Многофазный кавитатор – Установите MPC48 для ультразвуковой проточной ячейки
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.
Эта вставка особенно полезна для химии эмульсии, например, для реакций фазового переноса, Фазовый трансфер-катализ (PTC) или жидкостная экстракция. Еще одной интересной областью применения является осаждение частиц из двух жидких прекурсоров или сонокристаллизация. Эта вставка предназначена для реакторов с проточной ячейкой Хильшера и позволяет выполнять периодическую или непрерывную обработку.
Один и 48 инъекционных портов
Ультразвук является эффективным средством для эмульгирования и перемешивания. В отличие от традиционной конфигурации, в которой отдельные фазы объединяются перед подачей в проточную ячейку и кавитацию, эта вставка проточной ячейки улучшает комбинацию двух фаз. Когда жидкость вводится через 48 тонких канюль, она поступает в проточную ячейку очень узкими нитями. Во вставке используется очень 48 тонких медицинских канюль с внутренним диаметром от 0,3 мм до 1,2 мм. Эти канюли легко заменяются и являются недорогим расходным материалом (стерильные, около 2 карат/шт). Ультразвуковая кавитация (на частоте 20 кГц) разрезает 48 поступающих жидкостных нитей на мелкие капли, когда они входят в жидкую фазу в проточной ячейке.
Конструкция применяет одинаковое давление подачи от одной подачи ко всем 48 канюлям для выравнивания потока между канюлями.
48 входных отверстий в ультразвуковой реактор для жидкостно-жидкостных реакций
Впрыск в ультразвуковой мультифазный кавитатор
ВставкаMPC48 – 48 тонких канюль заканчиваются в зоне кавитации
Ультразвуковой реактор с проточной ячейкой FC100L1K-1S со вставкойMPC48
Использование и применение
Ультразвуковые реакторы Хильшера часто используются для эмульгирования, улучшения кинетики процесса фазового переноса или скорости растворения в системах жидкость-жидкость. Примерами таких процессов являются окислительная десульфуризация перекисью водорода и последующая экстракция растворителем или катализируемая основаниями переэтерификация триглицеридов.
Ограниченная растворимость одной фазы реагента в другой фазе реагента является существенной проблемой в химии эмульсии процесса, так как обе фазы реагируют друг с другом только в межфазной фазе. Без ультразвука это приводит к низкой скорости реакции и медленной кинетике преобразования в двухфазных системах.
При использовании вставки с ультразвуковым реактором кавитация создает высокий гидравлический сдвиг и разбивает впрыскиваемую фазу на субмикронные и наноразмерные капли. Поскольку удельная площадь поверхности фазовой границы влияет на скорость химической реакции, это значительное уменьшение диаметра капель улучшает кинетику реакции и может уменьшить или устранить потребность в агентах для переноса фаз. Объемный процент впрыскиваемой фазы может быть снижен, поскольку более мелкие эмульсии требуют меньшего объема для обеспечения такой же контактной поверхности с другой фазой реагента.
Использование этой вставки может снизить необходимое количество катализаторов амфифильной эмульсии или Катализаторы с фазовым переходом (PTC), такие как четвертичные аммониевые соли с их уникальной способностью растворяться как в водных, так и в органических жидкостях.
Улучшенный массоперенос для химических реакций
Когда две фазы реагента реагируют на границе фаз, продукты реакции накапливаются на поверхности капли и блокируют взаимодействие фаз реагента на границе раздела. Гидравлический сдвиг, вызванный ультразвуковой кавитацией, приводит к турбулентному потоку и переносу материала от капельных поверхностей и к ним, а также к повторному слиянию и последующему образованию новых капель. По мере того, как реакция прогрессирует с течением времени, ультразвуковая обработка максимизирует воздействие и взаимодействие реагентов.
Этот эффект используется во многих процессах, таких как переэтерификация растительных масел в биодизельное топливо или синтез сложных полиэфиров путем переэтерификации диэфиров диолами с образованием макромолекул.
Эмульгирование / Эмульгирование
Эта вставка проточной ячейки улучшает эмульгирование при смешивании несмешивающихся жидкостей. Это приводит к меньшим размерам капель и более узкому распределению по размерам – ключевой фактор для стабильности эмульсии. С помощью этой конструкции вы можете впрыскивать и эмульгировать жидкости с низкой и средней вязкостью даже в жидкости с высокой вязкостью, такие как тяжелое топливо (HFO), полимеры или гели. Для некоторых составов может потребоваться добавление эмульгаторов или стабилизаторов. В этом случае помогает равномерно перемешать эмульгатор. Индивидуальные конструкции для инъекций более чем в одну фазу с помощью канюль доступны по запросу.
