mistura supersaturada começa a formar partículas sólidas ou cristais a partir do material altamente concentrado. Essas partículas crescerão até um certo ponto e finalmente precipitarão. Para controlar o tamanho e a morfologia da partícula/cristal, é essencial controlar a mistura de precursores/reagentes.
Em geral, o processo de precipitação envolve: mistura, supersaturação, nucleação, crescimento de partículas e aglomeração. Este último é evitado por uma baixa concentração de sólidos ou por agentes estabilizantes. A mistura é crítica; Como na maioria dos processos de precipitação, a velocidade da reação é muito alta. O InsertMPC48 combina jatos injetados estreitos rápidos com forte cisalhamento cavitacional ultrassônico. Isso maximiza a velocidade e o desempenho da mistura, criando mais e menores partículas.

Dos testes de laboratório à escala piloto e produção

A Hielscher Ultrasonics oferece equipamentos para testar, verificar e utilizar essa tecnologia em qualquer escala. O conceito é fácil de incorporar aos processos existentes.

1. Alimente a fase A na porta de entrada de líquido na parte inferior da célula de fluxo
2. Alimente a fase B em porta(s) de entrada de líquido menor(es) ao lado da célula de fluxo. Esta alimentação será injetada na área cavitacional através de 48 tubos finos
3. Ajuste a pressão do reator usando uma válvula de contrapressão na porta de saída da célula de fluxo

No nível de bancada, um UIP1000hd (1kW) pode processar vazões de 100 a 1000L/h (25 a 250 gal/h) para demonstração do processo e para a otimização dos parâmetros de sonicação. Os processadores ultrassônicos Hielscher são projetados para escalonamento linear para volumes de processamento maiores em escala piloto ou de produção. A tabela abaixo lista os volumes de processamento e os tamanhos de equipamento recomendados.