MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 cho buồng dòng chảy siêu âm

Bộ chèn MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) được thiết kế để cải thiện quá trình xử lý bằng siêu âm đối với hỗn hợp lỏng/lỏng hoặc lỏng/khí. 48 ống thông rất mảnh phun chất lỏng hoặc khí vào một pha lỏng ngay trong vùng xâm thực. Quá trình này tạo ra các giọt lơ lửng hoặc bọt khí rất nhỏ, mang lại diện tích bề mặt riêng rất lớn.

Bộ chèn này đặc biệt hữu ích cho hóa học nhũ tương, chẳng hạn như các phản ứng chuyển pha, xúc tác chuyển pha (PTC) hoặc chiết lỏng–lỏng. Một lĩnh vực ứng dụng thú vị khác là kết tủa các hạt từ hai tiền chất lỏng hoặc kết tinh bằng siêu âm. Bộ chèn này được thiết kế cho các thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy của Hielscher và cho phép xử lý theo mẻ hoặc liên tục.

Một và 48 cổng phun

Xử lý bằng siêu âm là một phương pháp hiệu quả để nhũ hóa và trộn. Khác với cấu hình thông thường, trong đó các pha riêng biệt được kết hợp trước khi đi vào buồng dòng chảy và vùng xâm thực, bộ chèn buồng dòng chảy này cải thiện sự kết hợp của hai pha. Khi một chất lỏng được phun qua 48 ống thông mảnh, chất lỏng đi vào buồng dòng chảy dưới dạng các dòng tia rất nhỏ. Bộ chèn sử dụng 48 ống thông y tế rất mảnh có đường kính trong từ 0,3mm đến 1,2mm. Các ống thông này có thể được thay thế dễ dàng và là vật tư tiêu hao có chi phí thấp (vô trùng, khoảng 2ct/chiếc). Hiện tượng xâm thực siêu âm (ở 20kHz) cắt 48 dòng tia chất lỏng đi vào thành các giọt nhỏ khi chúng đi vào pha lỏng trong buồng dòng chảy.
Thiết kế này áp dụng cùng một áp suất cấp từ một nguồn cấp cho cả 48 ống thông để cân bằng lưu lượng giữa các ống thông.

48 cổng đưa chất vào thiết bị phản ứng siêu âm cho các phản ứng lỏng–lỏng

Công dụng và ứng dụng

Các thiết bị phản ứng siêu âm của Hielscher thường được sử dụng để nhũ hóa, cải thiện động học của quá trình chuyển pha hoặc tốc độ hòa tan trong các hệ pha lỏng–lỏng. Ví dụ về các quá trình như vậy là khử lưu huỳnh bằng oxy hóa với hydro peroxit và chiết bằng dung môi sau đó, hoặc phản ứng trao đổi este của triglyceride có xúc tác bazơ.
Độ hòa tan hạn chế của một pha chứa chất phản ứng trong một pha chứa chất phản ứng khác là một vấn đề đáng kể trong hóa học nhũ tương của quá trình này, vì hai pha chỉ phản ứng với nhau tại bề mặt phân cách pha. Khi không sử dụng siêu âm, điều này dẫn đến tốc độ phản ứng thấp và động học chuyển hóa chậm trong các hệ hai pha.
Khi sử dụng bộ chèn với thiết bị phản ứng siêu âm, hiện tượng xâm thực tạo ra tác động cắt thủy động lực học mạnh và chia nhỏ pha được phun vào thành các giọt có kích thước dưới micromet và kích thước nano. Vì diện tích bề mặt riêng của ranh giới pha ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học, sự giảm đáng kể đường kính giọt này cải thiện động học phản ứng và có thể làm giảm hoặc loại bỏ nhu cầu sử dụng các tác nhân chuyển pha. Tỷ lệ phần trăm thể tích của pha được phun vào có thể được giảm xuống, vì nhũ tương mịn hơn cần ít thể tích hơn để tạo ra cùng một diện tích tiếp xúc với pha chứa chất phản ứng còn lại.
Việc sử dụng bộ chèn này có thể làm giảm lượng cần thiết của các chất xúc tác nhũ tương lưỡng ái hoặc các chất xúc tác chuyển pha (PTC), chẳng hạn như các muối amoni bậc bốn với khả năng độc đáo là hòa tan được trong cả chất lỏng nước và chất lỏng hữu cơ.

Tăng cường truyền khối cho các phản ứng hóa học

Khi hai pha chất phản ứng phản ứng tại ranh giới pha, các sản phẩm phản ứng tích tụ trên bề mặt giọt và ngăn các pha chất phản ứng tương tác tại bề mặt phân cách. Lực cắt thủy động do hiện tượng xâm thực siêu âm gây ra tạo dòng chảy rối và sự vận chuyển vật chất từ và đến bề mặt giọt, dẫn đến sự hợp giọt lặp đi lặp lại và sau đó hình thành các giọt mới. Khi phản ứng diễn tiến theo thời gian, quá trình xử lý siêu âm tối đa hóa sự tiếp xúc và tương tác của các chất phản ứng.
Hiệu ứng này được ứng dụng trong nhiều quy trình, chẳng hạn như chuyển este dầu thực vật thành diesel sinh học hoặc tổng hợp polyester bằng phản ứng chuyển este giữa dieste và diol để tạo thành các đại phân tử.