жидкостно-жидкостная экстракция
Эта вставка ускоряет процессы экстракции жидкость-жидкость за счет создания турбулентной эмульсии мелкого размера, например, из фазы растворителя в масляной фазе. Опять же, это увеличивает поверхность фазового контакта и приводит к лучшей экстракции и снижению использования растворителя.
Водное топливо для более чистого сгорания
Низкосортные мазуты, такие как тяжелое топливо, используемое на морских судах или для производства электроэнергии, могут быть эмульгированы водой. Это приводит к более эффективному сгоранию и значительному снижению уровня оксида азотаx выбросы и сажа.
Узнайте больше об ультразвуковом эмульгировании акватоплива (эмульсионного топлива)!
Осаждение / Сонокристаллизация
Пигменты или наночастицы могут образовываться снизу вверх в результате осаждения в жидкостях. В этом случае пересыщенная смесь начинает образовывать твердые частицы или кристаллы из высококонцентрированного материала. Эти частицы будут расти до определенного момента и, в конечном итоге, выпадать в осадок. Для контроля размера и морфологии частиц/кристаллов необходимо контролировать смешивание прекурсора/реагента.
В целом, процесс осаждения включает в себя: перемешивание, пересыщение, зарождение, рост частиц и агломерацию. Последнего можно избежать за счет низкой концентрации твердых частиц или стабилизирующих агентов. Смешивание имеет решающее значение; Как и для большинства процессов осаждения, скорость реакции очень высока. InsertMPC48 сочетает в себе быстрые узкие впрыскиваемые струи с сильным ультразвуковым кавитационным сдвигом. Это максимизирует скорость и производительность смешивания, создавая больше и меньше частиц.
Распределение частиц Fe3O4 (магнетита) по размерам, образующихся в результате непрерывной реакции ультразвукового осаждения (Banert et al., 2004).
От лабораторных испытаний до опытного масштаба и производства
Hielscher Ultrasonics предлагает оборудование для тестирования, проверки и использования этой технологии в любом масштабе. Эту концепцию легко внедрить в существующие процессы.
- Подайте фазу A в отверстие для входа жидкости в нижней части проточной ячейки
- Подайте фазу B в небольшие отверстия для входа жидкости сбоку от проточной ячейки. Эта подача будет вводиться в кавитационную область через 48 тонких труб
- Регулировка давления в реакторе с помощью клапана обратного давления на выходном отверстии проточной камеры
На лабораторном уровне — ультразвуковой аппарат мощностью 1 кВт UIP1000hdT могут обрабатывать потоки объемом от 100 до 1000 л/ч (от 25 до 250 галлонов/ч) для демонстрации технологического процесса и оптимизации параметров ультразвуковой обработки. Ультразвуковые процессоры Hielscher рассчитаны на линейное масштабирование до больших объемов обработки в пилотных или производственных условиях. В приведенной ниже таблице указаны объемы переработки и рекомендуемые размеры оборудования.
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0.2Л | 0.25 до 2м3/час | УИП1000HDT, УИП2000HDT |
| 0.2Л | от 1 до 8 м3/час | УИП4000HDT |
| н.а. | от 4 до 30 м3/час | УИП16000HDT |
| н.а. | выше 30 м3/час | Кластер UIP10000 или УИП16000HDT |
Часто задаваемые вопросы о MultiPhaseCavitator – Ультразвуковая проточная ячейка MPC48
Что такое вставка MultiPhaseCavitator (вставка для проточной ячейки MPC48)?
Вставка MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) представляет собой вставку для проточной ячейки, предназначенную для улучшения ультразвуковой обработки смесей «жидкость-жидкость» или «жидкость-газ». В ней используются 48 очень тонких канюль, которые впрыскивают жидкость или газ в жидкую фазу непосредственно в зоне кавитации, создавая очень мелкие взвешенные капли или газовые пузырьки с большой удельной поверхностью.
Что означает MPC48?
MPC — это аббревиатура от MultiPhaseCavitator. Цифра 48 означает, что вставка имеет 48 канюль, служащих местами введения. По запросу вставка проточной ячейки может быть оснащена большим или меньшим количеством канюль.
Как работает вставка для проточной ячейки MPC48?
Когда жидкость впрыскивается через 48 тонких медицинских канюль (внутренний диаметр от 0,3 мм до 1,2 мм), она поступает в проточную ячейку очень узкими струйками. Ультразвуковая кавитация с частотой 20 кГц расщепляет эти поступающие струйки на мелкие капли по мере их перехода в жидкую фазу. Конструкция обеспечивает одинаковое давление подачи от одного источника ко всем 48 канюлям, что выравнивает расход между ними.
Для каких применений лучше всего подходит вставка MultiPhaseCavitator?
