MultiphaseCavitator – Insert MPC48 pentru celula de flux cu ultrasunete

Insertul MultiphaseCavitator (Insert MPC48) este conceput pentru a îmbunătăți procesarea cu ultrasunete a amestecurilor lichid/lichid sau lichid/gaz. 48 de canule foarte fine injectează lichid sau gaz într-o fază lichidă direct în zona de cavitație. Astfel se formează picături suspendate sau bule de gaz foarte mici, cu o suprafață specifică foarte mare.

Acest insert este deosebit de util pentru chimia emulsiilor, cum ar fi reacțiile de transfer de fază, cataliza prin transfer de fază (PTC) sau extracția lichid-lichid. Un alt domeniu de aplicare interesant este precipitarea particulelor din doi precursori lichizi sau sono-cristalizarea. Acest insert este conceput pentru reactoarele cu celulă de flux Hielscher și permite procesarea în șarjă sau continuă.

Unul și 48 de porturi de injecție

Ultrasonicarea este un mijloc eficient pentru emulsionare și amestecare. Spre deosebire de configurația convențională, în care fazele separate sunt combinate înainte de a intra în celula de flux și în cavitație, acest insert pentru celula de flux îmbunătățește combinarea celor două faze. Atunci când un lichid este injectat prin cele 48 de canule fine, acesta intră în celula de flux sub forma unor fire foarte înguste. Insertul utilizează 48 de canule medicale foarte fine, cu diametre interioare de la 0,3mm la 1,2mm. Aceste canule pot fi înlocuite cu ușurință și sunt un consumabil ieftin (sterile, aprox. 2ct/pc). Cavitația ultrasonică (la 20kHz) taie cele 48 de fire de lichid care intră în picături mici atunci când acestea pătrund în faza lichidă din celula de flux.
Construcția aplică aceeași presiune de alimentare dintr-o singură sursă tuturor celor 48 de canule, pentru a egaliza debitul între canule.

48 de porturi de intrare în reactorul cu ultrasunete pentru reacții lichid-lichid

Utilizări și aplicații

Reactoarele cu ultrasunete Hielscher sunt adesea utilizate pentru emulsionare, pentru îmbunătățirea cineticii proceselor de transfer de fază sau a vitezelor de dizolvare în sistemele de faze lichid-lichid. Exemple de astfel de procese sunt desulfurarea oxidativă cu peroxid de hidrogen și extracția ulterioară cu solvent sau transesterificarea trigliceridelor catalizată bazic.
Solubilitatea limitată a unei faze de reactant în altă fază de reactant este o problemă semnificativă în procesele din chimia emulsiilor, deoarece ambele faze reacționează între ele doar la interfață. Fără ultrasunete, aceasta duce la viteze de reacție scăzute și la o cinetică de conversie lentă în sistemele bifazice.
Prin utilizarea insertului cu un reactor cu ultrasunete, cavitația produce o forfecare hidraulică ridicată și fragmentează faza injectată în picături submicronice și de dimensiuni nanometrice. Deoarece suprafața specifică a limitei de fază influențează viteza reacției chimice, această reducere semnificativă a diametrului picăturilor îmbunătățește cinetica reacției și poate reduce sau elimina necesitatea agenților de transfer de fază. Procentul volumic al fazei injectate poate fi redus, deoarece emulsiile mai fine necesită un volum mai mic pentru a oferi aceeași suprafață de contact cu cealaltă fază de reactant.
Utilizarea acestui insert poate reduce cantitatea necesară de catalizatori amfifili de emulsie sau de catalizatori de transfer de fază (PTC), cum ar fi sărurile cuaternare de amoniu, cu capacitatea lor unică de a se dizolva atât în lichide apoase, cât și în lichide organice.

Transfer de masă îmbunătățit pentru reacții chimice

Atunci când două faze de reactanți reacționează la o limită de fază, produșii de reacție se acumulează la suprafața picăturilor și împiedică interacțiunea fazelor de reactanți la interfață. Forfecarea hidraulică generată de cavitația ultrasonică produce un flux turbulent și un transport de material de la și spre suprafețele picăturilor și duce la coalescența repetată și la formarea ulterioară de noi picături. Pe măsură ce reacția progresează în timp, sonicarea maximizează expunerea și interacțiunea reactanților.
Acest efect este utilizat în multe procese, cum ar fi transesterificarea uleiurilor vegetale în biodiesel sau sinteza poliesterilor prin transesterificarea diesterilor cu dioli pentru a forma macromolecule.

