MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 za ultrazvočno pretočno celico
Vložek MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) je zasnovan za izboljšanje ultrazvočne obdelave zmesi tekočina/tekočina ali tekočina/plin. 48 zelo tankih kanil vbrizgava tekočino ali plin v tekočo fazo neposredno v območju kavitacije. Pri tem nastajajo zelo majhne suspendirane kapljice ali plinski mehurčki z zelo veliko specifično površino.
Ta vložek je posebej uporaben v emulzijski kemiji, na primer za reakcije s faznim prenosom, katalizo s faznim prenosom (PTC) ali ekstrakcijo tekočina–tekočina. Drugo zanimivo področje uporabe je obarjanje delcev iz dveh tekočih prekurzorjev ali sonokristalizacija. Ta vložek je zasnovan za reaktorje s pretočno celico Hielscher in omogoča šaržno ali kontinuirno obdelavo.
En priključek in 48 priključkov za vbrizgavanje
Ultrazvočna obdelava je učinkovito sredstvo za emulgiranje in mešanje. Ta vložek za pretočno celico izboljša združevanje obeh faz v primerjavi z običajno postavitvijo, pri kateri se ločeni fazi združita, preden vstopita v pretočno celico in območje kavitacije. Ko se tekočina vbrizgava skozi 48 tankih kanil, vstopa v pretočno celico v zelo ozkih curkih. Vložek uporablja 48 zelo tankih medicinskih kanil z notranjimi premeri od 0,3mm do 1,2mm. Te kanile je mogoče preprosto zamenjati in so cenovno ugoden potrošni material (sterilne, približno 2ct/kos). Ultrazvočna kavitacija (pri 20kHz) razdeli 48 vstopajočih tekočinskih curkov na majhne kapljice, ko ti vstopijo v tekočo fazo v pretočni celici.
Zasnova zagotavlja enak dovodni tlak iz enega dovoda za vseh 48 kanil, da se pretok skozi kanile izenači.
48 vstopnih priključkov v ultrazvočni reaktor za reakcije tekočina–tekočina
Vbrizgavanje v ultrazvočni multiphasecavitator
InsertMPC48 – 48 tankih kanil se konča v območju kavitacije
Ultrazvočni reaktor s pretočno celico FC100L1K-1S z vložkom InsertMPC48
Uporaba in področja uporabe
Ultrazvočni reaktorji Hielscher se pogosto uporabljajo za emulgiranje, izboljšanje kinetike procesov faznega prenosa ali hitrosti raztapljanja v faznih sistemih tekočina–tekočina. Primera takšnih procesov sta oksidativno razžveplanje z vodikovim peroksidom in naknadna ekstrakcija s topilom ali bazno katalizirana transesterifikacija trigliceridov.
Omejena topnost ene reagentne faze v drugi reagentni fazi je pomembna težava v procesni emulzijski kemiji, saj fazi med seboj reagirata le na medfazni meji. Brez ultrazvoka to povzroči nizke reakcijske hitrosti in počasno kinetiko pretvorbe v dvofaznih sistemih.
Pri uporabi vložka z ultrazvočnim reaktorjem kavitacija povzroči močan hidravlični strig in razbije vbrizgano fazo na submikronske in nanometrske kapljice. Ker specifična površina fazne meje vpliva na hitrost kemijske reakcije, to znatno zmanjšanje premera kapljic izboljša reakcijsko kinetiko in lahko zmanjša ali odpravi potrebo po sredstvih za fazni prenos. Prostorninski delež vbrizgane faze je mogoče zmanjšati, ker finejše emulzije za zagotavljanje enake stične površine z drugo reagentno fazo potrebujejo manjšo prostornino.
Uporaba tega vložka lahko zmanjša potrebno količino amfifilnih emulzijskih katalizatorjev ali katalizatorjev faznega prenosa (PTC), kot so kvartarne amonijeve soli s svojo edinstveno sposobnostjo raztapljanja tako v vodnih kot v organskih tekočinah.
