مفاعلات الخزانات المحركة باستمرار بالموجات فوق الصوتية
يتم تطبيق مفاعلات الخزانات التي يتم تحريكها باستمرار (CSTR) على نطاق واسع في التفاعلات الكيميائية المختلفة بما في ذلك الحفز وكيمياء المستحلب والبلمرة والتوليف والاستخراج والتبلور. حركية رد الفعل البطيء هي مشكلة شائعة في CSTR ، والتي يمكن التغلب عليها بسهولة عن طريق تطبيق الموجات فوق الصوتية للطاقة. يعمل الخلط المكثف والإثارة والتأثيرات الكيميائية للموجات فوق الصوتية للطاقة على تسريع حركية التفاعل وتحسين معدل التحويل بشكل كبير. يمكن دمج الموجات فوق الصوتية بسهولة في CSTRs من أي حجم.
لماذا تطبيق الموجات فوق الصوتية على مفاعل خزان يتم تحريكه باستمرار؟
مفاعل الخزان المتقلب باستمرار (CSTR ، أو ببساطة مفاعل الخزان المقلب (STR)) هو في خصائصه الرئيسية مشابه تماما لمفاعل الدفعات. الفرق 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 تدفق الدوران القسري باستخدام مضخة. يطلق على CSTR أحيانا مفاعل التدفق المختلط الخلفي (BMR).
تستخدم CSTRs بشكل شائع عند الحاجة إلى تحريض اثنين أو أكثر من السوائل. يمكن استخدام CSTRs كمفاعل واحد أو تركيبها كسلسلة من التكوينات لتيارات التركيز المختلفة وخطوات التفاعل. إلى جانب استخدام مفاعل صهريج واحد ، يشيع استخدام التركيب التسلسلي للخزانات المختلفة (واحدة تلو الأخرى) أو الإعداد المتتالي.
لماذا الموجات فوق الصوتية؟ من المعروف أن الخلط بالموجات فوق الصوتية والإثارة بالإضافة إلى التأثيرات الكيميائية للموجات فوق الصوتية للطاقة تساهم في كفاءة التفاعلات الكيميائية. يوفر الخلط المحسن وتقليل حجم الجسيمات بسبب الاهتزازات فوق الصوتية والتجويف حركية متسارعة بشكل كبير ومعدل تحويل محسن. يمكن أن توفر تأثيرات Sonochemical الطاقة اللازمة لبدء التفاعلات الكيميائية ، وتبديل المسارات الكيميائية ، وإعطاء عوائد أعلى بسبب تفاعل أكثر اكتمالا.
يمكن استخدام CSTR المكثف بالموجات فوق الصوتية لتطبيقات مثل:
- تفاعلات السائل السائل غير المتجانسة
- تفاعلات صلبة سائلة غير متجانسة
- تفاعلات الطور السائل المتجانسة
- تفاعلات الغاز والسائل غير المتجانسة
- تفاعلات الغاز والصلب والسائل غير المتجانسة
الموجات فوق الصوتية كنظام كيميائي اصطناعي عالي السرعة
الكيمياء الاصطناعية عالية السرعة هي تقنية تفاعل جديدة تستخدم لبدء وتكثيف التخليق الكيميائي. بالمقارنة مع مسارات التفاعل التقليدية ، التي تحتاج إلى عدة ساعات أو أيام تحت الارتجاع ، يمكن لمفاعلات التوليف التي يتم الترويج لها بالموجات فوق الصوتية تقليل مدة التفاعل إلى بضع دقائق مما يؤدي إلى تفاعل تخليقي متسارع كبير. يعتمد تكثيف التوليف بالموجات فوق الصوتية على مبدأ عمل التجويف الصوتي والقوى المرتبطة به بما في ذلك التسخين الفائق المحصور محليا. تعرف على المزيد حول الموجات فوق الصوتية والتجويف الصوتي والكيمياء الصوتية في القسم التالي.
التجويف بالموجات فوق الصوتية وآثاره سونوكيميائية
يحدث التجويف بالموجات فوق الصوتية (أو الصوتية) عندما تقترن الموجات فوق الصوتية بالسوائل أو الملاط. التجويف هو الانتقال من الطور السائل إلى مرحلة البخار ، والذي يحدث بسبب انخفاض الضغط إلى مستوى توتر بخار السائل.
يخلق التجويف بالموجات فوق الصوتية قوى قص عالية جدا ونفاثات سائلة تصل إلى 1000 م / ث. تعمل هذه النفاثات السائلة على تسريع الجسيمات وتسبب تصادمات بين الجسيمات وبالتالي تقليل حجم الجسيمات للمواد الصلبة والقطرات. الاضافه الي ذلك – موضعي داخل وعلى مقربة من فقاعة التجويف المتفجرة – يتم توليد ضغوط عالية للغاية على ترتيب مئات الأغلفة الجوية ودرجات الحرارة بترتيب آلاف درجات كلفن.
