MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 สำหรับเซลล์การไหลอัลตราโซนิก

ชิ้นส่วนแทรก MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) ออกแบบมาเพื่อปรับปรุงการประมวลผลส่วนผสมของเหลว/ของเหลวหรือของเหลว/ก๊าซด้วยอัลตราโซนิก แคนนูลาขนาดเล็กมาก 48 ชิ้นฉีดของเหลวหรือก๊าซเข้าสู่เฟสของเหลวโดยตรงในบริเวณที่เกิดคาวิเทชัน ทำให้เกิดหยดของเหลวแขวนลอยหรือฟองก๊าซขนาดเล็กมาก ซึ่งให้พื้นที่ผิวจำเพาะสูงมาก

ชิ้นส่วนแทรกนี้มีประโยชน์เป็นพิเศษสำหรับเคมีอิมัลชัน เช่น ปฏิกิริยาถ่ายโอนเฟส, การเร่งปฏิกิริยาแบบถ่ายโอนเฟส (PTC) หรือการสกัดของเหลว–ของเหลว การใช้งานอีกด้านหนึ่งที่น่าสนใจคือการตกตะกอนอนุภาคจากสารตั้งต้นของเหลวสองชนิด หรือการตกผลึกด้วยอัลตราโซนิก ชิ้นส่วนแทรกนี้ออกแบบมาสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลของ Hielscher และรองรับการประมวลผลแบบแบตช์หรือแบบต่อเนื่อง

ช่องฉีดหนึ่งช่องและ 48 ช่อง

การใช้อัลตราโซนิกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสำหรับการทำอิมัลชันและการผสม ต่างจากการจัดระบบแบบทั่วไปที่รวมเฟสต่าง ๆ เข้าด้วยกันก่อนเข้าสู่เซลล์การไหลและบริเวณที่เกิดคาวิเทชัน ชิ้นส่วนแทรกสำหรับเซลล์การไหลนี้ช่วยปรับปรุงการรวมตัวของทั้งสองเฟส เมื่อฉีดของเหลวผ่านแคนนูลาขนาดเล็ก 48 ชิ้น ของเหลวจะเข้าสู่เซลล์การไหลเป็นสายที่แคบมาก ชิ้นส่วนแทรกนี้ใช้แคนนูลาทางการแพทย์ขนาดเล็กมาก 48 ชิ้น ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในตั้งแต่ 0.3mm ถึง 1.2mm แคนนูลาเหล่านี้เปลี่ยนได้ง่ายและเป็นวัสดุสิ้นเปลืองราคาต่ำ (ปลอดเชื้อ ประมาณ 2ct/pc) คาวิเทชันจากอัลตราโซนิก (ที่ 20kHz) จะแบ่งสายของเหลวขาเข้าทั้ง 48 สายให้เป็นหยดเล็ก ๆ เมื่อเข้าสู่เฟสของเหลวในเซลล์การไหล
การออกแบบนี้ใช้ความดันป้อนเท่ากันจากแหล่งจ่ายเดียวไปยังแคนนูลาทั้ง 48 ชิ้น เพื่อให้การไหลผ่านแคนนูลาแต่ละชิ้นเท่ากัน

ช่องป้อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก 48 ช่องสำหรับปฏิกิริยาของเหลว–ของเหลว