Он особенно полезен в эмульсионной химии, например, при фазопереносных реакциях, фазопереносном катализе (PTC) и жидко-жидкостной экстракции. Кроме того, он хорошо подходит для осаждения частиц из двух жидких прекурсоров и для сонокристаллизации. Вставка разработана для проточных реакторов Hielscher и позволяет осуществлять как периодическую, так и непрерывную обработку.
Как вставка MPC48 улучшает реакции фазового переноса?
Поскольку ограниченная растворимость одной фазы реагента в другой сводит реакцию к межфазовому пространству, в двухфазных системах без применения ультразвука скорость реакции часто бывает низкой. При использовании вставки кавитация создаёт высокий гидравлический сдвиг и разбивает впрыснутую фазу на капли субмикронного и наноразмерного размера. Такое значительное уменьшение диаметра капель улучшает кинетику реакции и может снизить или полностью устранить необходимость в использовании агентов фазового переноса.
Может ли вставка уменьшить количество необходимого катализатора?
Да. Использование вставки позволяет уменьшить необходимое количество амфифильных эмульсионных катализаторов или катализаторов фазового переноса (PTC), таких как соли четвертичного аммония, поскольку более мелкие эмульсии требуют меньшего объема для обеспечения той же площади контакта с другой фазой реагента.
Как это способствует усилению массообмена в химических реакциях?
Продукты реакции могут накапливаться на поверхности капель и препятствовать взаимодействию реагентов на границе раздела фаз. Гидравлический сдвиг, возникающий в результате ультразвуковой кавитации, создает турбулентное течение и обеспечивает перенос вещества к поверхностям капель и от них, что приводит к повторной коалесценции и образованию новых капель. Со временем ультразвуковая обработка обеспечивает максимальное время контакта и взаимодействия реагентов – используется в таких процессах, как переэтерификация растительных масел с получением биодизеля или синтез полиэфиров.
Эффективен ли данный вкладыш для жидко-жидкостной экстракции?
Да. Вставка способствует усилению жидко-жидкостной экстракции за счет образования турбулентной эмульсии с мелкими частицами, например, растворительной фазы в масляной фазе. Это увеличивает площадь контакта фаз и приводит к более эффективной экстракции при меньшем расходе растворителя.
Можно ли его использовать для производства водных видов топлива?
Да. Топлива низкого сорта, такие как мазут, используемый на морских судах или для выработки электроэнергии, могут вступать в эмульгирование с водой. Это приводит к более эффективному сгоранию и значительному сокращению выбросов NOx и сажи.
Откройте для себя преимущества ультразвуковой эмульгирования водотоплива!
Как вставка способствует осаждению и сонокристаллизации?
Пигменты или наночастицы могут получаться методом «снизу вверх» путем осаждения в жидкостях. Вставка MPC48 сочетает в себе быстрые узконаправленные струи с сильным ультразвуковым кавитационным сдвигом, что максимально увеличивает скорость и эффективность перемешивания, создавая большее количество частиц меньшего размера. Поскольку скорость многих реакций осаждения очень высока, контроль перемешивания прекурсоров и реагентов имеет решающее значение, и данная вставка помогает регулировать размер и морфологию частиц и кристаллов.
Являются ли канюли расходными материалами?
Да. 48 тонких медицинских канюль легко заменяются и являются недорогим расходным материалом (стерильные, стоимость около 2 ct за штуку). Эти канюли относятся к стандартным расходным материалам и их легко приобрести на местном рынке. По запросу доступны индивидуальные конструкции, позволяющие вводить через канюли более одной фазы.
Как настроить проточную ячейку с использованием InsertMPC48? Эту концепцию легко внедрить в существующие технологические процессы: подайте фазу A в нижний входной порт для жидкости в нижней части проточной ячейки, подайте фазу B в меньший по размеру входной порт (или порты) для жидкости сбоку (впрыск в кавитационную зону осуществляется через 48 тонких трубок) и отрегулируйте давление в реакторе с помощью клапана обратного давления на выходном порте проточной ячейки.
Какие варианты расширения и размеры оборудования доступны?
Компания Hielscher предлагает оборудование для тестирования, проверки и внедрения данной технологии в любом масштабе, обеспечивая линейное масштабирование от лабораторного уровня до пилотного и производственного. Например, установка UIP1000hd (1 кВт) способна обрабатывать 100–1 000 л/ч для демонстрации и оптимизации параметров; рекомендуемые устройства варьируются от моделей UIP1000hd/UIP2000hd до UIP4000 и UIP16000, а для расхода свыше 30 м³/ч используются кластеры из моделей UIP10000 или UIP16000.
Ультразвуковая проточная ячейка MPC48 – Многофазный кавитатор