على الرغم من أن الموجات فوق الصوتية هي طريقة معالجة ميكانيكية بحتة ، إلا أنها يمكن أن تنتج ارتفاعا في درجة الحرارة القصوى المحصورة محليا. ويرجع ذلك إلى القوى الشديدة المتولدة داخل وعلى مقربة من فقاعات التجويف المنهارة ، حيث يمكن الوصول بسهولة إلى درجات حرارة تصل إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية. في الحل السائب ، تكون الزيادة في درجة الحرارة الناتجة عن انفجار فقاعة واحدة ضئيلة تقريبا ، ولكن تبديد الحرارة من العديد من فقاعات التجويف كما لوحظ في النقاط الساخنة للتجويف (كما تم إنشاؤه بواسطة صوتنة مع الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة) يمكن أن يسبب أخيرا زيادات قابلة للقياس في درجة الحرارة في درجة الحرارة السائبة. تكمن ميزة الموجات فوق الصوتية والكيمياء الصوتية في تأثيرات درجة الحرارة التي يمكن التحكم فيها أثناء المعالجة: يمكن تحقيق التحكم في درجة حرارة المحلول السائب باستخدام الخزانات ذات سترات التبريد بالإضافة إلى صوتنة نابضة. Hielscher الموجات فوق الصوتية 'ultrasonics متطورة يمكن إيقاف الموجات فوق الصوتية مؤقتا عند الوصول إلى الحد الأقصى لدرجة الحرارة والاستمرار في الموجات فوق الصوتية بمجرد الوصول إلى القيمة المنخفضة لمجموعة ∆T. هذا مهم بشكل خاص عند استخدام المتفاعلات الحساسة للحرارة.
سونوكيمياء يحسن حركية التفاعل
منذ صوتنة يولد الاهتزازات الشديدة والتجويف ، تتأثر الحركية الكيميائية. ترتبط حركية النظام الكيميائي ارتباطا وثيقا بتمدد فقاعة التجويف والانفجار الداخلي ، حيث تؤثر على ديناميكيات حركة الفقاعة بشكل كبير. تؤثر الغازات الذائبة في محلول التفاعل الكيميائي على خصائص التفاعل الكيميائي عبر كل من التأثيرات الحرارية والتأثيرات الكيميائية. تؤثر التأثيرات الحرارية على درجات الحرارة القصوى التي يتم الوصول إليها أثناء انهيار الفقاعة داخل فراغ التجويف. التأثيرات الكيميائية تعدل تأثيرات الغازات ، والتي تشارك مباشرة في التفاعل.
التفاعلات غير المتجانسة والمتجانسة مع حركية التفاعل البطيء بما في ذلك تفاعلات اقتران سوزوكي ، الترسيب ، التبلور وكيمياء المستحلب مقدر لها أن تبدأ وتعزز من خلال الموجات فوق الصوتية للطاقة وتأثيراتها الكيميائية الصوتية.
على سبيل المثال ، بالنسبة لتخليق حمض الفيروليك ، أعطت صوتنة التردد المنخفض (20 كيلو هرتز) بقوة 180 واط عائدا بنسبة 94٪ من حمض الفيروليك عند 60 درجة مئوية في 3 ساعات. هذه النتائج التي أجراها Truong et al. (2018) تثبت أن استخدام التردد المنخفض (نوع القرن والإشعاع عالي الطاقة) أدى إلى تحسين معدل التحويل بشكل كبير مما يعطي عوائد أعلى من 90٪.
كيمياء مستحلب مكثفة بالموجات فوق الصوتية
تستفيد التفاعلات غير المتجانسة مثل كيمياء المستحلب بشكل كبير من تطبيق الموجات فوق الصوتية للطاقة. قلل التجويف بالموجات فوق الصوتية ووزع قطرات كل مرحلة بشكل متجانس داخل بعضها البعض مما أدى إلى إنشاء ميكرون فرعي أو مستحلب نانو. نظرا لأن القطرات ذات الحجم النانوي توفر مساحة سطح متزايدة بشكل كبير للتفاعل مع القطرات المختلفة ، فقد تم تحسين نقل الكتلة ومعدل التفاعل بشكل كبير. تحت صوتنة ، ردود الفعل المعروفة لحركيتها البطيئة عادة تظهر معدلات تحويل محسنة بشكل كبير ، وعوائد أعلى ، ومنتجات ثانوية أقل أو نفايات ، وكفاءة إجمالية أفضل. غالبا ما يتم تطبيق كيمياء المستحلب المحسنة بالموجات فوق الصوتية لبلمرة المستحلبات ، على سبيل المثال ، لإنتاج خلطات البوليمر والمواد اللاصقة المنقولة بالماء والبوليمرات المتخصصة.