การใช้งานและการประยุกต์ใช้

เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher มักใช้ในการทำอิมัลชัน เพื่อปรับปรุงจลนพลศาสตร์ของกระบวนการถ่ายโอนเฟสหรือเพิ่มอัตราการละลายในระบบเฟสของเหลว–ของเหลว ตัวอย่างกระบวนการเหล่านี้ ได้แก่ การกำจัดกำมะถันด้วยปฏิกิริยาออกซิเดชันโดยใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และการสกัดด้วยตัวทำละลายในขั้นต่อมา หรือปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของไตรกลีเซอไรด์ที่เร่งด้วยเบส
ความสามารถในการละลายที่จำกัดของเฟสสารทำปฏิกิริยาหนึ่งในอีกเฟสหนึ่งเป็นปัญหาสำคัญในกระบวนการเคมีอิมัลชัน เนื่องจากทั้งสองเฟสทำปฏิกิริยากันเฉพาะที่บริเวณระหว่างเฟสเท่านั้น หากไม่มีอัลตราโซนิก จะส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาต่ำและจลนพลศาสตร์ของการเปลี่ยนสภาพช้าในระบบสองเฟส
เมื่อใช้ชิ้นส่วนแทรกนี้กับเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก คาวิเทชันจะสร้างแรงเฉือนทางไฮดรอลิกสูงและแบ่งเฟสที่ฉีดเข้าไปให้เป็นหยดขนาดต่ำกว่าไมครอนและขนาดนาโน เนื่องจากพื้นที่ผิวจำเพาะของขอบเขตเฟสมีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี การลดเส้นผ่านศูนย์กลางของหยดอย่างมีนัยสำคัญนี้จึงช่วยปรับปรุงจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา และอาจลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้สารช่วยถ่ายโอนเฟสได้ เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตรของเฟสที่ฉีดเข้าไปอาจลดลงได้ เนื่องจากอิมัลชันที่มีหยดละเอียดกว่าต้องการปริมาตรน้อยกว่าเพื่อให้มีพื้นที่ผิวสัมผัสกับเฟสสารทำปฏิกิริยาอีกเฟสหนึ่งเท่าเดิม
การใช้ชิ้นส่วนแทรกนี้อาจลดปริมาณที่ต้องใช้ของตัวเร่งปฏิกิริยาอิมัลชันชนิดแอมฟิฟิลิกหรือ ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบถ่ายโอนเฟส (PTC) เช่น เกลือควอเทอร์นารีแอมโมเนียม ซึ่งมีความสามารถเฉพาะตัวในการละลายได้ทั้งในของเหลวที่มีน้ำเป็นตัวกลางและของเหลวอินทรีย์

การเพิ่มการถ่ายโอนมวลสำหรับปฏิกิริยาเคมี

เมื่อเฟสสารทำปฏิกิริยาสองเฟสทำปฏิกิริยากันที่ขอบเขตเฟส ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาจะสะสมที่ผิวหยดและขัดขวางไม่ให้เฟสสารทำปฏิกิริยามีปฏิสัมพันธ์กันที่ผิวระหว่างเฟส แรงเฉือนทางไฮดรอลิกที่เกิดจากคาวิเทชันของอัลตราโซนิกทำให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนและการเคลื่อนย้ายสารออกจากและเข้าสู่ผิวหยด และนำไปสู่การรวมตัวของหยดซ้ำ ๆ ตามด้วยการเกิดหยดใหม่ เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปตามเวลา การใช้อัลตราโซนิกจะทำให้การสัมผัสและปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารทำปฏิกิริยาสูงสุด
ผลนี้ใช้ในหลายกระบวนการ เช่น ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของน้ำมันพืชเพื่อผลิตไบโอดีเซล หรือการสังเคราะห์พอลิเอสเทอร์ด้วยปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันระหว่างไดเอสเทอร์กับไดออลเพื่อสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่

การทำอิมัลชัน / การเกิดอิมัลชัน

ชิ้นส่วนแทรกสำหรับเซลล์การไหลนี้ช่วยปรับปรุงการทำอิมัลชันเมื่อผสมของเหลวที่ไม่ละลายเข้ากัน ส่งผลให้หยดมีขนาดเล็กลงและมีการกระจายขนาดแคบลง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อความเสถียรของอิมัลชัน การออกแบบนี้ช่วยให้คุณฉีดของเหลวที่มีความหนืดต่ำและปานกลางเข้าไปและทำอิมัลชันได้แม้ในของเหลวที่มีความหนืดสูง เช่น น้ำมันเชื้อเพลิงหนัก (HFOs) พอลิเมอร์ หรือเจล สูตรบางชนิดอาจต้องเติมสารทำอิมัลชันหรือสารทำให้คงตัว ในกรณีนี้ ชิ้นส่วนแทรกจะช่วยผสมสารทำอิมัลชันให้สม่ำเสมอ สามารถขอการออกแบบเฉพาะสำหรับการฉีดมากกว่าหนึ่งเฟสผ่านแคนนูลาได้

การสกัดของเหลว–ของเหลว

ชิ้นส่วนแทรกนี้เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการสกัดของเหลว–ของเหลวด้วยการสร้างอิมัลชันที่มีหยดขนาดเล็กภายใต้การไหลแบบปั่นป่วน เช่น อิมัลชันของเฟสตัวทำละลายในเฟสน้ำมัน ซึ่งเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟสเช่นกัน และส่งผลให้การสกัดดีขึ้นพร้อมกับลดการใช้ตัวทำละลาย

