مفاعلات الخزانات المثارة باستمرار المهتاجة بالموجات فوق الصوتية
يتم تطبيق مفاعلات الدبابات التي يتم تحريكها باستمرار (CSTR) على نطاق واسع لمختلف التفاعلات الكيميائية بما في ذلك الحفز وكيمياء المستحلب والبوليمرة والتوليف والاستخراج والتبلور. حركة رد الفعل البطيء هي مشكلة شائعة في CSTR ، والتي يمكن التغلب عليها بسهولة من خلال تطبيق الموجات فوق الصوتية للطاقة. خلط مكثفة، والهياج والآثار سونوتشيميكال من الطاقة بالموجات فوق الصوتية تسريع الحركية رد فعل وتحسين معدل التحويل بشكل كبير. Ultrasonicators يمكن دمجها بسهولة في CSTRs من أي حجم.
لماذا تطبيق الطاقة بالموجات فوق الصوتية على مفاعل خزان أثار باستمرار؟
إن مفاعل الخزانات الذي يتم تحريكه باستمرار (CSTR، أو ببساطة مفاعل الخزان الذي يتم تحريكه (STR)) هو في خصائصه الرئيسية مشابه تماما لمفاعل الدفعة. والفرق الرئيسي المهم هو أنه بالنسبة لإعداد مفاعل الخزان المستمر (CSTR) يجب توفير تغذية المواد في تدفق مستمر داخل وخارج المفاعل. يمكن تحقيق تغذية المفاعل عن طريق تدفق الجاذبية أو التدفق القسري للدوران باستخدام مضخة. يطلق على CSTR أحيانا مفاعل التدفق المختلط الخلفي (BMR).
تستخدم ال CSTRs عادة عند الحاجة إلى هياج سائلين أو أكثر. ويمكن استخدام هذه المفاعلات كمفاعل واحد أو تركيبها كسلسلة من التكوينات لتيارات تركيز مختلفة وخطوات رد فعل. وإلى جانب استخدام مفاعل خزان واحد، يتم استخدام التركيب التسلسلي لمختلف الخزانات (واحدة تلو الأخرى) أو الإعداد تتالي عادة.
لماذا Ultrasonication؟ ومن المعروف جيدا خلط الموجات فوق الصوتية والهياج، فضلا عن الآثار سونوتشيميكال من الموجات فوق الصوتية السلطة للمساهمة في كفاءة التفاعلات الكيميائية. تحسين خلط وخفض حجم الجسيمات بسبب الاهتزازات بالموجات فوق الصوتية والتجويف توفير الحركية المتسارعة بشكل ملحوظ ومعدل التحويل المحسن. يمكن أن توفر الآثار سونوتشيميكال الطاقة اللازمة لبدء التفاعلات الكيميائية، والتبديل المسارات الكيميائية، وإعطاء عوائد أعلى بسبب رد فعل أكثر اكتمالا.
يمكن استخدام CSTR المكثف بالموجات فوق الصوتية لتطبيقات مثل:
- ردود فعل سائلة سائلة غير متجانسة
- ردود فعل سائلة صلبة غير متجانسة
- ردود فعل متجانسة في المرحلة السائلة
- تفاعلات الغاز السائل غير المتجانسة
- تفاعلات الغاز الصلب السائل غير المتجانسة
Ultrasonication كنظام كيميائي اصطناعي عالي السرعة
الكيمياء الاصطناعية عالية السرعة هي تقنية رد فعل جديدة تستخدم لبدء وتكثيف التوليف الكيميائي. بالمقارنة مع مسارات التفاعل التقليدية، التي تحتاج إلى عدة ساعات أو أيام تحت الجزر، يمكن للمفاعلات التوليفية التي يتم الترويج لها بالموجات فوق الصوتية تقليل مدة التفاعل إلى بضع دقائق مما يؤدي إلى تفاعل توليفي متسارع كبير. ويستند تكثيف توليف بالموجات فوق الصوتية على مبدأ العمل من التجويف الصوتية والقوى ذات الصلة بما في ذلك التسخين المحصور محليا. تعرف على المزيد عن الموجات فوق الصوتية والتجويف الصوتي وقياس السونوتشيميستري في القسم التالي.