10 أشياء يجب أن تعرفها ، قبل أن تشتري مفاعلا كيميائيا
عندما تختار مفاعلا كيميائيا لعملية كيميائية ، هناك العديد من العوامل التي تؤثر على التصميم الأمثل للمفاعل الكيميائي. إذا كانت عمليتك الكيميائية تتضمن تفاعلات كيميائية متعددة المراحل وغير متجانسة ولها حركية تفاعل بطيئة ، فإن تحريك المفاعل وتنشيط العملية هما عاملان أساسيان مؤثران على التحويل الكيميائي الناجح وللتكاليف الاقتصادية (التشغيلية) للمفاعل الكيميائي.
يعمل Ultrasonication على تحسين حركية التفاعل للتفاعلات الكيميائية السائلة والسائلة الصلبة في مفاعلات الدفعات الكيميائية وأوعية التفاعل المضمنة بشكل كبير. وبالتالي ، فإن دمج المجسات فوق الصوتية في مفاعل كيميائي يمكن أن يقلل من تكاليف المفاعل ويحسن الكفاءة الكلية وجودة المنتج النهائي.
في كثير من الأحيان ، تفتقر هندسة المفاعلات الكيميائية إلى المعرفة حول تحسين العملية بمساعدة الموجات فوق الصوتية. بدون معرفة عميقة حول تأثير الموجات فوق الصوتية للطاقة ، والتحريض بالموجات فوق الصوتية ، والتجويف الصوتي والتأثيرات الكيميائية على أداء المفاعل الكيميائي ، يمكن أن يؤدي تحليل المفاعل الكيميائي وأساسيات التصميم التقليدية إلى نتائج رديئة فقط. أدناه ، سوف تحصل على نظرة عامة على الفوائد الأساسية للموجات فوق الصوتية لتصميم المفاعل الكيميائي وتحسينه.
مزايا مفاعل الخزان المستمر المكثف بالموجات فوق الصوتية (CSTR)
-
- المفاعلات المحسنة بالموجات فوق الصوتية للمختبر والإنتاج:
سهولة التوسع: المعالجات بالموجات فوق الصوتية متاحة بسهولة لحجم المختبر ، والإنتاج التجريبي والواسع النطاق
قابلة للتكرار / قابلة للتكرار النتائج بسبب المعلمات بالموجات فوق الصوتية التي يمكن التحكم فيها بدقة
القدرة وسرعة رد الفعلردود الفعل المكثفة بالموجات فوق الصوتية أسرع وبالتالي أكثر اقتصادا (تكاليف أقل): - Sonochemistry قابل للتطبيق للأغراض العامة والخاصة
- المفاعلات المحسنة بالموجات فوق الصوتية للمختبر والإنتاج:
– التكيف & تعدد الاستخدامات ، على سبيل المثال ، خيارات التثبيت والإعداد المرنة والاستخدام متعدد التخصصات
- الموجات فوق الصوتية يمكن استخدامها في البيئات المتفجرة
– التطهير (على سبيل المثال ، بطانية النيتروجين)
– لا يوجد سطح مفتوح - تنظيف بسيط: التنظيف الذاتي (CIP) – التنظيف في المكان)
- اختر مواد البناء المفضلة لديك
– زجاج, ستانلس ستيل, تيتانيوم
– لا الأختام الدوارة
– مجموعة واسعة من المواد المانعة للتسرب - يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية في مجموعة واسعة من درجات الحرارة
- يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية في مجموعة واسعة من الضغوط
- تأثير تآزري مع التقنيات الأخرى ، على سبيل المثال ، الكيمياء الكهربائية (الكيمياء الكهربية الصوتية) ، الحفز (التحفيز الصوتي) ، التبلور (التبلور الصوتي) إلخ.
- Sonication مثالي لتعزيز المفاعلات الحيوية ، على سبيل المثال ، التخمير.
- الذوبان / الذوبان: في عمليات الذوبان ، تنتقل الجسيمات من مرحلة إلى أخرى ، على سبيل المثال عندما تذوب الجسيمات الصلبة في سائل. وجد أن درجة التحريض تؤثر على سرعة العملية. تذوب العديد من البلورات الصغيرة بشكل أسرع بكثير تحت التجويف بالموجات فوق الصوتية من تلك الموجودة في مفاعلات الدفعات التقليدية. هنا أيضا ، يكمن سبب اختلاف السرعات في معدلات نقل الكتلة المختلفة على أسطح الجسيمات. على سبيل المثال ، يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية بنجاح لإنشاء حلول فائقة التشبع ، على سبيل المثال ، في عمليات التبلور (تبلور سونو).
