Co je cirkulační systém ultrazvukového homogenizátoru? S průtokovým článkem.

Co je cirkulační systém ultrazvukového homogenizátoru? S průtokovým článkem.

V moderním chemickém, farmaceutickém, potravinářském, kosmetickém a materiálovém zpracování mnoho procesů vyžaduje účinné míchání, extrakci, disperzi, emulgaci nebo chemické reakce.

Tradiční mechanické míchání může zajistit hromadné míchání, ale nemusí generovat dostatečnou energii na mikroskopické úrovni. Zde může ultrazvuková sonochemie poskytnout další mechanismus zpracování.

Ultrazvukový sonochemický cirkulační systém je kontinuální ultrazvukový procesní systém, který kombinuje ultrazvukovou kavitaci s cirkulací kapaliny pro zintenzivnění chemických reakcí a fyzikálního zpracování.

Namísto úpravy celé kapaliny pouze uvnitř stacionární nádrže je materiál kontinuálně čerpán přes ultrazvukovou reakční komoru, kde je aplikována vysoce intenzivní ultrazvuková energie.

Co je to sonochemie?

Sonochemie je použití ultrazvukové energie k podpoře nebo zintenzivnění chemických a fyzikálních procesů.

Když je vysoce výkonný ultrazvuk zaveden do kapaliny, vytváří mikroskopické bubliny prostřednictvím jevu známého jako akustická kavitace..

Tyto bubliny rychle rostou a kolabují pod ultrazvukovými tlakovými vlnami.

Imploze kavitačních bublin může vytvářet lokalizované vysokoenergetické podmínky, včetně extrémně vysoké teploty a tlaku po velmi krátkou dobu.

Tento jev může mít několik efektů:

· Vylepšený přenos hmoty

· Rozrušení částic

· Vylepšené míchání

· Zvýšený kontakt mezi reaktanty

· Vylepšená extrakce

· Emulgace

· Deaglomerace

· Urychlení určitých chemických reakcí

Proto může ultrazvuková energie fungovat spíše jako technologie pro intenzifikaci procesu než jednoduše fungovat jako konvenční mixér.

Jak funguje ultrazvukový sonochemický oběhový systém?

Typický oběhový systém se skládá z několika hlavních součástí:

Napájecí nádrž → Cirkulační čerpadlo → Ultrazvuková průtoková buňka → Zpětné vedení → Nádrž

Materiál se nejprve naplní do procesní nádrže.

Oběhové čerpadlo nepřetržitě převádí kapalinu přes ultrazvukovou reakční komoru. Uvnitř komory zavádí jeden nebo více ultrazvukových měničů nebo sonotrod do proudícího materiálu ultrazvukovou energii vysoké intenzity.

Upravená kapalina se poté vrací do nádrže.

Cirkulační proces může pokračovat po předem stanovenou dobu, dokud není dosaženo požadovaného efektu zpracování.

Základní procesní tok

Procesní nádrž

↓

Oběhové čerpadlo

↓

Ultrazvuková průtoková buňka

↓

Ultrazvuková kavitační léčba

↓

Vraťte se do Tanku

↓

Nepřetržitá recirkulace

Tato konstrukce umožňuje kombinaci ultrazvukového ošetření s řízeným průtokem, teplotou a dobou zpracování.

Role ultrazvukové průtokové cely

Ultrazvuková průtoková cela je jednou z nejdůležitějších součástí sonochemického cirkulačního systému.

Na rozdíl od ultrazvukové sondy jednoduše vložené do velké nádrže vytváří průtoková cela kontrolovanou zónu zpracování.

Průtoková cela může být navržena kolem:

· Průtok kapaliny

· Ultrazvukový výkon

· Frekvence

· Viskozita materiálu

· Pevná koncentrace

· Teplota

· Doba pobytu

· Požadovaná kapacita zpracování

Když materiál prochází ultrazvukovou zónou, dostává koncentrovanou akustickou energii.

U průmyslových systémů lze do průtokové cely také integrovat více ultrazvukových měničů, aby se zvýšila kapacita zpracování.

Proč používat oběhový systém?

Konvenční systém ultrazvukové nádrže může dobře fungovat pro zpracování v laboratorním měřítku nebo pro relativně malé dávky.

Jak se však objem zpracování zvyšuje, dodávání dostatečné ultrazvukové energie rovnoměrně do celé velké nádrže se stává náročnější.

Cirkulační systém poskytuje jiný přístup.

Namísto snahy o současné sonikaci celého objemu nádrže, materiál opakovaně prochází zónou vysoce intenzivního ultrazvukového ošetření.

To poskytuje lepší kontrolu nad:

· Vstup ultrazvukové energie

· Průtok

· Doba léčby

· Teplota

· Cykly zpracování

· Zvětšení

Z tohoto důvodu jsou cirkulační systémy obzvláště atraktivní pro poloprovozní a průmyslové kontinuální zpracování.

Hlavní výhody ultrazvukové sonochemické cirkulace

1. Lokalizovaná kavitace vysoké intenzity

Ultrazvuková průtoková cela koncentruje ultrazvukovou energii do definované oblasti zpracování.

To může vytvořit silné kavitační prostředí pro chemické a fyzikální zpracování.

2. Vylepšený přenos hmoty

Ultrazvuková kavitace a akustické proudění mohou zlepšit kontakt mezi kapalnými fázemi, částicemi a reaktanty.

To může být užitečné pro extrakci, rozpouštění a heterogenní reakce.

3. Zvýšené chemické reakce

U vhodných chemických systémů může ultrazvuk zvýšit kontakt mezi reaktanty a zlepšit reakční podmínky.

