Viacfázový kavitátor – Vložte MPC48 do ultrazvukovej prietokovej komory
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.
Táto vložka je obzvlášť užitočná pre emulznú chémiu, ako sú reakcie na prenos fázy, Fázový prenos-katalýza (PTC) alebo extrakcia kvapalina-kvapalina. Ďalšou zaujímavou oblasťou použitia je zrážanie častíc z dvoch kvapalných prekurzorov alebo sonokryštalizácia. Táto vložka je určená pre reaktory s prietokovými bunkami Hielscher a umožňuje dávkové alebo kontinuálne spracovanie.
Jeden a 48 vstrekovacích portov
Ultrazvuk je účinným prostriedkom na emulgáciu a miešanie. Na rozdiel od konvenčného nastavenia, kde sa jednotlivé fázy kombinujú pred vstupom do prietokovej bunky a kavitácie, táto vložka prietokovej bunky zlepšuje kombináciu týchto dvoch fáz. Keď sa kvapalina vstrekne cez 48 jemných kanyl, vstupuje do prietokovej bunky vo veľmi úzkych prameňoch. Vložka používa veľmi 48 jemných lekárskych kanyl s vnútorným priemerom od 0,3 mm do 1,2 mm. Tieto kanyly sa dajú ľahko vymeniť a sú lacným spotrebným materiálom (sterilné, cca 2ct/ks). Ultrazvuková kavitácia (pri 20 kHz) rozreže 48 prichádzajúcich kvapalných vlákien na malé kvapôčky, keď vstúpia do kvapalnej fázy v prietokovej bunke.
Konštrukcia aplikuje rovnaký prívodný tlak z jedného prívodu na všetkých 48 kanyl na vyrovnanie prietoku medzi kanylami.
48 vstupných otvorov do ultrazvukového reaktora pre reakcie kvapalina-kvapalina
Vstrekovanie do ultrazvukového viacfázového kavitátora
VložiťMPC48 – 48 jemných kanyl končí v kavitačnej zóne
Ultrazvukový prietokový reaktor FC100L1K-1S s vložkouMPC48
Použitie a aplikácie
Hielscherove ultrazvukové reaktory sa často používajú na emulgáciu, na zlepšenie kinetiky procesu prenosu fázy alebo rýchlosti rozpúšťania v systémoch kvapalno-kvapalnej fázy. Príkladom takýchto procesov je oxidačná odsírenie peroxidom vodíka a následná extrakcia rozpúšťadlom alebo transesterifikácia triglyceridov katalyzovaná bázami.
Obmedzená rozpustnosť jednej fázy činidla v inej fáze činidla je významným problémom v procesnej emulznej chémii, pretože obe fázy navzájom reagujú iba v medzifáze. Bez ultrazvuku to vedie k nízkym reakčným rýchlostiam a pomalej kinetike konverzie v dvojfázových systémoch.
Pomocou vložky s ultrazvukovým reaktorom vytvára kavitácia vysoký hydraulický šmyk a rozbíja vstrekovanú fázu na submikrónové a nanoveľké kvapôčky. Keďže špecifický povrch fázovej hranice má vplyv na chemickú rýchlosť reakcie, toto významné zníženie priemeru kvapôčok zlepšuje kinetiku reakcie a môže znížiť alebo eliminovať potrebu činidiel na prenos fáz. Objemové percento vstreknutej fázy sa môže znížiť, pretože jemnejšie emulzie potrebujú menší objem, aby poskytli rovnakú kontaktnú plochu s druhou fázou činidla.
Použitie tejto vložky môže znížiť požadované množstvo amphifilných emulzných katalyzátorov alebo Katalyzátory s prenosom fázy (PTC), ako sú kvartérne amónne soli s ich jedinečnou schopnosťou rozpúšťať sa vo vodných aj organických kvapalinách.