Emulsionare / Emulsificare

Acest insert pentru celula de flux îmbunătățește emulsionarea la amestecarea lichidelor nemiscibile. Aceasta conduce la dimensiuni mai mici ale picăturilor și la o distribuție mai îngustă a dimensiunilor – factor-cheie pentru stabilitatea unei emulsii. Cu această construcție puteți injecta și emulsiona lichide cu viscozitate scăzută și medie chiar și în lichide cu viscozitate ridicată, cum ar fi uleiurile combustibile grele (HFO), polimerii sau gelurile. Unele formulări pot necesita adăugarea de emulgatori sau stabilizatori. În acest caz, insertul ajută la amestecarea uniformă a emulgatorului. Modele personalizate pentru injectarea a mai mult de o fază prin canule sunt disponibile la cerere.

Extracția lichid-lichid

Acest insert intensifică procesele de extracție lichid-lichid prin formarea unei emulsii turbulente fine, de ex. a unei faze de solvent într-o fază uleioasă. Din nou, aceasta mărește suprafața de contact dintre faze și conduce la o extracție mai bună și la un consum redus de solvent.

Combustibili apoși pentru o ardere mai curată

Uleiurile combustibile de calitate inferioară, cum ar fi uleiul combustibil greu utilizat pe nave maritime sau pentru producerea de energie, pot fi emulsionate cu apă. Aceasta are ca rezultat o ardere mai eficientă și o reducere semnificativă a emisiilor de NO_x și a funinginii.
Citiți mai multe despre emulsionarea cu ultrasunete a combustibililor apoși (combustibili-emulsie)!

Precipitare / sono-cristalizare

Pigmenții sau nanoparticulele pot fi generate de jos în sus (bottom-up) prin precipitare în lichide. În acest caz, un amestec suprasaturat începe să formeze particule solide sau cristale din materialul foarte concentrat. Aceste particule vor crește până la un anumit punct și, în final, vor precipita. Pentru a controla dimensiunea și morfologia particulelor/cristalelor, controlul amestecării precursorilor/reactanților este esențial.
În general, procesul de precipitare implică: amestecare, suprasaturare, nucleație, creșterea particulelor și aglomerare. Aceasta din urmă este evitată printr-o concentrație scăzută de solide sau prin agenți de stabilizare. Amestecarea este critică, deoarece pentru majoritatea proceselor de precipitare viteza reacției este foarte mare. InsertMPC48 combină jeturi injectate rapide și înguste cu o puternică forfecare cavitațională ultrasonică. Aceasta maximizează viteza și performanța amestecării, generând mai multe particule și mai mici.

De la testarea în laborator la scară pilot și producție

Hielscher Ultrasonics oferă echipamente pentru testarea, verificarea și utilizarea acestei tehnologii la orice scară. Conceptul este ușor de integrat în procesele existente.

1. Alimentați faza A în portul de intrare a lichidului din partea inferioară a celulei de flux
2. Alimentați faza B în portul (porturile) mai mic(i) de intrare a lichidului din lateralul celulei de flux. Acest flux de alimentare va fi injectat în zona de cavitație prin 48 de tuburi fine
3. Reglați presiunea din reactor folosind o supapă de contrapresiune la portul de ieșire al celulei de flux

La nivel de banc de laborator, sonicatorul de 1kW UIP1000hdT poate procesa debite de la 100 la 1000L/hr (de la 25 la 250 gal/hr) pentru demonstrarea procesului și pentru optimizarea parametrilor de sonicare. Procesoarele cu ultrasunete Hielscher sunt concepute pentru scalarea liniară la volume de procesare mai mari, la scară pilot sau de producție. Tabelul de mai jos prezintă volumele de procesare și dimensiunile recomandate ale echipamentelor.