التجويف بالموجات فوق الصوتية وآثاره سونوتشيميكال
يحدث التجويف بالموجات فوق الصوتية (أو الصوتية) عندما يقترن الموجات فوق الصوتية السلطة في السوائل أو الطين. التجويف هو الانتقال من مرحلة سائلة إلى مرحلة بخار ، والتي تحدث بسبب انخفاض الضغط إلى مستوى توتر البخار في السائل.
التجويف بالموجات فوق الصوتية يخلق قوات القص عالية جدا والطائرات السائلة مع ما يصل إلى 1000m / ثانية. هذه الطائرات السائلة تسريع الجسيمات وتسبب الاصطدامات بين الجسيمات وبالتالي تقليل حجم الجسيمات من المواد الصلبة وقطرات. الاضافه الي ذلك – المترجمة داخل وعلى مقربة من فقاعة التجويف المنهارة – يتم توليد ضغوط عالية للغاية على ترتيب مئات من الاجواء ودرجات الحرارة على ترتيب آلاف من درجات كلفن.
على الرغم من ultrasonication هو أسلوب المعالجة الميكانيكية البحتة، فإنه يمكن أن تنتج ارتفاع درجة الحرارة القصوى محصورة محليا. ويرجع ذلك إلى القوى المكثفة المتولدة داخل وعلى مقربة من فقاعات التجويف المنهارة، حيث يمكن الوصول بسهولة إلى درجات حرارة عدة آلاف من الدرجات المئوية. في الحل السائبة ، فإن زيادة درجة الحرارة الناتجة عن انفجار فقاعة واحدة تكاد تكون ضئيلة ، ولكن تبديد الحرارة من العديد من فقاعات التجويف كما لوحظ في البقع الساخنة التجويف (كما تم إنشاؤها بواسطة sonication مع الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة) يمكن أن يسبب في النهاية زيادات في درجة الحرارة القابلة للقياس في درجة الحرارة السائبة. ميزة ultrasonication وsonochemistry يكمن في آثار درجة الحرارة التي يمكن التحكم فيها أثناء المعالجة: يمكن تحقيق التحكم في درجة الحرارة من الحل السائبة باستخدام خزانات مع سترات التبريد وكذلك سونيكيشن نبضي. Hielscher Ultrasonics 'ultrasonicators متطورة يمكن وقفة الموجات فوق الصوتية عندما يتم التوصل إلى حد درجة الحرارة العليا والاستمرار في ultrasonication بمجرد أن يتم التوصل إلى قيمة أقل من مجموعة ∆T. وهذا مهم بشكل خاص عند استخدام المواد المتفاعلة الحساسة للحرارة.
سونوتشيميستري يحسن الحركية رد الفعل
منذ سونيكيشن يولد الاهتزازات المكثفة والتجويف، تتأثر الحركية الكيميائية. ترتبط حركية النظام الكيميائي ارتباطا وثيقا بتوسع فقاعة التجويف وانهيارها الداخلي ، حيث تؤثر على ديناميكيات حركة الفقاعة بشكل كبير. الغازات الذائبة في محلول التفاعل الكيميائي تؤثر على خصائص التفاعل السونوكيميائية عن طريق كل من الآثار الحرارية والآثار الكيميائية. التأثيرات الحرارية تؤثر على درجات الحرارة القصوى التي يتم الوصول إليها أثناء انهيار فقاعة داخل الفراغ التجويف; الآثار الكيميائية يعدل آثار الغازات، والتي تشارك مباشرة في رد فعل.
ردود الفعل غير المتجانسة والمتجانسة مع الحركية رد فعل بطيء بما في ذلك ردود الفعل اقتران سوزوكي، هطول الأمطار، التبلور وكيمياء مستحلب هي مقدر أن تبدأ وتعزيزها من خلال الموجات فوق الصوتية السلطة وآثارها سونوتشيميكال.