Tạo nhũ / Nhũ hóa

Bộ phận chèn buồng dòng chảy này cải thiện quá trình nhũ hóa khi trộn các chất lỏng không hòa tan lẫn nhau. Điều này tạo ra các giọt nhỏ hơn và phân bố kích thước hẹp hơn – yếu tố then chốt đối với độ ổn định của nhũ tương. Với thiết kế này, bạn có thể bơm và nhũ hóa các chất lỏng có độ nhớt thấp và trung bình vào ngay cả các chất lỏng có độ nhớt cao, chẳng hạn như dầu nhiên liệu nặng (HFOs), polymer hoặc gel. Một số công thức có thể cần bổ sung chất nhũ hóa hoặc chất ổn định. Trong trường hợp này, bộ phận chèn giúp trộn đều chất nhũ hóa. Có thể cung cấp thiết kế tùy chỉnh để bơm nhiều hơn một pha qua các kim rỗng theo yêu cầu.

Chiết lỏng–lỏng

Bộ phận chèn này tăng cường các quá trình chiết lỏng–lỏng bằng cách tạo ra nhũ tương có giọt mịn trong dòng chảy rối, ví dụ như một pha dung môi trong một pha dầu. Điều này cũng làm tăng diện tích tiếp xúc giữa các pha, giúp chiết hiệu quả hơn và giảm lượng dung môi sử dụng.

Nhiên liệu chứa nước giúp đốt cháy sạch hơn

Các loại dầu nhiên liệu chất lượng thấp, chẳng hạn như dầu nhiên liệu nặng dùng trên tàu biển hoặc để phát điện, có thể được nhũ hóa với nước. Điều này giúp đốt cháy hiệu quả hơn và giảm đáng kể lượng NO_x phát thải và muội than.
Đọc thêm về nhũ hóa nhiên liệu chứa nước (nhiên liệu nhũ tương) bằng siêu âm!

Kết tủa / Kết tinh bằng siêu âm

Có thể tạo ra các chất màu hoặc hạt nano theo phương pháp từ dưới lên bằng quá trình kết tủa trong chất lỏng. Trong trường hợp này, một hỗn hợp quá bão hòa bắt đầu hình thành các hạt rắn hoặc tinh thể từ vật chất có nồng độ cao. Các hạt này sẽ phát triển đến một mức nhất định và cuối cùng kết tủa. Để kiểm soát kích thước và hình thái của hạt/tinh thể, việc kiểm soát quá trình trộn tiền chất/chất phản ứng là thiết yếu.
Nhìn chung, quá trình kết tủa bao gồm: trộn, quá bão hòa, tạo mầm, phát triển hạt và kết tụ. Có thể tránh bước cuối cùng bằng cách duy trì nồng độ chất rắn thấp hoặc sử dụng chất ổn định. Quá trình trộn có vai trò quyết định vì tốc độ phản ứng trong hầu hết các quá trình kết tủa đều rất cao. InsertMPC48 kết hợp các tia bơm hẹp, tốc độ cao với lực cắt mạnh do xâm thực siêu âm. Điều này tối đa hóa tốc độ và hiệu quả trộn, tạo ra nhiều hạt hơn với kích thước nhỏ hơn.

Từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến quy mô pilot và sản xuất

Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị để thử nghiệm, kiểm chứng và ứng dụng công nghệ này ở mọi quy mô. Phương án này dễ dàng tích hợp vào các quy trình hiện có.

1. Cấp pha A vào cổng nạp chất lỏng ở đáy buồng dòng chảy
2. Cấp pha B vào cổng hoặc các cổng nạp chất lỏng nhỏ hơn ở bên hông buồng dòng chảy. Dòng cấp này sẽ được bơm vào vùng xâm thực qua 48 ống nhỏ
3. Điều chỉnh áp suất thiết bị phản ứng bằng van áp suất ngược tại cổng ra của buồng dòng chảy

Ở quy mô để bàn, thiết bị siêu âm 1kW UIP1000hdT có thể xử lý lưu lượng từ 100 đến 1000L/hr (25 đến 250 gal/hr) để trình diễn quy trình và tối ưu hóa các thông số xử lý siêu âm. Các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher được thiết kế để mở rộng quy mô tuyến tính lên thể tích xử lý lớn hơn ở quy mô pilot hoặc sản xuất. Bảng dưới đây liệt kê thể tích xử lý và quy mô thiết bị được khuyến nghị.