Vylepšený prenos hmoty pre chemické reakcie
Keď dve fázy činidla reagujú na fázovej hranici, reakčné produkty sa hromadia na povrchu kvapôčky a blokujú interakciu fáz činidla na rozhraní. Hydraulický šmyk spôsobený ultrazvukovou kavitáciou má za následok turbulentné prúdenie a transport materiálu z a na povrchy kvapiek a vedie k opakovanej koalescencii a následnej tvorbe nových kvapiek. Ako reakcia postupuje v priebehu času, sonikacia maximalizuje expozíciu a interakciu činidiel.
Tento účinok sa využíva v mnohých procesoch, ako je transesterifikácia rastlinných olejov na bionaftu alebo syntéza polyesterov transesterifikáciou diesterov s diolmi za vzniku makromolekúl.
Emulgácia / emulgácia
Táto vložka prietokovej bunky zlepšuje emulgáciu pri miešaní nemiešateľných kvapalín. To vedie k menším veľkostiam kvapiek a užšej distribúcii veľkosti – Kľúčový faktor pre stabilitu emulzie. S týmto dizajnom môžete vstrekovať a emulgovať kvapaliny s nízkou a strednou viskozitou aj do kvapalín s vysokou viskozitou, ako sú ťažké vykurovacie oleje (HFO), polyméry alebo gély. Niektoré formulácie môžu vyžadovať pridanie emulgátorov alebo stabilizátorov. V tomto prípade pomáha rovnomerne premiešať emulgátor. Na požiadanie sú k dispozícii prispôsobené konštrukcie pre vstrekovanie viac ako jednej fázy prostredníctvom kanyly.
Extrakcia kvapalina-kvapalina
Táto vložka podporuje procesy extrakcie kvapalina-kvapalina vytvorením jemnej turbulentnej emulzie, napr. rozpúšťadlovej fázy v olejovej fáze. Opäť to zvyšuje kontaktnú plochu fázy a vedie k lepšej extrakcii a zníženiu spotreby rozpúšťadiel.
Aqua-palivá pre čistejšie spaľovanie
Vykurovacie oleje nízkej kvality, ako je ťažký vykurovací olej používaný na námorných plavidlách alebo na výrobu energie, môžu byť emulgované vodou. Výsledkom je efektívnejšie spaľovanie a výrazné zníženie NOx emisie a sadze.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej emulgácii vodných palív (emulzných palív)!
Zrážanie / sonokryštalizácia
Pigmenty alebo nanočastice môžu vznikať zdola nahor zrážaním v kvapalinách. V tomto prípade začne presýtená zmes vytvárať pevné častice alebo kryštály z vysoko koncentrovaného materiálu. Tieto častice dorastú do určitého bodu a nakoniec sa vyzrážajú. Na kontrolu veľkosti a morfológie častíc/kryštálov je nevyhnutná kontrola miešania prekurzora a činidla.
Vo všeobecnosti proces zrážania zahŕňa: miešanie, presýtenie, nukleáciu, rast častíc a aglomeráciu. Tomu sa zabráni nízkou koncentráciou pevných látok alebo stabilizačnými prostriedkami. Miešanie je kritické; Rovnako ako pri väčšine zrážacích procesov je rýchlosť reakcie veľmi vysoká. InsertMPC48 kombinuje rýchle úzke vstrekované trysky so silným ultrazvukovým kavitačným strihom. To maximalizuje rýchlosť miešania a výkon a vytvára viac a menšie častice.
Distribúcia veľkosti častíc Fe3O4 (magnetit) generovaná pri kontinuálnej ultrazvukovej zrážacej reakcii (Banert et al., 2004).
Od laboratórneho testovania až po pilotné meranie a výrobu
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka zariadenia na testovanie, overovanie a využívanie tejto technológie v akomkoľvek rozsahu. Koncept sa dá ľahko začleniť do existujúcich procesov.