Izboljšan prenos snovi pri kemijskih reakcijah
Ko reagentni fazi reagirata na fazni meji, se reakcijski produkti kopičijo na površini kapljic in preprečujejo medsebojno delovanje reagentnih faz na medfazni meji. Hidravlični strig, ki ga povzroča ultrazvočna kavitacija, povzroči turbulenten tok in prenos snovi s površin kapljic in nanje ter vodi do ponavljajoče se koalescence in naknadnega nastajanja novih kapljic. Ko reakcija sčasoma napreduje, sonikacija poveča izpostavljenost reagentov in njihovo medsebojno delovanje na največjo možno mero.
Ta učinek se uporablja v številnih procesih, kot sta transesterifikacija rastlinskih olj v biodizel ali sinteza poliestrov s transesterifikacijo diestrov z dioli, pri kateri nastajajo makromolekule.
Emulgiranje / emulgacija
Ta vložek za pretočno celico izboljša emulgiranje pri mešanju tekočin, ki se med seboj ne mešajo. To povzroči nastanek manjših kapljic in ožjo porazdelitev velikosti – ključni dejavnik za stabilnost emulzije. S to zasnovo lahko tekočine z nizko in srednjo viskoznostjo vbrizgavate in emulgirate celo v tekočinah z visoko viskoznostjo, kot so težka kurilna olja (HFOs), polimeri ali geli. Nekatere formulacije lahko zahtevajo dodajanje emulgatorjev ali stabilizatorjev. V tem primeru je koristno emulgator enakomerno vmešati. Prilagojene izvedbe za vbrizgavanje več kot ene faze skozi kanile so na voljo na zahtevo.
Ekstrakcija tekočina–tekočina
Ta vložek izboljša procese ekstrakcije tekočina–tekočina z ustvarjanjem drobnokapljične turbulentne emulzije, na primer faze topila v oljni fazi. Tudi to poveča stično površino faz ter omogoča boljšo ekstrakcijo in manjšo porabo topila.
Goriva z vodo za čistejše zgorevanje
Kurilna olja nižje kakovosti, kot je težko kurilno olje, ki se uporablja na plovilih ali za proizvodnjo električne energije, je mogoče emulgirati z vodo. To omogoča učinkovitejše zgorevanje ter znatno zmanjšanje emisij NOx in saj.
Preberite več o ultrazvočnem emulgiranju goriv z vodo (emulzijskih goriv)!
Obarjanje / sonokristalizacija
Pigmente ali nanodelce je mogoče pridobivati z obarjanjem v tekočinah po pristopu od spodaj navzgor. V tem primeru prenasičena zmes začne iz visoko koncentrirane snovi tvoriti trdne delce ali kristale. Ti delci rastejo do določene meje in se nazadnje oborijo. Za nadzor velikosti in morfologije delcev/kristalov je bistven nadzor mešanja prekurzorjev/reagentov.
Na splošno proces obarjanja vključuje: mešanje, prenasičenje, nukleacijo, rast delcev in aglomeracijo. Slednjo preprečimo z nizko koncentracijo trdne snovi ali s stabilizatorji. Mešanje je ključnega pomena, saj je pri večini procesov obarjanja reakcijska hitrost zelo visoka. InsertMPC48 združuje hitre ozke vbrizgane curke z močnim strigom zaradi ultrazvočne kavitacije. S tem poveča hitrost in učinkovitost mešanja na največjo možno mero ter ustvari več manjših delcev.
Porazdelitev velikosti delcev Fe3O4 (magnetita), nastalih pri kontinuirni ultrazvočni reakciji obarjanja (Banert et al., 2004).
Od laboratorijskega preskušanja do pilotnega merila in proizvodnje
Hielscher Ultrasonics ponuja opremo za preskušanje, preverjanje in uporabo te tehnologije v katerem koli merilu. Koncept je preprosto vključiti v obstoječe procese.