على سبيل المثال، لتركيب حمض فيروليك، سونيكيشن منخفض التردد (20 كيلوهرتز) في قوة 180 واط أعطى 94٪ غلة حمض الفيروليك في 60 درجة مئوية في 3 ساعة. هذه النتائج التي أجرتها Truong et al. (2018) تثبت أن استخدام التردد المنخفض (نوع القرن والتشعيع عالي الطاقة) أدى إلى تحسين معدل التحويل بشكل كبير مما أعطى عوائد أعلى من 90٪.
مفاعل خزان التحريك المستمر (CSTR) مع جهاز الموجات فوق الصوتية المتكامل UIP2000hdT (2kW، 20kHz) لتحسين الحركية ومعدلات التحويل.
الكيمياء المستحلب المكثفة بالموجات فوق الصوتية
ردود الفعل غير المتجانسة مثل الكيمياء مستحلب يستفيد بشكل كبير من تطبيق الموجات فوق الصوتية السلطة. التجويف بالموجات فوق الصوتية تقلص ووزعت قطرات من كل مرحلة بشكل متجانس داخل بعضها البعض خلق مستحلب نانو أو شبه ميكرون. نظرا لأن قطرات النانو الحجم توفر مساحة سطحية متزايدة بشكل كبير للتفاعل مع قطرات مختلفة ، يتم تحسين معدل النقل الجماعي والتفاعل بشكل كبير. تحت sonication ، تظهر ردود الفعل المعروفة بحركية بطيئة عادة معدلات تحويل محسنة بشكل كبير ، وعوائد أعلى ، ومنتجات الثانوية أقل أو النفايات وكفاءة عامة أفضل. غالبا ما يتم تطبيق كيمياء مستحلب محسنة بالموجات فوق الصوتية لبوليمرات المستحلبات ، على سبيل المثال ، لإنتاج خلطات البوليمر والمواد اللاصقة المنقولة بالمياه والبوليمرات المتخصصة.
10 أشياء يجب أن تعرفها، قبل شراء مفاعل كيميائي
عند اختيار مفاعل كيميائي لعملية كيميائية هناك العديد من العوامل التي تؤثر على التصميم الأمثل للمفاعل الكيميائي. إذا كانت العملية الكيميائية الخاصة بك تنطوي على تفاعلات كيميائية متعددة المراحل وغير متجانسة ولها حركية تفاعل بطيء ، فإن تحريض المفاعل وتنشيط العملية هي عوامل مؤثرة أساسية لتحويل كيميائي ناجح وتكاليف اقتصادية (تشغيلية) للمفاعل الكيميائي.
Ultrasonication يحسن حركية التفاعل من التفاعلات الكيميائية السائلة السائلة والسائلة الصلبة في مفاعلات الدفعات الكيميائية وأوعية التفاعل المضمنة بشكل كبير. وبالتالي، فإن دمج المسابير بالموجات فوق الصوتية في مفاعل كيميائي يمكن أن يقلل من تكاليف المفاعل وتحسين الكفاءة الشاملة وجودة المنتج النهائي.
في كثير من الأحيان، تفتقر هندسة المفاعلات الكيميائية إلى المعرفة حول تعزيز العملية بمساعدة بالموجات فوق الصوتية. دون معرفة عميقة حول تأثير الموجات فوق الصوتية السلطة، والهياج بالموجات فوق الصوتية، والتجويف الصوتي والآثار سونوتشيميكال على أداء المفاعل الكيميائي، وتحليل المفاعل الكيميائي وأساسيات التصميم التقليدية يمكن أن تسفر عن نتائج أدنى فقط. أدناه، سوف تحصل على نظرة عامة على الفوائد الأساسية للفوق صوتيات لتصميم المفاعل الكيميائي والتحسين.
