MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 pre ultrazvukovú prietokovú celu

Vložka MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) je navrhnutá na zlepšenie ultrazvukového spracovania zmesí kvapalina/kvapalina alebo kvapalina/plyn. 48 veľmi jemných kanýl vstrekuje kvapalinu alebo plyn do kvapalnej fázy priamo v kavitačnej zóne. Tým vznikajú veľmi malé suspendované kvapôčky alebo plynové bubliny s veľmi veľkým merným povrchom.

Táto vložka je obzvlášť užitočná v emulznej chémii, napríklad pri reakciách s fázovým prenosom, katalýze s fázovým prenosom (PTC) alebo extrakcii kvapalina–kvapalina. Ďalšou zaujímavou oblasťou použitia je zrážanie častíc z dvoch kvapalných prekurzorov alebo sonokryštalizácia. Táto vložka je navrhnutá pre prietokové reaktory Hielscher a umožňuje vsádzkové alebo kontinuálne spracovanie.

Jeden a 48 vstrekovacích otvorov

Ultrazvukové pôsobenie je účinným prostriedkom na emulgáciu a miešanie. Na rozdiel od bežného usporiadania, v ktorom sa oddelené fázy spájajú pred vstupom do prietokovej cely a kavitačnej zóny, táto vložka do prietokovej cely zlepšuje spojenie oboch fáz. Keď sa kvapalina vstrekuje cez 48 jemných kanýl, vstupuje do prietokovej cely vo veľmi úzkych prúdoch. Vložka využíva 48 veľmi jemných zdravotníckych kanýl s vnútornými priemermi od 0,3mm do 1,2mm. Tieto kanyly sa dajú ľahko vymeniť a predstavujú lacný spotrebný materiál (sterilné, približne 2 centy za kus). Ultrazvuková kavitácia (pri 20kHz) rozdeľuje 48 vstupujúcich prúdov kvapaliny na malé kvapôčky pri ich vstupe do kvapalnej fázy v prietokovej cele.
Konštrukcia zabezpečuje rovnaký prívodný tlak z jedného zdroja do všetkých 48 kanýl, aby sa vyrovnal prietok medzi kanylami.

48 vstupných otvorov do ultrazvukového reaktora na reakcie kvapalina–kvapalina

Použitie a aplikácie

Ultrazvukové reaktory Hielscher sa často používajú na emulgáciu, na zlepšenie kinetiky procesov fázového prenosu alebo na zvýšenie rýchlosti rozpúšťania v systémoch s dvoma kvapalnými fázami. Príkladmi takýchto procesov sú oxidačné odsírenie peroxidom vodíka s následnou extrakciou rozpúšťadlom alebo zásadito katalyzovaná transesterifikácia triglyceridov.
Obmedzená rozpustnosť jednej fázy reaktantu v druhej fáze reaktantu predstavuje v procesnej emulznej chémii významný problém, pretože obe fázy spolu reagujú iba na medzifázovom rozhraní. Bez ultrazvuku to vedie k nízkym reakčným rýchlostiam a pomalej kinetike premeny v dvojfázových systémoch.
Pri použití vložky s ultrazvukovým reaktorom vytvára kavitácia vysoké hydraulické šmykové namáhanie a rozbíja vstrekovanú fázu na submikrónové a nanometrové kvapôčky. Keďže merný povrch fázového rozhrania ovplyvňuje rýchlosť chemickej reakcie, toto výrazné zmenšenie priemeru kvapôčok zlepšuje reakčnú kinetiku a môže znížiť alebo odstrániť potrebu činidiel na fázový prenos. Objemový podiel vstrekovanej fázy sa môže znížiť, pretože jemnejšie emulzie potrebujú menší objem na zabezpečenie rovnakej kontaktnej plochy s druhou fázou reaktantu.
Použitie tejto vložky môže znížiť potrebné množstvo amfifilných emulzných katalyzátorov alebo katalyzátorov fázového prenosu (PTC), ako sú kvartérne amóniové soli s ich jedinečnou schopnosťou rozpúšťať sa vo vodných aj organických kvapalinách.

Zlepšený prenos hmoty pri chemických reakciách

Keď dve fázy reaktantov reagujú na fázovom rozhraní, reakčné produkty sa hromadia na povrchu kvapôčok a bránia vzájomnému pôsobeniu fáz reaktantov na rozhraní. Hydraulický šmyk spôsobený ultrazvukovou kavitáciou vyvoláva turbulentné prúdenie a transport látok z povrchov kvapôčok a na ne a vedie k opakovanej koalescencii a následnej tvorbe nových kvapôčok. S postupujúcou reakciou sonikácia maximalizuje vzájomný kontakt a interakciu reaktantov.
Tento účinok sa využíva v mnohých procesoch, napríklad pri transesterifikácii rastlinných olejov na bionaftu alebo pri syntéze polyesterov transesterifikáciou diesterov s diolmi za vzniku makromolekúl.