- Dovajajte fazo A v vstopni priključek za tekočino na dnu pretočne celice
- Dovajajte fazo B v manjši vstopni priključek oziroma priključke za tekočino na strani pretočne celice. Ta dovajani tok se bo skozi 48 tankih cevi vbrizgaval v območje kavitacije
- Nastavite tlak v reaktorju z ventilom za protitlak na izstopnem priključku pretočne celice
Pri delu na laboratorijski mizi lahko sonikator UIP1000hdT z močjo 1kW obdeluje pretoke od 100 do 1000L/hr (25 do 250 gal/hr) za prikaz procesa in optimizacijo parametrov sonikacije. Ultrazvočni procesorji Hielscher so zasnovani za linearni prenos na večje obdelovalne prostornine v pilotnem ali proizvodnem merilu. Spodnja tabela navaja obdelovalne prostornine in priporočene velikosti opreme.
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 0,2L | 0,25 do 2m3/hr | UIP1000hdT, UIP2000hdT |
| 0,2L | 1 do 8m3/hr | UIP4000hdT |
| n.a. | 4 do 30m3/hr | UIP16000hdT |
| n.a. | nad 30m3/hr | sklop naprav UIP10000 ali UIP16000hdT |
Pogosta vprašanja o vložku MultiPhaseCavitator – vložku Insert MPC48 za ultrazvočno pretočno celico
Kaj je vložek MultiPhaseCavitator (vložek Insert MPC48 za pretočno celico)?
Vložek MultiPhaseCavitator (InsertMPC48) je vložek za pretočno celico, zasnovan za izboljšanje ultrazvočne obdelave zmesi tekočina/tekočina ali tekočina/plin. Uporablja 48 zelo tankih kanil, ki vbrizgavajo tekočino ali plin v tekočo fazo neposredno v območju kavitacije ter ustvarjajo zelo majhne suspendirane kapljice ali plinske mehurčke z veliko specifično površino.
Kaj pomeni MPC48?
MPC je okrajšava za MultiPhaseCavitator. Število 48 označuje, da ima vložek 48 kanil kot mest za vbrizgavanje. Na zahtevo je mogoče vložek za pretočno celico opremiti z več ali manj kanilami.
Kako deluje vložek Insert MPC48 za pretočno celico?
Ko se tekočina vbrizgava skozi 48 tankih medicinskih kanil (z notranjimi premeri od 0,3 mm do 1,2 mm), vstopa v pretočno celico v zelo ozkih curkih. Ultrazvočna kavitacija pri 20 kHz razdeli te vstopajoče curke na majhne kapljice, ko vstopijo v tekočo fazo. Zasnova zagotavlja enak dovodni tlak iz enega dovoda za vseh 48 kanil, da se pretok skozi njih izenači.
Za katera področja uporabe je vložek MultiPhaseCavitator najprimernejši?
Posebej uporaben je v emulzijski kemiji, na primer za reakcije s faznim prenosom, katalizo s faznim prenosom (PTC) in ekstrakcijo tekočina–tekočina. Primeren je tudi za obarjanje delcev iz dveh tekočih prekurzorjev in za sonokristalizacijo. Vložek je zasnovan za reaktorje s pretočno celico Hielscher in omogoča šaržno ali kontinuirno obdelavo.
Kako vložek MPC48 izboljša reakcije s faznim prenosom?
Ker omejena topnost ene reagentne faze v drugi omejuje reakcijo na medfazno mejo, imajo dvofazni sistemi brez ultrazvoka pogosto nizke reakcijske hitrosti. Z vložkom kavitacija povzroči močan hidravlični strig in razbije vbrizgano fazo na submikronske in nanometrske kapljice. To znatno zmanjšanje premera kapljic izboljša reakcijsko kinetiko in lahko zmanjša ali odpravi potrebo po sredstvih za fazni prenos.
Ali lahko vložek zmanjša potrebno količino katalizatorja?
