MultiPhaseCavitator – Вставка MPC48 для ультразвукової проточної комірки

Вставка MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) призначена для покращення ультразвукової обробки рідина/рідина або рідина/газ сумішей. 48 дуже тонких канюль вводять рідину або газ у рідку фазу безпосередньо в зону кавітації. Це створює дуже дрібні зважені краплі або газові бульбашки, забезпечуючи дуже високу питому площу поверхні.

Ця вставка особливо корисна для хімії емульсій, наприклад, реакцій перенесення фази, Каталіз перенесення фази (PTC) або рідина-рідина екстракції. Іншою цікавою сферою застосування є осадження частинок з двох рідких прекурсорів або соно-кристалізація. Ця вставка призначена для проточних реакторів Hielscher і дозволяє проводити обробку в режимі партій або безперервно.

Один і 48 ін’єкційних портів

Ультразвукова обробка є ефективним засобом для емульгування та змішування. На відміну від традиційної конфігурації, де окремі фази поєднуються перед тим, як вони потрапляють у проточну комірку та зону кавітації, ця вставка для проточної комірки покращує поєднання двох фаз. Коли рідина вводиться через 48 тонких канюль, вона потрапляє в проточну комірку у вигляді дуже вузьких струменів. Вставка використовує 48 дуже тонких медичних канюль з внутрішніми діаметрами від 0,3mm до 1,2mm. Ці канюлі легко замінюються і є дешевим витратним матеріалом (стерильні, приблизно 2ct/pc). Ультразвукова кавітація (при 20kHz) розрізає 48 вхідних рідинних струменів на дрібні краплі, коли вони потрапляють у рідку фазу в проточній комірці.
Конструкція застосовує однаковий тиск подачі від одного джерела до всіх 48 канюль для вирівнювання потоку між канюлями.

48 вхідних портів в ультразвуковий реактор для рідина-рідина реакцій

Використання та застосування

Ультразвукові реактори Hielscher часто використовуються для емульгування, покращення кінетики процесів перенесення фази або швидкості розчинення в системах рідина-рідина. Прикладами таких процесів є окиснювальне десульфурування з пероксидом водню та подальша екстракція розчинником або каталізована основою переетерифікація тригліцеридів.
Обмежена розчинність однієї реагентної фази в іншій реагентній фазі є суттєвою проблемою в процесі хімії емульсій, оскільки обидві фази реагують одна з одною лише на межі розділу фаз. Без ультразвукової обробки це призводить до низьких швидкостей реакції та повільної кінетики перетворення в двофазних системах.
Використання вставки з ультразвуковим реактором, кавітація створює високий гідравлічний зсув і розбиває введену фазу на субмікронні та нанорозмірні краплі. Оскільки питома площа поверхні межі фаз впливає на хімічну швидкість реакції, це суттєве зменшення діаметра крапель покращує кінетику реакції та може зменшити або усунути потребу в агентах перенесення фази. Об’ємний відсоток введеної фази може бути знижений, оскільки більш дрібні емульсії потребують меншого об’єму для забезпечення тієї ж контактної поверхні з іншою реагентною фазою.
Використання цієї вставки може знизити необхідну кількість амфіфільних каталізаторів емульсії або каталізаторів перенесення фази (PTC), таких як четвертинні амонієві солі, з їхньою унікальною здатністю розчинятися як у водних, так і в органічних рідинах.

Посилене масоперенесення для хімічних реакцій

Коли дві реактивні фази реагують на межі фаз, продукти реакції накопичуються на поверхні крапель і блокують взаємодію реактивних фаз на інтерфейсі. Гідравлічний зсув, спричинений ультразвуковою кавітацією, призводить до турбулентної течії та перенесення матеріалу від поверхонь крапель і до них, що забезпечує повторне злиття та подальше утворення нових крапель. Оскільки реакція триває з часом, ультразвукова обробка максимізує експозицію та взаємодію реагентів.
Цей ефект використовується у багатьох процесах, таких як переетерифікація рослинних олій у біодизель або синтез поліефірів шляхом переетерифікації діефірів діолами для утворення макромолекул.

Емульгування / Емульгація

Ця вставка для проточної комірки покращує емульгацію при змішуванні незмішуваних рідин. Це призводить до меншого розміру крапель і вужчого розподілу за розміром – ключового фактора стабільності емульсії. Завдяки цій конструкції можна ін’єктувати та емульгувати рідини з низькою та середньою в’язкістю навіть у рідини з високою в’язкістю, такі як важкі паливні мазут (HFO), полімери або гелі. Деякі формуляції можуть вимагати додавання емульгаторів або стабілізаторів. У цьому випадку допомагає рівномірне змішування емульгатора. Індивідуальні конструкції для ін’єктування більше ніж однієї фази через канюлі доступні на запит.

Рідко-рідка екстракція

Ця вставка підвищує ефективність процесів рідко-рідкої екстракції, створюючи дрібнодисперсну турбулентну емульсію, наприклад, розчинної фази в олійній фазі. Знову ж таки, це збільшує поверхню контакту фаз і призводить до кращої екстракції та зменшення використання розчинника.

Аквапаливо для чистішого горіння

Паливні мазути низької якості, такі як важкий паливний мазут, що використовується на морських суднах або для виробництва електроенергії, можна емульгувати з водою. Це призводить до більш ефективного горіння та значного зменшення викидів NO_x і сажі.
Докладніше про ультразвукове емульгування аквапалив (емульсійних палив)!

Осадження / Сонокристалізація

Пігменти або наночастинки можна отримувати методом «знизу вгору» шляхом осадження в рідинах. У цьому випадку пересичена суміш починає утворювати тверді частинки або кристали з високосконцентрованого матеріалу. Ці частинки зростають до певної точки і нарешті осаджуються. Для контролю розміру та морфології частинок/кристалів важливо контролювати змішування прекурсора/реагенту.
Загалом процес осадження включає: змішування, пересичення, нуклеацію, ріст частинок та агломерацію. Останнє явище уникають за допомогою низької концентрації твердих речовин або стабілізуючих агентів. Змішування є критичним; оскільки для більшості процесів осадження швидкість реакції дуже висока. Вставка MPC48 поєднує швидкі вузькі ін’єкційні струмені з сильним ультразвуковим кавітаційним зсувом. Це максимізує швидкість та ефективність змішування, створюючи більше та менші частинки.

Від лабораторних випробувань до пілотного масштабу та виробництва

Hielscher Ultrasonics пропонує обладнання для тестування, верифікації та використання цієї технології на будь-якому масштабі. Концепцію легко інтегрувати в існуючі процеси.

1. Подавайте фазу A в порт входу рідини в нижній частині проточної комірки
2. Подавайте фазу B у менші порт(и) входу рідини з боку проточної комірки. Ця подача буде ін’єктуватися в зону кавітації через 48 тонких трубок
3. Налаштуйте тиск у реакторі за допомогою клапана протитиску на вихідному порту проточної комірки

На лабораторному рівні 1kW сонікатор UIP1000hdT може обробляти об’ємні витрати від 100 до 1000L/год (25 до 250 gal/год) для демонстрації процесу та оптимізації параметрів ультразвукової обробки. Ультразвукові процесори Hielscher розроблені для лінійного масштабування до більших об’ємів обробки на пілотному або виробничому рівні. У таблиці нижче наведено об’єми обробки та рекомендовані розміри обладнання.