Emulgovanie / Emulgácia

Táto vložka prietokovej cely zlepšuje emulgáciu pri miešaní nemiešateľných kvapalín. Výsledkom sú menšie kvapôčky a užšia distribúcia ich veľkosti – kľúčový faktor stability emulzie. Táto konštrukcia umožňuje vstrekovať a emulgovať kvapaliny s nízkou a strednou viskozitou aj do kvapalín s vysokou viskozitou, ako sú ťažké vykurovacie oleje (HFOs), polyméry alebo gély. Niektoré formulácie môžu vyžadovať pridanie emulgátorov alebo stabilizátorov. V takom prípade vložka pomáha rovnomerne vmiešať emulgátor. Na požiadanie sú k dispozícii prispôsobené konštrukcie na vstrekovanie viac než jednej fázy cez kanyly.

Extrakcia kvapalina–kvapalina

Táto vložka zintenzívňuje procesy extrakcie kvapalina–kvapalina vytváraním jemnej turbulentnej emulzie, napríklad fázy rozpúšťadla v olejovej fáze. Aj v tomto prípade sa zväčšuje kontaktná plocha medzi fázami, čo vedie k lepšej extrakcii a nižšej spotrebe rozpúšťadla.

Palivá s obsahom vody pre čistejšie spaľovanie

Vykurovacie oleje nízkej kvality, napríklad ťažký vykurovací olej používaný na námorných plavidlách alebo na výrobu elektrickej energie, možno emulgovať s vodou. Výsledkom je účinnejšie spaľovanie a výrazné zníženie emisií NO_x a sadzí.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej emulgácii palív s obsahom vody (emulzných palív)!

Zrážanie / Sonokryštalizácia

Pigmenty alebo nanočastice možno vytvárať prístupom zdola nahor zrážaním v kvapalinách. V tomto prípade sa v presýtenej zmesi začnú z vysoko koncentrovaného materiálu tvoriť pevné častice alebo kryštály. Tieto častice rastú do určitého bodu a napokon sa vyzrážajú. Na riadenie veľkosti a morfológie častíc/kryštálov je nevyhnutné riadiť miešanie prekurzorov/reaktantov.
Proces zrážania vo všeobecnosti zahŕňa: miešanie, presýtenie, nukleáciu, rast častíc a aglomeráciu. Aglomerácii sa predchádza nízkou koncentráciou pevných látok alebo stabilizačnými činidlami. Miešanie je rozhodujúce, pretože pri väčšine procesov zrážania je rýchlosť reakcie veľmi vysoká. InsertMPC48 kombinuje rýchle úzke vstrekované prúdy so silným šmykom vyvolaným ultrazvukovou kavitáciou. Tým sa maximalizuje rýchlosť a účinnosť miešania, pričom vzniká viac častíc s menšou veľkosťou.

Od laboratórnych skúšok po poloprevádzkové meradlo a výrobu

Hielscher Ultrasonics ponúka zariadenia na testovanie, overovanie a využívanie tejto technológie v akomkoľvek meradle. Tento koncept možno jednoducho začleniť do existujúcich procesov.

1. Privádzajte fázu A do vstupného otvoru pre kvapalinu v spodnej časti prietokovej cely
2. Privádzajte fázu B do menšieho vstupného otvoru alebo otvorov pre kvapalinu na boku prietokovej cely. Tento prívod sa bude vstrekovať do kavitačnej oblasti cez 48 jemných rúrok
3. Nastavte tlak v reaktore pomocou protitlakového ventilu na výstupnom otvore prietokovej cely

V laboratórnom stolovom usporiadaní sonikátor UIP1000hdT s výkonom 1kW dokáže spracovať prietoky od 100 do 1000L/hr (25 až 250 gal/hr) na demonštráciu procesu a optimalizáciu parametrov sonikácie. Ultrazvukové procesory Hielscher sú navrhnuté na lineárne zväčšovanie meradla na väčšie spracovávané objemy v poloprevádzkovom alebo výrobnom meradle. V nasledujúcej tabuľke sú uvedené spracovávané objemy a odporúčané veľkosti zariadení.