Da. Vložek lahko zmanjša potrebno količino amfifilnih emulzijskih katalizatorjev ali katalizatorjev faznega prenosa (PTC), kot so kvartarne amonijeve soli, ker finejše emulzije za zagotavljanje enake stične površine z drugo reagentno fazo potrebujejo manjšo prostornino.
Kako izboljša prenos snovi pri kemijskih reakcijah?
Reakcijski produkti se lahko kopičijo na površini kapljic in preprečujejo medsebojno delovanje reagentov na medfazni meji. Hidravlični strig zaradi ultrazvočne kavitacije ustvarja turbulenten tok in prenos snovi na površine kapljic in z njih, kar vodi do ponavljajoče se koalescence in nastajanja novih kapljic. Sčasoma sonikacija poveča izpostavljenost reagentov in njihovo medsebojno delovanje na največjo možno mero – to se uporablja v procesih, kot sta transesterifikacija rastlinskih olj v biodizel ali sinteza poliestrov.
Ali je vložek učinkovit pri ekstrakciji tekočina–tekočina?
Da. Vložek izboljša ekstrakcijo tekočina–tekočina z ustvarjanjem drobnokapljične turbulentne emulzije, na primer faze topila v oljni fazi. To poveča stično površino faz in omogoča boljšo ekstrakcijo z manjšo porabo topila.
Ali se lahko uporablja za goriva z vodo?
Da. Kurilna olja nižje kakovosti, kot je težko kurilno olje, ki se uporablja na plovilih ali za proizvodnjo električne energije, je mogoče emulgirati z vodo. To omogoča učinkovitejše zgorevanje ter znatno zmanjšanje emisij NOx in saj.
Odkrijte prednosti ultrazvočnega emulgiranja goriv z vodo!
Kako vložek pomaga pri obarjanju in sonokristalizaciji?
Pigmente ali nanodelce je mogoče pridobivati z obarjanjem v tekočinah po pristopu od spodaj navzgor. Insert MPC48 združuje hitre ozke vbrizgane curke z močnim strigom zaradi ultrazvočne kavitacije, kar poveča hitrost in učinkovitost mešanja na največjo možno mero ter ustvari več manjših delcev. Ker je hitrost številnih reakcij obarjanja zelo visoka, je nadzor mešanja prekurzorjev/reagentov bistven, vložek pa pomaga nadzorovati velikost in morfologijo delcev/kristalov.
Ali so kanile potrošni material?
Da. 48 tankih medicinskih kanil je mogoče preprosto zamenjati in so cenovno ugoden potrošni material (sterilne, približno 2 ct/kos). Te kanile so standardni potrošni material in jih je mogoče preprosto dobaviti lokalno. Prilagojene izvedbe za vbrizgavanje več kot ene faze skozi kanile so na voljo na zahtevo.
Kako postavite pretočno celico z vložkom InsertMPC48?
Koncept je preprosto vključiti v obstoječe procese: dovajajte fazo A v vstopni priključek za tekočino na dnu pretočne celice, dovajajte fazo B v manjši vstopni priključek oziroma priključke za tekočino na strani (vbrizgava se v območje kavitacije skozi 48 tankih cevi) in nastavite tlak v reaktorju z ventilom za protitlak na izstopnem priključku pretočne celice.
Katere možnosti prenosa v večje merilo in velikosti opreme so na voljo?
Hielscher ponuja opremo za preskušanje, preverjanje in uporabo te tehnologije v katerem koli merilu, z linearnim prenosom od dela na laboratorijski mizi do pilotnega merila in proizvodnje. Na primer, UIP1000hd (1 kW) lahko obdeluje 100–1.000 L/hr za prikaz procesa in optimizacijo parametrov; priporočene naprave segajo od UIP1000hd/UIP2000hd do UIP4000 in UIP16000, s sklopi naprav UIP10000 ali UIP16000 za pretoke nad 30 m³/hr.
Vložek MPC48 za ultrazvočno pretočno celico – MultiPhaseCavitator