MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 för ultraljudsflödescell

MultiPhaseCavitator-insatsen (Insert MPC48) är utformad för att förbättra ultraljudsbehandlingen av vätska/vätska- eller vätska/gas-blandningar. 48 mycket fina kanyler injicerar vätska eller gas i en vätskefas direkt i kavitationszonen. Detta skapar mycket små suspenderade droppar eller gasbubblor som ger en mycket hög specifik ytarea.

Denna insats är särskilt användbar inom emulsionskemi, exempelvis för fasöverföringsreaktioner, fasöverföringskatalys (PTC) eller vätske-vätskeextraktion. Ett annat intressant användningsområde är utfällning av partiklar från två flytande prekursorer eller sonokristallisation. Denna insats är utformad för Hielschers flödescellsreaktorer och möjliggör satsvis eller kontinuerlig behandling.

En och 48 injektionsportar

Ultraljudsbehandling är en effektiv metod för emulgering och blandning. Till skillnad från den konventionella uppställningen, där separata faser kombineras innan de kommer in i flödescellen och kavitationen, förbättrar denna flödescellsinsats sammanföringen av de två faserna. När en vätska injiceras genom de 48 fina kanylerna kommer den in i flödescellen i mycket smala strålar. Insatsen använder 48 mycket fina medicinska kanyler med innerdiametrar från 0,3mm till 1,2mm. Dessa kanyler kan enkelt bytas ut och är en billig förbrukningsvara (sterila, cirka 2ct/pc). Ultraljudskavitationen (vid 20kHz) delar upp de 48 inkommande vätskestrålarna i små droppar när de kommer in i vätskefasen i flödescellen.
Konstruktionen ger alla 48 kanyler samma matningstryck från en enda tillförsel för att jämna ut flödet mellan kanylerna.

48 inloppsportar till ultraljudsreaktor för vätske-vätskereaktioner

Användningsområden och tillämpningar

Hielschers ultraljudsreaktorer används ofta för att emulgera, förbättra kinetiken i fasöverföringsprocesser eller öka upplösningshastigheten i vätske-vätskefassystem. Exempel på sådana processer är oxidativ avsvavling med väteperoxid och efterföljande lösningsmedelsextraktion eller baskatalyserad omförestring av triglycerider.
Begränsad löslighet hos en reagensfas i en annan reagensfas är ett betydande problem inom processemulsionskemin, eftersom de båda faserna endast reagerar med varandra vid fasgränsytan. Utan ultraljud leder detta till låga reaktionshastigheter och långsam omvandlingskinetik i tvåfassystem.
När insatsen används med en ultraljudsreaktor ger kavitationen hög hydraulisk skjuvning och bryter upp den injicerade fasen i droppar i submikrometer- och nanostorlek. Eftersom fasgränsytans specifika ytarea påverkar den kemiska reaktionshastigheten förbättrar denna betydande minskning av droppdiametern reaktionskinetiken och kan minska eller eliminera behovet av fasöverföringsmedel. Den injicerade fasens volymandel kan minskas, eftersom finare emulsioner behöver en mindre volym för att ge samma kontaktyta mot den andra reagensfasen.
Användningen av denna insats kan minska den erforderliga mängden amfifila emulsionskatalysatorer eller fasöverföringskatalysatorer (PTC), såsom kvartära ammoniumsalter med deras unika förmåga att lösa sig i både vattenbaserade och organiska vätskor.

Förbättrad massöverföring för kemiska reaktioner

När två reagensfaser reagerar vid en fasgräns ansamlas reaktionsprodukterna på droppytan och hindrar reagensfaserna från att samverka vid gränsytan. Den hydrauliska skjuvning som orsakas av ultraljudskavitationen ger upphov till turbulent flöde och materialtransport från och till droppytorna och leder till upprepad koalescens och efterföljande bildning av nya droppar. Allteftersom reaktionen fortskrider maximerar ultraljudsbehandlingen reagensernas exponering och samverkan.
Denna effekt används i många processer, såsom omförestring av vegetabiliska oljor till biodiesel eller syntes av polyestrar genom omförestring av diestrar med dioler för att bilda makromolekyler.

Emulgering / emulsifiering

Denna flödescellsinsats förbättrar emulgeringen vid blandning av oblandbara vätskor. Detta leder till mindre droppstorlekar och en snävare storleksfördelning – en nyckelfaktor för en emulsions stabilitet. Med denna konstruktion kan du injicera och emulgera vätskor med låg och medelhög viskositet även i vätskor med hög viskositet, såsom tunga eldningsoljor (HFO), polymerer eller geler. Vissa formuleringar kan kräva tillsats av emulgeringsmedel eller stabilisatorer. I sådana fall bidrar insatsen till att blanda in emulgeringsmedlet jämnt. Anpassade konstruktioner för injektion av mer än en fas genom kanylerna finns tillgängliga på begäran.

Vätske–vätskeextraktion

Denna insats förbättrar processer för vätske–vätskeextraktion genom att skapa en findroppig turbulent emulsion, till exempel av en lösningsmedelsfas i en oljefas. Även här ökar detta kontaktytan mellan faserna och ger bättre extraktion och minskad lösningsmedelsförbrukning.

Vattenemulgerade bränslen för renare förbränning

Lågkvalitativa eldningsoljor, såsom tung eldningsolja som används på fartyg eller för elproduktion, kan emulgeras med vatten. Detta ger effektivare förbränning och en betydande minskning av utsläppen av NO_x och av sot.
Läs mer om ultraljudsemulgering av vattenemulgerade bränslen (emulsionsbränslen)!

Utfällning / sonokristallisation

Pigment eller nanopartiklar kan framställas genom uppbyggnad från mindre beståndsdelar via utfällning i vätskor. I detta fall börjar en övermättad blandning bilda fasta partiklar eller kristaller av det högkoncentrerade materialet. Dessa partiklar växer till en viss punkt och fälls slutligen ut. För att styra partiklarnas eller kristallernas storlek och morfologi är det avgörande att styra blandningen av prekursorerna eller reagenserna.
I allmänhet omfattar utfällningsprocessen: blandning, övermättnad, kärnbildning, partikeltillväxt och agglomerering. Det sistnämnda undviks genom en låg koncentration av fasta ämnen eller genom stabiliseringsmedel. Blandningen är avgörande, eftersom reaktionshastigheten är mycket hög i de flesta utfällningsprocesser. InsertMPC48 kombinerar snabba, smala injicerade strålar med kraftig skjuvning från ultraljudskavitation. Detta maximerar blandningshastigheten och blandningsprestandan och skapar fler och mindre partiklar.

Från laboratorietester till pilotskala och produktion

Hielscher Ultrasonics erbjuder utrustning för att testa, verifiera och använda denna teknik i alla skalor. Konceptet är lätt att integrera i befintliga processer.

1. Mata in fas A i vätskeinloppet i flödescellens botten
2. Mata in fas B i det eller de mindre vätskeinloppen på flödescellens sida. Detta tillflöde injiceras i kavitationsområdet genom 48 fina rör
3. Justera reaktortrycket med en mottrycksventil vid flödescellens utlopp

På laboratoriebänken kan ultraljudsprocessorn UIP1000hdT på 1kW bearbeta flöden från 100 till 1000L/hr (25 till 250 gal/hr) för processdemonstration och optimering av ultraljudsbehandlingens parametrar. Hielschers ultraljudsprocessorer är utformade för linjär uppskalning till större bearbetningsvolymer i pilot- eller produktionsskala. Tabellen nedan visar bearbetningsvolymer och rekommenderade utrustningsstorlekar.