- Priveďte fázu A do vstupného otvoru kvapaliny v spodnej časti prietokovej bunky
- Fázu B priveďte do menších otvorov na vstup kvapaliny na bočnej strane prietokovej komory. Tento prívod bude vstrekovaný do kavitačnej oblasti cez 48 jemných rúrok
- Nastavte tlak v reaktore pomocou protitlakového ventilu na výstupnom porte prietokovej bunky
Na laboratórnej úrovni je ultrazvukový prístroj UIP1000hdT s výkonom 1 kW dokážu spracovávať prietoky v rozmedzí od 100 do 1000 l/h (25 až 250 gal/h) na účely demonštrácie procesu a optimalizácie parametrov sonikácie. Ultrazvukové procesory spoločnosti Hielscher sú navrhnuté tak, aby umožňovali lineárne zvyšovanie objemu spracovania na väčšie objemy v pilotnom alebo výrobnom meradle. V tabuľke nižšie sú uvedené spracovateľské objemy a odporúčané veľkosti zariadení.
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 0.2L | 025 až 2 m3/Hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0.2L | 1 až 8 m3/Hr | UIP4000hdT |
| N.A. | 4 až 30 m3/Hr | UIP16000hdT |
| N.A. | nad 30 m3/Hr | Zhluk UIP10000 alebo UIP16000hdT |
Najčastejšie otázky týkajúce sa zariadenia MultiPhaseCavitator – Ultrazvuková prietoková bunka MPC48
Čo je vložka MultiPhaseCavitator (vložka do prietokovej komory MPC48)?
Vložka MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) je vložka do prietokovej komory určená na zlepšenie ultrazvukového spracovania zmesí typu kvapalina/kvapalina alebo kvapalina/plyn. Využívajú sa v ňom 48 veľmi jemných kanyl, ktoré vstrekovajú kvapalinu alebo plyn do kvapalnej fázy priamo v kavitačnej zóne, čím vytvárajú veľmi malé suspendované kvapôčky alebo plynové bubliny s vysokou špecifickou povrchovou plochou.
Čo znamená skratka MPC48?
MPC je skratka pre MultiPhaseCavitator. Číslo 48 označuje, že vložka má 48 kanyúl slúžiacich ako miesta vstrekovania. Na požiadanie môže byť vložka prietokovej komory vybavená väčším alebo menším počtom kanyúl.
Ako funguje vložka do prietokovej komory MPC48?
Keď sa kvapalina vstrekuje cez 48 jemných lekárskych kanyúl (s vnútorným priemerom od 0,3 mm do 1,2 mm), vstupuje do prietokovej komory vo forme veľmi úzkych prúdov. Ultrazvuková kavitácia pri frekvencii 20 kHz rozsekáva tieto prichádzajúce prúdy na malé kvapôčky v okamihu, keď prejdú do kvapalnej fázy. Konštrukcia zabezpečuje rovnaký tlak prívodu z jedného zdroja do všetkých 48 kanyúl, čím sa vyrovnáva prietok medzi nimi.
Na aké aplikácie je vložka MultiPhaseCavitator najvhodnejšia?
Je obzvlášť užitočná v oblasti chemie emulzií, ako sú reakcie s fázovým prenosom, katalýza s fázovým prenosom (PTC) a extrakcia kvapalina-kvapalina. Je tiež vhodná na zrážanie častíc z dvoch kvapalných prekurzorov a na sonokryštalizáciu. Vložka je navrhnutá pre prietokové komorové reaktory spoločnosti Hielscher a umožňuje dávkové alebo kontinuálne spracovanie.
Ako vložka MPC48 zlepšuje reakcie fázového prenosu?
Keďže obmedzená rozpustnosť jednej fázy reagentu v druhej obmedzuje reakciu na medzifázový priestor, dvojfázové systémy majú bez použitia ultrazvuku často nízku rýchlosť reakcie. Vďaka vložke kavitácia vytvára vysoké hydraulické šmykové napätie a rozbíja vstreknutú fázu na kvapôčky s veľkosťou v submikrónovom a nanometrovom rozsahu. Toto výrazné zmenšenie priemeru kvapôčok zlepšuje reakčnú kinetiku a môže znížiť alebo úplne eliminovať potrebu použitia činidiel na prenos fáz.
Môže táto vložka znížiť množstvo potrebného katalyzátora?
Áno. Táto vložka môže znížiť potrebné množstvo amfifilných emulzných katalyzátorov alebo katalyzátorov fázového prenosu (PTC), ako sú kvartérne amóniové soli, pretože jemnejšie emulzie potrebujú menší objem na dosiahnutie rovnakej kontaktnej plochy s druhou fázou reagentu.