เชื้อเพลิงผสมน้ำเพื่อการเผาไหม้ที่สะอาดยิ่งขึ้น

น้ำมันเชื้อเพลิงเกรดต่ำ เช่น น้ำมันเชื้อเพลิงหนักที่ใช้ในเรือเดินทะเลหรือในการผลิตไฟฟ้า สามารถทำเป็นอิมัลชันกับน้ำได้ ซึ่งส่งผลให้การเผาไหม้มีประสิทธิภาพมากขึ้นและลดการปล่อย NO_x และเขม่าอย่างมีนัยสำคัญ
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำอิมัลชันเชื้อเพลิงผสมน้ำ (เชื้อเพลิงอิมัลชัน) ด้วยอัลตราโซนิก!

การตกตะกอน / การตกผลึกด้วยอัลตราโซนิก

เม็ดสีหรืออนุภาคนาโนสามารถสร้างขึ้นด้วยแนวทางจากล่างขึ้นบนโดยการตกตะกอนในของเหลว ในกรณีนี้ ส่วนผสมอิ่มตัวยิ่งยวดจะเริ่มก่อตัวเป็นอนุภาคของแข็งหรือผลึกจากสารที่มีความเข้มข้นสูง อนุภาคเหล่านี้จะเติบโตจนถึงจุดหนึ่งและตกตะกอนในที่สุด การควบคุมการผสมสารตั้งต้น/สารทำปฏิกิริยาเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อควบคุมขนาดและสัณฐานวิทยาของอนุภาค/ผลึก
โดยทั่วไป กระบวนการตกตะกอนประกอบด้วย: การผสม การเกิดภาวะอิ่มตัวยิ่งยวด การเกิดนิวเคลียส การเติบโตของอนุภาค และการเกาะกลุ่ม การเกาะกลุ่มสามารถหลีกเลี่ยงได้ด้วยความเข้มข้นของของแข็งต่ำหรือการใช้สารทำให้คงตัว การผสมมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากกระบวนการตกตะกอนส่วนใหญ่มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงมาก InsertMPC48 รวมลำของเหลวที่ฉีดเข้าไปอย่างรวดเร็วและแคบเข้ากับแรงเฉือนที่รุนแรงจากคาวิเทชันของอัลตราโซนิก ซึ่งทำให้ความเร็วและประสิทธิภาพการผสมสูงสุด โดยสร้างอนุภาคที่มีจำนวนมากขึ้นและขนาดเล็กลง

จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการสู่ระดับนำร่องและการผลิต

Hielscher Ultrasonics มีอุปกรณ์สำหรับทดสอบ ตรวจสอบยืนยัน และใช้งานเทคโนโลยีนี้ในทุกระดับ แนวคิดนี้สามารถนำไปใช้ร่วมกับกระบวนการที่มีอยู่ได้ง่าย

1. ป้อนเฟส A เข้าสู่ช่องป้อนของเหลวที่ด้านล่างของเซลล์การไหล
2. ป้อนเฟส B เข้าสู่ช่องป้อนของเหลวขนาดเล็กกว่าที่ด้านข้างของเซลล์การไหล ซึ่งอาจมีหนึ่งช่องหรือหลายช่อง สารที่ป้อนนี้จะถูกฉีดเข้าสู่บริเวณที่เกิดคาวิเทชันผ่านท่อขนาดเล็ก 48 ท่อ
3. ปรับความดันในเครื่องปฏิกรณ์โดยใช้วาล์วควบคุมความดันย้อนกลับที่ช่องทางออกของเซลล์การไหล

ในระดับตั้งโต๊ะ เครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT ขนาด 1kW สามารถประมวลผลที่อัตราการไหลตั้งแต่ 100 ถึง 1000L/hr (25 ถึง 250 gal/hr) เพื่อสาธิตกระบวนการและปรับพารามิเตอร์การใช้อัลตราโซนิกให้เหมาะสมที่สุด เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของ Hielscher ออกแบบมาสำหรับการขยายขนาดแบบเชิงเส้นไปสู่ปริมาตรการประมวลผลที่มากขึ้นในระดับนำร่องหรือระดับการผลิต ตารางด้านล่างแสดงปริมาตรการประมวลผลและขนาดอุปกรณ์ที่แนะนำ