Hvad er et ultralydshomogenisator-cirkulationssystem? Med flowcelle.

Hvad er et ultralydshomogenisator-cirkulationssystem? Med flowcelle.

I moderne kemisk, farmaceutisk, fødevare-, kosmetik- og materialebehandling kræver mange processer effektiv blanding, ekstraktion, dispergering, emulgering eller kemiske reaktioner.

Traditionel mekanisk omrøring kan give bulkblanding, men den genererer muligvis ikke tilstrækkelig energi på mikroskopisk niveau. Det er her ultralydsonokemi kan give en yderligere behandlingsmekanisme.

Et ultrasonisk sonokemisk cirkulationssystem er et ultralydsbehandlingssystem med kontinuerlig strøm, der kombinerer ultralydskavitation med væskecirkulation for at intensivere kemiske reaktioner og fysisk behandling.

I stedet for kun at behandle hele væsken inde i en stationær tank, pumpes materialet kontinuerligt gennem et ultralydsreaktionskammer, hvor der påføres ultralydsenergi med høj intensitet.

Hvad er sonokemi?

Sonochemistry er brugen af ​​ultralydsenergi til at fremme eller intensivere kemiske og fysiske processer.

Når ultralyd med høj effekt indføres i en væske, producerer den mikroskopiske bobler gennem et fænomen kendt som akustisk kavitation.

Disse bobler vokser hurtigt og kollapser under ultralydstrykbølger.

Implosionen af ​​kavitationsbobler kan generere lokaliserede højenergiforhold, herunder ekstremt høj temperatur og tryk i meget korte perioder.

Dette fænomen kan have flere effekter:

· Forbedret masseoverførsel

· Partikelforstyrrelse

· Forbedret blanding

· Øget kontakt mellem reaktanter

· Forbedret udsugning

· Emulgering

· Deagglomering

· Acceleration af visse kemiske reaktioner

Derfor kan ultralydsenergi fungere som en procesintensiveringsteknologi i stedet for blot at fungere som en konventionel mixer.

Hvordan virker et ultralyds sonokemisk cirkulationssystem?

Et typisk cirkulationssystem består af flere hovedkomponenter:

Fodertank → Cirkulationspumpe → Ultralydsflowcelle → Returledning → Tank

Materialet fyldes først i en procestank.

En cirkulationspumpe overfører kontinuerligt væsken gennem ultralydsreaktionskammeret. Inde i kammeret indfører en eller flere ultralydstransducere eller sonotroder højintensiv ultralydsenergi i det strømmende materiale.

Den behandlede væske vender derefter tilbage til tanken.

Cirkulationsprocessen kan fortsætte i en forudbestemt periode, indtil den ønskede forarbejdningseffekt er opnået.

Grundlæggende procesflow

Procestank

↓

Cirkulationspumpe

↓

Ultralydsflowcelle

↓

Ultralydskavitationsbehandling

↓

Vend tilbage til tanken

↓

Kontinuerlig recirkulation

Dette design gør det muligt at kombinere ultralydsbehandling med kontrolleret flow, temperatur og behandlingstid.

Ultralydsflowcellens rolle

Ultralydsflowcellen er en af ​​de vigtigste komponenter i et sonokemisk cirkulationssystem.

I modsætning til en ultralydssonde, der blot indsættes i en stor tank, skaber en flowcelle en kontrolleret behandlingszone.

Flowcellen kan designes omkring:

· Væskestrømningshastighed

· Ultralydseffekt

· Frekvens

· Materialeviskositet

· Fast koncentration

· Temperatur

· Opholdstid

· Nødvendig behandlingskapacitet

Når materialet passerer gennem ultralydszonen, modtager det koncentreret akustisk energi.

Til industrielle systemer kan flere ultralydstransducere også integreres i flowcellen for at øge behandlingskapaciteten.

Hvorfor bruge et cirkulationssystem?

Et konventionelt ultralydsbeholdersystem kan fungere godt til laboratorieskalabehandling eller relativt små partier.

Men efterhånden som behandlingsvolumenet stiger, bliver det mere udfordrende at levere tilstrækkelig ultralydsenergi ensartet gennem en stor tank.

Et cirkulationssystem giver en anden tilgang.

I stedet for at forsøge at sonikere hele tankvolumenet samtidigt, føres materialet gentagne gange gennem en ultralydsbehandlingszone med høj intensitet.

Dette giver bedre kontrol over:

· Ultralyds energiinput

· Flowhastighed

· Behandlingstid

· Temperatur

· Behandlingscyklusser

· Opskalering

Af denne grund er cirkulationssystemer særligt attraktive til pilotskala og industriel kontinuerlig flowbehandling.

De vigtigste fordele ved ultralyds sonokemisk cirkulation

1. Lokaliseret kavitation med høj intensitet

Ultralydsflowcellen koncentrerer ultralydsenergi til et defineret behandlingsområde.

Dette kan skabe et stærkt kavitationsmiljø til kemisk og fysisk behandling.

2. Forbedret masseoverførsel

Ultralydskavitation og akustisk streaming kan forbedre kontakten mellem væskefaser, partikler og reaktanter.

Dette kan være nyttigt til ekstraktion, opløsning og heterogene reaktioner.

3. Forstærkede kemiske reaktioner

For egnede kemiske systemer kan ultralyd øge kontakten mellem reaktanter og forbedre reaktionsbetingelserne.

Den faktiske effekt afhænger stærkt af reaktionskemi, opløsningsmiddel, koncentration, temperatur og ultralydsparametre.