مزايا مفاعل الخزانات المستمر المكثف بالموجات فوق الصوتية (CSTR)
- المفاعلات المحسنة بالموجات فوق الصوتية للمختبر والإنتاج:
قابلية التوسع السهلة: المعالجات بالموجات فوق الصوتية متاحة بسهولة لحجم المختبر والإنتاج التجريبي وعلى نطاق واسع
قابلة للاستنساخ / قابلة للتكرار النتائج بسبب المعلمات بالموجات فوق الصوتية التي يمكن التحكم فيها بدقة
القدرة وسرعة التفاعلردود الفعل المكثفة بالموجات فوق الصوتية هي أسرع وبالتالي أكثر اقتصادا (انخفاض التكاليف) - سونوتشيميستري ينطبق على الأغراض العامة وكذلك الخاصة
- Ultrasonication يمكن استخدامها في بيئات متفجرة
– تطهير (على سبيل المثال، بطانية النيتروجين)
– لا سطح مفتوح - تنظيف بسيط: التنظيف الذاتي (CIP – نظيفة في مكان)
- اختر المواد المفضلة لديك من البناء
– زجاج، الفولاذ المقاوم للصدأ، التيتانيوم
– لا الأختام الدوارة
– مجموعة واسعة من المواد المانعة للتسرب - Ultrasonicators يمكن استخدامها في مجموعة واسعة من درجات الحرارة
- Ultrasonicators يمكن استخدامها في مجموعة واسعة من الضغوط
- تأثير التآزر مع التكنولوجيات الأخرى، على سبيل المثال، الكيمياء الكهربائية (سونو-الكيمياء الكهربائية)، والحفز (سونو-الحفز)، تبلور (سونو بلورة) الخ.
- سونيكيشن مثالية لتعزيز المفاعلات الحيوية، على سبيل المثال، التخمير.
- حل / حل: في عمليات الانحلال، تمر الجسيمات من مرحلة إلى أخرى، على سبيل المثال عندما تذوب الجسيمات الصلبة في السائل. وتبين أن درجة الهياج تؤثر على سرعة العملية. العديد من بلورات صغيرة تذوب أسرع بكثير تحت التجويف بالموجات فوق الصوتية من واحد في المفاعلات دفعة أثار تقليديا. وهنا أيضا يكمن سبب السرعات المختلفة في معدلات نقل الكتلة المختلفة على أسطح الجسيمات. على سبيل المثال ، يتم تطبيق ultrasonication بنجاح لإنشاء حلول فائقة التشبع ، على سبيل المثال ، في عمليات التبلور (سونو بلورة).
- Ultrasonically روجت استخراج الكيميائية:
– السائل الصلب، مثل استخراج النباتية، استخراج المواد الكيميائية
– السائل السائل: عندما يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية على نظام استخراج السائل والسائل، يتم إنشاء مستحلب من واحدة من المراحل في الآخر. هذا التكوين من مستحلب يؤدي إلى زيادة المناطق بين البينية بين المرحلتين لا يمكن التخلص منها مما أدى إلى تدفق نقل كتلة معززة بين المراحل.
– التكيف & تعدد الاستخدامات، على سبيل المثال، خيارات التثبيت والإعداد المرنة والاستخدام متعدد التخصصات
كيف سونيكيشن تحسين التفاعلات الكيميائية في مفاعلات خزان أثار؟
- أكبر مساحة سطح الاتصال: في ردود الفعل بين المتفاعلين في مراحل غير متجانسة ، يمكن فقط للجسيمات التي تصطدم مع بعضها البعض في الواجهة التفاعل. كلما كانت الواجهة أكبر، كلما حدثت تصادمات أكثر. كما يتم تقسيم جزء سائل أو صلب من مادة إلى قطرات أصغر أو جزيئات صلبة معلقة في سائل المرحلة المستمرة، ومساحة سطح هذه المادة يزيد. وعلاوة على ذلك، ونتيجة لانخفاض الحجم، يزداد عدد الجسيمات وبالتالي ينخفض متوسط المسافة بين هذه الجسيمات. وهذا يحسن من التعرض للمرحلة المستمرة إلى مرحلة مشتتة. لذلك ، يزيد معدل التفاعل مع درجة تجزؤ مرحلة التفرق. تظهر العديد من التفاعلات الكيميائية في التشتت أو المستحلبات تحسينات جذرية في سرعة التفاعل نتيجة لانخفاض حجم الجسيمات بالموجات فوق الصوتية.
