MultiphaseCavitator – вставка Insert MPC48 для ультразвуковой проточной ячейки

Вставка MultiphaseCavitator (Insert MPC48) предназначена для улучшения ультразвуковой обработки смесей жидкость/жидкость или жидкость/газ. 48 очень тонких канюль вводят жидкость или газ в жидкую фазу непосредственно в зоне кавитации. При этом образуются очень мелкие взвешенные капли или газовые пузырьки, обеспечивающие очень высокую удельную площадь поверхности.

Эта вставка особенно полезна в химических процессах с эмульсиями, таких как реакции межфазного переноса, межфазный катализ (PTC) или жидкостно-жидкостная экстракция. Ещё одна интересная область применения – осаждение частиц из двух жидких прекурсоров или сонокристаллизация. Эта вставка предназначена для реакторов Hielscher с проточной ячейкой и позволяет проводить периодическую или непрерывную обработку.

Один и 48 портов впрыска

Обработка ультразвуком – эффективный способ эмульгирования и смешивания. В отличие от традиционной конфигурации, в которой отдельные фазы объединяются до поступления в проточную ячейку и зону кавитации, эта вставка для проточной ячейки улучшает объединение двух фаз. При впрыске жидкости через 48 тонких канюль она поступает в проточную ячейку в виде очень тонких струй. Во вставке используются 48 очень тонких медицинских канюль с внутренними диаметрами от 0,3mm до 1,2mm. Эти канюли легко заменяются и являются недорогим расходным материалом (стерильные, около 2ct/pc). Ультразвуковая кавитация (при 20kHz) разбивает 48 поступающих струй жидкости на мелкие капли при их попадании в жидкую фазу в проточной ячейке.
Конструкция обеспечивает одинаковое давление подачи от одного источника ко всем 48 канюлям для выравнивания расхода между канюлями.

48 входных портов ультразвукового реактора для реакций жидкость–жидкость

Использование и области применения

Ультразвуковые реакторы Hielscher часто используются для эмульгирования, улучшения кинетики процессов межфазного переноса или повышения скорости растворения в системах жидкость–жидкость. Примеры таких процессов – окислительная десульфуризация перекисью водорода с последующей экстракцией растворителем или переэтерификация триглицеридов, катализируемая основаниями.
Ограниченная растворимость одной реагентной фазы в другой представляет собой существенную проблему в химических процессах с эмульсиями, поскольку обе фазы реагируют друг с другом только на границе раздела фаз. Без ультразвука это приводит к низкой скорости реакции и медленной кинетике превращения в двухфазных системах.
При использовании вставки с ультразвуковым реактором кавитация создаёт интенсивный гидравлический сдвиг и разбивает вводимую фазу на субмикронные и наноразмерные капли. Поскольку удельная площадь поверхности границы раздела фаз влияет на скорость химической реакции, это значительное уменьшение диаметра капель улучшает кинетику реакции и может снизить или устранить потребность в агентах межфазного переноса. Объёмная доля вводимой фазы может быть снижена, поскольку более мелкодисперсным эмульсиям требуется меньший объём для обеспечения той же поверхности контакта с другой реагентной фазой.
Использование этой вставки может снизить необходимое количество амфифильных катализаторов для эмульсий или катализаторов межфазного переноса (PTC), таких как соли четвертичного аммония с их уникальной способностью растворяться как в водных, так и в органических жидкостях.

Улучшенный массоперенос в химических реакциях

Когда две реагентные фазы реагируют на границе раздела фаз, продукты реакции накапливаются на поверхности капель и препятствуют взаимодействию реагентных фаз на границе раздела. Гидравлический сдвиг, вызванный ультразвуковой кавитацией, приводит к турбулентному течению и переносу вещества от поверхности капель и к ней, а также к многократной коалесценции и последующему образованию новых капель. По мере протекания реакции обработка ультразвуком максимально увеличивает доступную для контакта поверхность реагентов и их взаимодействие.
Этот эффект используется во многих процессах, таких как переэтерификация растительных масел для получения биодизеля или синтез полиэфиров путём переэтерификации диэфиров диолами с образованием макромолекул.

Эмульгирование / эмульсификация

Эта вставка для проточной ячейки улучшает эмульгирование при смешивании несмешивающихся жидкостей. Это приводит к уменьшению размеров капель и сужению распределения по размерам – ключевому фактору стабильности эмульсии. Благодаря этой конструкции можно вводить и эмульгировать жидкости с низкой и средней вязкостью даже в высоковязких жидкостях, таких как тяжёлые топочные мазуты (HFOs), полимеры или гели. Для некоторых составов может потребоваться добавление эмульгаторов или стабилизаторов. В этом случае вставка помогает равномерно распределить эмульгатор при смешивании. По запросу доступны индивидуальные конструкции для впрыска более чем одной фазы через канюли.

Жидкостно-жидкостная экстракция

Эта вставка повышает эффективность процессов жидкостно-жидкостной экстракции, создавая мелкодисперсную турбулентную эмульсию, например фазы растворителя в масляной фазе. Это также увеличивает поверхность контакта фаз и приводит к улучшению экстракции и снижению расхода растворителя.

Водотопливные эмульсии для более чистого сгорания

Низкосортные топочные мазуты, такие как тяжёлый мазут, используемый на морских судах или для выработки электроэнергии, можно эмульгировать с водой. Это приводит к более эффективному сгоранию и значительному сокращению выбросов NO_x и сажи.
Узнайте больше об ультразвуковом эмульгировании водотопливных эмульсий (эмульсионных топлив)!

Осаждение / сонокристаллизация

Пигменты или наночастицы можно получать методом «снизу вверх» посредством осаждения в жидкостях. В этом случае в пересыщенной смеси начинается образование твёрдых частиц или кристаллов из вещества, присутствующего в высокой концентрации. Эти частицы растут до определённого момента и в итоге выпадают в осадок. Для управления размером и морфологией частиц/кристаллов необходимо контролировать смешивание прекурсоров/реагентов.
В общем случае процесс осаждения включает смешивание, пересыщение, зародышеобразование, рост частиц и агломерацию. Последней избегают за счёт низкой концентрации твёрдой фазы или использования стабилизирующих агентов. Смешивание имеет решающее значение, поскольку в большинстве процессов осаждения скорость реакции очень высока. InsertMPC48 сочетает быстрые тонкие вводимые струи с сильным сдвигом, создаваемым ультразвуковой кавитацией. Это максимально повышает скорость и эффективность смешивания, обеспечивая образование большего количества более мелких частиц.

От лабораторных испытаний к пилотному масштабу и производству

Hielscher Ultrasonics предлагает оборудование для испытания, проверки и использования этой технологии в любом масштабе. Эту концепцию легко внедрить в существующие процессы.

1. Подавайте фазу A во входной порт для жидкости в нижней части проточной ячейки
2. Подавайте фазу B в меньший входной порт или порты для жидкости сбоку проточной ячейки. Этот поток будет вводиться в зону кавитации через 48 тонких трубок
3. Регулируйте давление в реакторе с помощью клапана противодавления на выходном порте проточной ячейки

В настольной установке ультразвуковой аппарат UIP1000hdT мощностью 1kW может обрабатывать потоки с расходом от 100 до 1000L/hr (от 25 до 250 gal/hr) для демонстрации процесса и оптимизации параметров обработки ультразвуком. Ультразвуковые процессоры Hielscher рассчитаны на линейное масштабирование до более высоких объёмов обработки в пилотном или производственном масштабе. В таблице ниже приведены объёмы обработки и рекомендуемые типоразмеры оборудования.