MultiPhaseCavitator – уметак MPC48 за ултразвучну проточну ћелију

Уметак MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) пројектован је за побољшање ултразвучне обраде смеша течност/течност или течност/гас. 48 веома танких канила убризгава течност или гас у течну фазу непосредно у зони кавитације. Тиме се стварају веома ситне суспендоване капљице или мехурићи гаса, што даје веома велику специфичну површину.

Овај уметак је посебно користан у хемији емулзија, на пример за реакције фазног преноса, катализу фазног преноса (PTC) или екстракцију течност–течност. Још једна занимљива област примене је таложење честица из два течна прекурсора или сонокристализација. Овај уметак је пројектован за Hielscher реакторе са проточном ћелијом и омогућава шаржну или континуалну обраду.

Један и 48 отвора за убризгавање

Ултразвучна обрада је ефикасно средство за емулговање и мешање. За разлику од конвенционалне поставке, у којој се одвојене фазе спајају пре уласка у проточну ћелију и зону кавитације, овај уметак за проточну ћелију побољшава спајање двеју фаза. Када се течност убризгава кроз 48 танких канила, она улази у проточну ћелију у веома уским млазевима. Уметак користи 48 веома танких медицинских канила са унутрашњим пречницима од 0,3mm до 1,2mm. Ове каниле се лако замењују и представљају јефтин потрошни материјал (стерилне, приближно 2ct/pc). Ултразвучна кавитација (при 20kHz) разбија 48 улазних млазева течности у ситне капљице када уђу у течну фазу у проточној ћелији.
Конструкција обезбеђује исти доводни притисак из једног извора за свих 48 канила како би се уједначио проток кроз каниле.

48 улазних отвора у ултразвучном реактору за реакције течност–течност

Намене и примене

Hielscher ултразвучни реактори често се користе за емулговање, побољшање кинетике процеса фазног преноса или повећање брзине растварања у системима са две течне фазе. Примери таквих процеса су оксидативно одсумпоравање водоник-пероксидом и накнадна екстракција растварачем или базно катализована трансестерификација триглицерида.
Ограничена растворљивост једне реагенсне фазе у другој представља значајан проблем у процесној хемији емулзија, јер две фазе међусобно реагују само на међуфазној граници. Без ултразвука, то доводи до малих брзина реакције и споре кинетике конверзије у двофазним системима.
Када се уметак користи са ултразвучним реактором, кавитација ствара снажно хидрауличко смицање и разбија убризгану фазу у капљице субмикронских и нанометарских димензија. Пошто специфична површина међуфазне границе утиче на брзину хемијске реакције, ово значајно смањење пречника капљица побољшава кинетику реакције и може смањити или елиминисати потребу за агенсима за фазни пренос. Запремински проценат убризгане фазе може се смањити, јер је финијим емулзијама потребна мања запремина да би обезбедиле исту површину контакта са другом реагенсном фазом.
Употреба овог уметка може смањити потребну количину амфифилних катализатора за емулзије или катализатора фазног преноса (PTC), као што су кватернарне амонијумове соли са својом јединственом способношћу растварања и у воденим и у органским течностима.

Побољшан пренос масе у хемијским реакцијама

Када две реагенсне фазе реагују на граници фаза, производи реакције се накупљају на површини капљица и спречавају међусобно деловање реагенсних фаза на међуфазној површини. Хидродинамичко смицање изазвано ултразвучном кавитацијом доводи до турбулентног струјања и преноса материје са површина капљица и ка њима, као и до поновљене коалесценције и накнадног формирања нових капљица. Како реакција напредује током времена, соникација максимизује изложеност реагенаса и њихово међусобно деловање.
Овај ефекат се користи у многим процесима, као што су трансестерификација биљних уља у биодизел или синтеза полиестара трансестерификацијом диестара са диолима ради формирања макромолекула.

Емулговање / Емулзификација

Овај уметак за проточну ћелију побољшава емулговање при мешању течности које се међусобно не мешају. То доводи до мањих капљица и уже расподеле величина – кључног фактора за стабилност емулзије. Ова конструкција омогућава убризгавање и емулговање течности ниске и средње вискозности чак и у течностима високе вискозности, као што су тешка ложива уља (HFOs), полимери или гелови. Неке формулације могу захтевати додавање емулгатора или стабилизатора. У том случају помаже да се емулгатор равномерно измеша. Прилагођене конструкције за убризгавање више од једне фазе кроз каниле доступне су на захтев.

Екстракција течно–течно

Овај уметак побољшава процесе екстракције течно–течно стварањем турбулентне емулзије са ситним капљицама, нпр. фазе растварача у уљној фази. И овде се повећава контактна површина фаза, што доводи до боље екстракције и смањене потрошње растварача.

Горива са водом за чистије сагоревање

Ложива уља нижег квалитета, као што је тешко ложиво уље које се користи на бродовима или за производњу електричне енергије, могу се емулговати са водом. То доводи до ефикаснијег сагоревања и значајног смањења емисија NO_x и чађи.
Прочитајте више о ултразвучном емулговању горива са водом (емулзионих горива)!

Таложење / Сонокристализација

Пигменти или наночестице могу се добити приступом „одоздо нагоре“, таложењем у течностима. У том случају, у презасићеној смеши почињу да се формирају чврсте честице или кристали из висококонцентрованог материјала. Ове честице расту до одређене тачке и на крају се таложе. За контролу величине и морфологије честица/кристала неопходно је контролисати мешање прекурсора/реагенаса.
Уопштено, процес таложења обухвата: мешање, презасићење, нуклеацију, раст честица и агломерацију. Агломерација се избегава ниском концентрацијом чврсте материје или употребом стабилизатора. Мешање је пресудно, јер је код већине процеса таложења брзина реакције веома велика. InsertMPC48 комбинује брзе, уске убризгане млазеве са снажним смицањем услед ултразвучне кавитације. Тиме се максимизују брзина и учинак мешања, уз стварање већег броја ситнијих честица.

Од лабораторијских испитивања до пилотског обима и производње

Hielscher Ultrasonics нуди опрему за испитивање, проверу и примену ове технологије у било ком обиму. Концепт се лако укључује у постојеће процесе.

1. Уведите фазу A у улазни прикључак за течност на дну проточне ћелије
2. Уведите фазу B у мањи улазни прикључак или прикључке за течност на бочној страни проточне ћелије. Овај довод ће се убризгавати у кавитациону зону кроз 48 танких цевчица
3. Подесите притисак у реактору помоћу вентила за одржавање противпритиска на излазном прикључку проточне ћелије

У лабораторијској стоној поставци, соникатор UIP1000hdT снаге 1kW може да обрађује течности при протоцима од 100 до 1000L/hr (25 до 250 gal/hr) ради демонстрације процеса и оптимизације параметара соникације. Ултразвучни процесори Hielscher пројектовани су за линеарно повећање обима обраде до већих запремина у пилотском или производном обиму. У табели испод наведене су запремине обраде и препоручене величине опреме.