- الحفز (تنشيط الطاقة): المحفزات ذات أهمية كبيرة في العديد من التفاعلات الكيميائية، في تطوير المختبر والإنتاج الصناعي. غالبا ما تكون المحفزات في مرحلة صلبة أو سائلة وغير قابلة للاختلاط مع تفاعل واحد أو جميع المتفاعلين. وبالتالي ، في كثير من الأحيان ، والحفز هو تفاعل كيميائي غير متجانس. في إنتاج أهم المواد الكيميائية الأساسية مثل حمض الكبريتيك والأمونيا وحمض النيتريك والإيثين والميثانول ، تلعب المحفزات دورا مهما. وتستند مجالات واسعة من التكنولوجيا البيئية على العمليات الحفازة. يؤدي تصادم الجسيمات إلى تفاعل كيميائي ، أي إعادة تجميع الذرات ، فقط إذا اصطدمت الجسيمات بالطاقة الحركية الكافية. Ultrasonication هو وسيلة فعالة للغاية لزيادة الحركية في المفاعلات الكيميائية. في عملية الحفز غير المتجانسة ، يمكن أن تؤدي إضافة الفوق صوتيات إلى تصميم مفاعل كيميائي إلى تقليل متطلبات المحفز. وهذا يمكن أن يؤدي إلى استخدام أقل حافزا أو أدنى، والمحفزات أقل نبلا.
- ارتفاع وتيرة الاتصال / تحسين نقل الكتلة: خلط الموجات فوق الصوتية والهياج هو وسيلة فعالة للغاية لتوليد قطرات دقيقة والجسيمات (أي، دون ميكرون والجسيمات النانوية)، والتي توفر سطح نشط أعلى لردود الفعل. في ظل التحريض المكثف الإضافي والحركة الدقيقة الناجمة عن الموجات فوق الصوتية للطاقة ، يتم زيادة وتيرة الاتصال بين الجسيمات بشكل كبير مما يؤدي إلى معدل تحويل محسن بشكل كبير.
- البلازما المضغوطة: بالنسبة للعديد من ردود الفعل، تؤدي زيادة 10 كلفن في درجة حرارة المفاعل إلى مضاعفة معدل التفاعل تقريبا. التجويف بالموجات فوق الصوتية تنتج النقاط الساخنة التفاعلية للغاية المترجمة تصل إلى 5000K داخل السائل، دون تسخين كبير من حجم السائل العام في المفاعل الكيميائي.
- الطاقة الحرارية: أي طاقة بالموجات فوق الصوتية التي تضيفها إلى تصميم مفاعل كيميائي، سيتم تحويلها أخيرا إلى طاقة حرارية. لذلك، يمكنك إعادة استخدام الطاقة للعملية الكيميائية. بدلا من مدخلات الطاقة الحرارية بواسطة عناصر التدفئة أو البخار، ultrasonication يدخل عملية تفعيل الطاقة الميكانيكية عن طريق الاهتزازات عالية التردد. في المفاعل الكيميائي، وهذا ينتج التجويف بالموجات فوق الصوتية التي نشطت العملية الكيميائية على مستويات متعددة. وأخيرا القص بالموجات فوق الصوتية هائلة من المواد الكيميائية النتائج التحويل إلى الطاقة الحرارية، أي الحرارة. يمكنك استخدام مفاعلات الدفعات المكواة أو المفاعلات المضمنة في التبريد من أجل الحفاظ على درجة حرارة ثابتة لتفاعلك الكيميائي.
أجهزة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتحسين التفاعلات الكيميائية في CSTR
Hielscher Ultrasonics تصاميم وتصنيع وتوزيع التجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية والمشتتات للاندماج في مفاعلات الدبابات التي أثارها المستمر (CSTR). Hielscher ultrasonicators تستخدم في جميع أنحاء العالم لتعزيز وتكثيف وتسريع وتحسين التفاعلات الكيميائية.
HIELSCHER الفوق’ المعالجات بالموجات فوق الصوتية متوفرة في أي حجم من أجهزة مختبر صغير لمعالجات صناعية كبيرة لتطبيقات الكيمياء تدفق. تعديل دقيق للسعه بالموجات فوق الصوتية (وهو المعلمة الأكثر أهمية) يسمح لتشغيل Hielscher ultrasonicators في السعة منخفضة إلى عالية جدا وصقل السعة بالضبط لظروف عملية الموجات فوق الصوتية المطلوبة من نظام التفاعل الكيميائي محددة.