Skutečný účinek silně závisí na reakční chemii, rozpouštědle, koncentraci, teplotě a ultrazvukových parametrech.

4. Zlepšená disperze

Ultrazvuková kavitace může rozbít aglomeráty částic a zlepšit disperzi jemných částic v kapalinách.

Díky tomu je technologie užitečná pro pigmenty, nanočástice, keramiku, materiály související s grafenem a další pokročilé materiály.

5. Průběžné zpracování

Materiál může nepřetržitě cirkulovat ultrazvukovou zpracovací komorou.

To poskytuje škálovatelnou konfiguraci procesu ve srovnání s jednoduchým zvětšením velikosti ultrazvukové lázně.

6. Lepší kontrola teploty

Protože procesní kapalina cirkuluje systémem, může být do cirkulační smyčky začleněn tepelný výměník nebo chladič.

To je zvláště důležité pro produkty citlivé na teplotu a reakce, kde je třeba se vyvarovat nadměrného tepla.

Typické aplikace

Ultrazvukové sonochemické cirkulační systémy lze použít v mnoha průmyslových odvětvích.

Ultrazvuková extrakce

Ultrazvuk může pomoci extrakci aktivních látek z:

· Byliny

· Rostliny

· Řasy

· Houby

· Kořeny

· Semena

· Botanické materiály

Kavitace může pomoci narušit rostlinné nebo biologické struktury a zlepšit pronikání rozpouštědla a přenos hmoty.

Chemická syntéza

Ultrazvuk lze zkoumat jako metodu intenzifikace procesu pro vybrané chemické reakce, včetně reakcí zahrnujících:

· Systémy pevná látka-kapalina

· Systémy kapalina-kapalina

· Heterogenní katalyzátory

· Krystalizace

· Srážky

Validace procesu je nutná, protože účinky ultrazvuku jsou vysoce závislé na konkrétním reakčním systému.

Příprava nanočástic

Ultrazvuková kavitace může pomoci:

· Nukleace částic

· Deaglomerace

· Rozptyl

· Srážky

· Zpracování nanomateriálů

Může být kombinován s řízenými chemickými reakcemi, aby se vytvořily jemné a relativně jednotné disperze částic.

Emulgace

Vysoce intenzivní ultrazvuk může vytvářet jemné kapičky a zlepšit rozptyl nemísitelných kapalin.

Mezi potenciální aplikace patří:

· Emulze typu olej ve vodě

· Emulze typu voda v oleji

· Kosmetické přípravky

· Farmaceutické přípravky

· Funkční složky

Prášková disperze

Ultrazvukové ošetření může pomoci rozbít aglomeráty částic a zlepšit disperzi prášků v kapalných médiích.

To může být užitečné pro:

· Keramické kaše

· Pigmenty

· Karbonové materiály

· Oxidy kovů

· Funkční prášky

Klíčové parametry pro návrh systému

Ultrazvukový sonochemický cirkulační systém by neměl být vybírán pouze na základě ultrazvukového výkonu.

Je třeba zvážit několik parametrů společně.

Ultrazvuková frekvence

Běžné průmyslové ultrazvukové systémy mohou pracovat kolem 20 kHz , zatímco pro specifické aplikace lze použít vyšší frekvence.

Nízkofrekvenční vysokovýkonný ultrazvuk se běžně volí, když je vyžadována silná kavitace.

Ultrazvukový výkon

Požadovaný výkon závisí na:

· Objem kapaliny

· Průtok

· Vlastnosti materiálu

· Intenzita zpracování

· Požadovaná doba ošetření

Pro průmyslové aplikace by měl být ultrazvukový výkon vyhodnocován společně se skutečnou energií dodávanou do procesního materiálu.

Průtok

Rychlost průtoku určuje, jak rychle materiál prochází ultrazvukovou reakční zónou.

Vhodný průtok musí vyvažovat:

Průtok + intenzita ultrazvuku + doba zdržení + počet cirkulačních průchodů

Teplota

Ultrazvuková kavitace vytváří teplo během provozu.

U materiálů citlivých na teplotu lze do cirkulační smyčky integrovat chladicí systém pro udržení požadované procesní teploty.

Geometrie průtokové buňky

Konstrukce ultrazvukové průtokové cely má zásadní vliv na distribuci akustické energie.

Mezi faktory patří:

· Průměr komory

· Délka komory

· Uspořádání převodníku

· Sonotrodová geometrie

· Směr proudění

· Tlak

· Viskozita materiálu

Průmyslové průtokové cely se proto běžně přizpůsobují podle aplikace.

Závěr

Ultrazvukový sonochemický cirkulační systém kombinuje vysokoenergetické účinky ultrazvukové kavitace s řízenou cirkulací kapaliny.

Nepřetržitým průchodem materiálu přes ultrazvukovou průtokovou celu může systém poskytnout koncentrovanou zónu ultrazvukového ošetření a zároveň umožňuje inženýrům řídit průtok, teplotu, výkon ultrazvuku a dobu zpracování..

Může být použit pro chemické reakce, extrakci, emulgaci, přípravu nanočástic, disperzi, krystalizaci a další aplikace pro intenzifikaci procesů.

Pro průmyslové aplikace lze systém přizpůsobit pomocí různých ultrazvukových generátorů, sonotrod z titanové slitiny, průtokových buněk, čerpadel, nádrží, výměníků tepla a chladicích systémů podle konkrétního procesu.

Pokud vyvíjíte ultrazvukový chemický proces, nejdůležitějším krokem není jen výběr vysoce výkonného generátoru. Celý systém by měl být navržen s ohledem na materiálové charakteristiky, průtok, teplotu, reakční podmínky a požadovaný výsledek zpracování.