Ako to zlepšuje prenos hmoty pri chemických reakciách?
Produkty reakcie sa môžu hromadiť na povrchu kvapiek a brániť interakcii reagentov na rozhraní. Hydraulické šmykové napätie spôsobené ultrazvukovou kavitáciou vytvára turbulentné prúdenie a transport látky k povrchom kvapiek a späť, čo vedie k opakovanému zlučovaniu a tvorbe nových kvapiek. V priebehu času ultrazvuková ožarovanie maximalizuje vystavenie a interakciu reagentov – používa sa v procesoch, ako je transesterifikácia rastlinných olejov na bionaftu alebo syntéza polyesterov.
Je táto vložka účinná pri extrakcii typu kvapalina-kvapalina?
Áno. Vložka zefektívňuje extrakciu typu kvapalina–kvapalina tým, že vytvára turbulentnú emulziu s jemnou štruktúrou, napríklad fázu rozpúšťadla vo fáze oleja. Tým sa zväčšuje kontaktná plocha medzi fázami, čo vedie k lepšej extrakcii pri nižšej spotrebe rozpúšťadla.
Dá sa použiť na výrobu vodných palív?
Áno. Nízko kvalitatívne vykurovacie oleje, ako napríklad ťažký vykurovací olej používaný na námorných plavidlách alebo na výrobu elektrickej energie, je možné emulgovať s vodou. To vedie k efektívnejšiemu spaľovaniu a k výraznému zníženiu emisií NOx a sadzí.
Objavte výhody ultrazvukovej emulgácie vodných palív!
Ako táto vložka pomáha pri zrážaní a sonokryštalizácii?
Pigmenty alebo nanočastice je možné vytvárať zdola nahor zrážaním v kvapalinách. Vložka MPC48 kombinuje rýchle úzke vstrekované prúdy so silným ultrazvukovým kavitačným šmykom, čo maximalizuje rýchlosť a výkonnosť miešania a vytvára viac a menších častíc. Keďže rýchlosť mnohých zrážacích reakcií je veľmi vysoká, je nevyhnutné riadiť miešanie prekurzorov/reagentov, pričom vložka pomáha regulovať veľkosť a morfológiu častíc/kryštálov.
Sú kanyly spotrebným materiálom?
Áno. 48 jemných lekárskych kanyúl sa dá ľahko vymeniť a ide o lacný spotrebný materiál (sterilné, cca 2 ct/ks). Tieto kanyuly sú štandardným spotrebným materiálom a dajú sa ľahko zohnať na miestnom trhu. Na požiadanie sú k dispozícii aj špeciálne vyhotovenia určené na vstrekovanie viac ako jednej fázy cez kanyuly.
Ako sa nastavuje prietoková bunka s InsertMPC48? Tento koncept sa dá ľahko začleniť do existujúcich procesov: fázu A vpustite do vstupného otvoru pre kvapalinu v spodnej časti prietokovej komory, fázu B vpustite do menších bočných vstupných otvorov pre kvapalinu (vstrekovaných do kavitačnej zóny cez 48 tenkých trubíc) a tlak v reaktore nastavte pomocou protitlakového ventilu na výstupnom otvore prietokovej komory.
Aké možnosti rozšírenia a veľkosti zariadení sú k dispozícii?
Spoločnosť Hielscher ponúka zariadenia na testovanie, overovanie a využívanie tejto technológie v akomkoľvek meradle, s lineárnym rozšírením od laboratórnych zariadení cez pilotné až po výrobné zariadenia. Napríklad zariadenie UIP1000hd (1 kW) dokáže spracovať 100–1 000 l/h na účely demonštrácie a optimalizácie parametrov; odporúčané zariadenia siahajú od modelov UIP1000hd/UIP2000hd až po modely UIP4000 a UIP16000, pričom pre prietoky nad 30 m³/hod. sa odporúčajú zoskupenia zariadení UIP10000 alebo UIP16000.
Ultrazvuková prietoková bunka MPC48 – Viacfázový kavitátor