مولد Hielscher بالموجات فوق الصوتية ميزة برنامج ذكي مع بروتوكول البيانات التلقائي. يتم تخزين جميع معلمات المعالجة الهامة مثل الطاقة بالموجات فوق الصوتية ودرجة الحرارة والضغط والوقت تلقائيا على بطاقة SD مدمجة بمجرد تشغيل الجهاز.
إن مراقبة العملية وتسجيل البيانات أمران مهمان للتوحيد المستمر للعمليات وجودة المنتج. من خلال الوصول إلى بيانات العملية المسجلة تلقائيًا ، يمكنك مراجعة عمليات sonication السابقة وتقييم النتيجة.
ميزة أخرى سهلة الاستخدام هي جهاز التحكم عن بعد المتصفح من أنظمة الموجات فوق الصوتية الرقمية لدينا. عن طريق التحكم في المتصفح البعيد يمكنك بدء وإيقاف وضبط ومراقبة المعالج بالموجات فوق الصوتية عن بعد من أي مكان.
اتصل بنا الآن لمعرفة المزيد عن لدينا عالية الأداء التجانس بالموجات فوق الصوتية يمكن تحسين مفاعل خزان الخاص أثار باستمرار (CSTR)!
الجدول أدناه يعطيك مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لultrasonicators لدينا:
| دفعة حجم | معدل المد و الجزر | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500ML | 10 إلى 200ML / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000ML | 20 إلى 400ML / دقيقة | Uf200 ः ر، UP400St |
| 00.1 إلى 20L | 00.2 إلى 4L / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L / دقيقة | UIP4000hdT |
| زمالة المدمنين المجهولين | 10 إلى 100L / دقيقة | UIP16000 |
| زمالة المدمنين المجهولين | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع عالية الأداء المجانسة بالموجات فوق الصوتية لخلط التطبيقات، تشتت، استحلاب واستخراج على المختبر، والطيارية ومقياس الصناعية.
الأدب / المراجع
- Suslick, Kenneth S.; Didenko, Yuri ; Fang, Ming M.; Hyeon, Taeghwan; Kolbeck, Kenneth J.; McNamara, William B.; Mdleleni, Millan M.; Wong, Mike (1999): Acoustic cavitation and its chemical consequences. In: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences Vol. 357, No. 1751, 1999. 335-353.
- Hoa Thi Truong, Manh Van Do, Long Duc Huynh, Linh Thi Nguyen, Anh Tuan Do, Thao Thanh Xuan Le, Hung Phuoc Duong, Norimichi Takenaka, Kiyoshi Imamura, Yasuaki Maeda (2018): Ultrasound-Assisted, Base-Catalyzed, Homogeneous Reaction for Ferulic Acid Production from γ-Oryzanol. Journal of Chemistry, Vol. 2018.
- Pollet, Bruno (2019): The Use of Power Ultrasound and Sonochemistry for the Production of Energy Materials. Ultrasonics Sonochemistry 64, 2019.
- Ádám, Adél; Szabados, Márton; Varga, Gábor; Papp, Ádám; Musza, Katalin; Kónya, Zoltán; Kukovecz, A.; Sipos, Pál; Palinko, Istvan (2020): Ultrasound-Assisted Hydrazine Reduction Method for the Preparation of Nickel Nanoparticles, Physicochemical Characterization and Catalytic Application in Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reaction. Nanomaterials 2020.
حقائق تستحق العلم
الإثارة بالموجات فوق الصوتية في المفاعلات الكيميائية تنتج نتائج أفضل من مفاعل دبابة التحريك المستمر التقليدية أو مفاعل batchmix. الهياج بالموجات فوق الصوتية تنتج المزيد من القص ونتائج أكثر استنساخا من المفاعلات النفاثة أثار، وذلك بسبب خلط السائل أفضل وتجهيزها في خزان المفاعل أو في مفاعل التدفق.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع عالية الأداء المجانسة بالموجات فوق الصوتية من مختبر إلى حجم الصناعية.