4. Forbedret spredning

Ultralydskavitation kan nedbryde partikelagglomerater og forbedre spredningen af ​​fine partikler i væsker.

Dette gør teknologien nyttig til pigmenter, nanopartikler, keramik, grafen-relaterede materialer og andre avancerede materialer.

5. Kontinuerlig behandling

Materialet kan cirkulere kontinuerligt gennem ultralydsbehandlingskammeret.

Dette giver en skalerbar proceskonfiguration sammenlignet med blot at øge størrelsen af ​​et ultralydsbad.

6. Bedre temperaturkontrol

Fordi procesvæsken cirkuleres gennem systemet, kan en varmeveksler eller chiller indbygges i cirkulationssløjfen.

Dette er især vigtigt for temperaturfølsomme produkter og reaktioner, hvor overdreven varme skal undgås.

Typiske applikationer

Ultralyds sonokemiske cirkulationssystemer kan bruges i mange industrier.

Ultralydsekstraktion

Ultralyd kan hjælpe med udvinding af aktive stoffer fra:

· Urter

· Planter

· Alger

· Svampe

· Rødder

· Frø

· Botaniske materialer

Kavitation kan hjælpe med at forstyrre plante- eller biologiske strukturer og forbedre opløsningsmiddelpenetration og masseoverførsel.

Kemisk syntese

Ultralyd kan undersøges som en procesintensiveringsmetode til udvalgte kemiske reaktioner, herunder reaktioner, der involverer:

· Fast-væske systemer

· Væske-væske systemer

· Heterogene katalysatorer

· Krystallisation

· Nedbør

Procesvalidering er påkrævet, fordi ultralydseffekter er meget afhængige af det specifikke reaktionssystem.

Nanopartikelpræparation

Ultralydskavitation kan hjælpe:

· Partikelkernedannelse

· Deagglomering

· Spredning

· Nedbør

· Bearbejdning af nanomaterialer

Det kan kombineres med kontrollerede kemiske reaktioner for at producere fine og relativt ensartede partikeldispersioner.

Emulgering

Ultralyd med høj intensitet kan skabe fine dråber og forbedre spredningen af ​​ublandbare væsker.

Potentielle applikationer omfatter:

· Olie-i-vand emulsioner

· Vand-i-olie emulsioner

· Kosmetiske formuleringer

· Farmaceutiske formuleringer

· Funktionelle ingredienser

Pulverdispersion

Ultralydsbehandling kan hjælpe med at bryde partikelagglomerater og forbedre spredningen af ​​pulvere i flydende medier.

Dette kan være nyttigt til:

· Keramiske slam

· Pigmenter

· Kulstofmaterialer

· Metaloxider

· Funktionelle pulvere

Nøgleparametre til systemdesign

Et ultralyds sonokemisk cirkulationssystem bør ikke vælges udelukkende baseret på ultralydseffekt.

Flere parametre skal overvejes sammen.

Ultralydsfrekvens

Almindelige industrielle ultralydssystemer kan fungere omkring 20 kHz , mens højere frekvenser kan bruges til specifikke applikationer.

Lavere frekvens højeffekt ultralyd vælges almindeligvis, når stærk kavitation er påkrævet.

Ultralydskraft

Den nødvendige effekt afhænger af:

· Væskevolumen

· Flowhastighed

· Materialeegenskaber

· Behandlingsintensitet

· Ønsket behandlingstid

Til industrielle anvendelser bør ultralydseffekten evalueres sammen med den faktiske energi, der leveres til procesmaterialet.

Flowhastighed

Flowhastighed bestemmer, hvor hurtigt materiale passerer gennem ultralydsreaktionszonen.

En passende strømningshastighed skal balancere:

Flowhastighed + ultralydsintensitet + opholdstid + antal cirkulationspassager

Temperatur

Ultralydskavitation genererer varme under drift.

For temperaturfølsomme materialer kan et kølesystem integreres i cirkulationssløjfen for at opretholde den nødvendige procestemperatur.

Flowcellegeometri

Udformningen af ​​ultralydsflowcellen har stor indflydelse på akustisk energifordeling.

Faktorer omfatter:

· Kammerdiameter

· Kammerlængde

· Transducer arrangement

· Sonotrode geometri

· Strømningsretning

· Tryk

· Materialeviskositet

Derfor tilpasses industrielle flowceller normalt efter applikationen.

Konklusion

Et ultrasonisk sonokemisk cirkulationssystem kombinerer højenergieffekterne af ultralydskavitation med kontrolleret væskecirkulation.

Ved kontinuerligt at føre materialet gennem en ultralydsflowcelle kan systemet give en koncentreret ultralydsbehandlingszone, samtidig med at ingeniører kan kontrollere flowhastighed, temperatur, ultralydseffekt og behandlingstid.

Det kan anvendes til kemiske reaktioner, ekstraktion, emulgering, nanopartikelfremstilling, dispersion, krystallisation og andre procesintensiveringsapplikationer.

Til industrielle applikationer kan systemet tilpasses med forskellige ultralydsgeneratorer, titanium-legering sonotroder, flowceller, pumper, tanke, varmevekslere og kølesystemer i henhold til den specifikke proces.

Hvis du udvikler en ultralydskemisk proces, er det vigtigste trin ikke blot at vælge en højeffektsgenerator. Det komplette system bør designes omkring materialets egenskaber, flowhastighed, temperatur, reaktionsbetingelser og påkrævet behandlingsresultat.