- استخراج المواد الكيميائية التي يتم الترويج لها بالموجات فوق الصوتية:
– السائل الصلب ، على سبيل المثال استخراج النباتات ، والاستخراج الكيميائي
– السائل السائل: عندما يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية على نظام استخراج السائل السائل ، يتم إنشاء مستحلب لإحدى المراحل في المرحلة الأخرى. يؤدي هذا التكوين للمستحلب إلى زيادة المناطق البينية بين المرحلتين غير القابلة للامتزاج مما يؤدي إلى تدفق نقل الكتلة المعزز بين المراحل.
كيف يحسن Sonication التفاعلات الكيميائية في مفاعلات الخزانات المقلوبة؟
- مساحة سطح تلامس أكبر: في التفاعلات بين المتفاعلات في المراحل غير المتجانسة، يمكن أن تتفاعل فقط الجسيمات التي تصطدم بعضها ببعض عند الواجهة. كلما كبرت الواجهة ، يمكن أن تحدث المزيد من الاصطدامات. عندما يتكسر جزء سائل أو صلب من مادة ما إلى قطرات أصغر أو جزيئات صلبة معلقة في سائل مستمر الطور ، تزداد مساحة سطح هذه المادة. علاوة على ذلك ، نتيجة لتقليل الحجم ، يزداد عدد الجسيمات وبالتالي ينخفض متوسط المسافة بين هذه الجسيمات. هذا يحسن تعرض المرحلة المستمرة للمرحلة المشتتة. لذلك ، يزداد معدل التفاعل مع درجة تجزئة مرحلة التشتت. تظهر العديد من التفاعلات الكيميائية في التشتت أو المستحلبات تحسينات جذرية في سرعة التفاعل نتيجة لتقليل حجم الجسيمات بالموجات فوق الصوتية.
- الحفز (طاقة التنشيط): المحفزات لها أهمية كبيرة في العديد من التفاعلات الكيميائية ، في تطوير المختبرات والإنتاج الصناعي. عادة ما تكون العوامل الحفازة في الطور الصلب أو السائل وغير قابلة للامتزاج مع متفاعل واحد أو جميع المتفاعلات. ومن ثم، فإن الحفز في أغلب الأحيان هو تفاعل كيميائي غير متجانس. في إنتاج أهم المواد الكيميائية الأساسية مثل حمض الكبريتيك والأمونيا وحمض النيتريك والإيثين والميثانول ، تلعب المحفزات دورا مهما. تعتمد مساحات كبيرة من التكنولوجيا البيئية على العمليات الحفازة. يؤدي تصادم الجسيمات إلى تفاعل كيميائي ، أي إعادة تجميع الذرات ، فقط إذا اصطدمت الجسيمات بطاقة حركية كافية. الموجات فوق الصوتية هي وسيلة فعالة للغاية لزيادة الحركية في المفاعلات الكيميائية. في عملية التحفيز غير المتجانسة ، يمكن أن تؤدي إضافة الموجات فوق الصوتية إلى تصميم مفاعل كيميائي إلى تقليل الحاجة إلى محفز. يمكن أن يؤدي هذا إلى استخدام عامل حفاز أقل أو عوامل حفازة أقل شأنا وأقل نبلا.
- ارتفاع وتيرة الاتصال / تحسين نقل الكتلة: يعد الخلط والإثارة بالموجات فوق الصوتية طريقة فعالة للغاية لتوليد قطرات وجزيئات دقيقة (أي جزيئات دون ميكرون وجسيمات نانو) ، والتي توفر سطحا نشطا أعلى للتفاعلات. في ظل التحريض الشديد الإضافي والحركة الدقيقة التي تسببها الموجات فوق الصوتية للطاقة ، يزداد تواتر الاتصال بين الجسيمات بشكل كبير مما يؤدي إلى تحسن كبير في معدل التحويل.
- البلازما المضغوطة: بالنسبة للعديد من التفاعلات ، تؤدي زيادة 10 كلفن في درجة حرارة المفاعل إلى مضاعفة معدل التفاعل تقريبا. ينتج التجويف بالموجات فوق الصوتية نقاط ساخنة موضعية عالية التفاعل تصل إلى 5000 كلفن داخل السائل ، دون تسخين كبير لحجم السائل الكلي في المفاعل الكيميائي.
- الطاقة الحرارية: أي طاقة فوق صوتية تضيفها إلى تصميم مفاعل كيميائي ، سيتم تحويلها أخيرا إلى طاقة حرارية. لذلك ، يمكنك إعادة استخدام الطاقة للعملية الكيميائية. بدلا من إدخال الطاقة الحرارية عن طريق عناصر التسخين أو البخار ، تقدم الموجات فوق الصوتية عملية تنشيط الطاقة الميكانيكية عن طريق الاهتزازات عالية التردد. في المفاعل الكيميائي ، ينتج هذا التجويف بالموجات فوق الصوتية الذي ينشط العملية الكيميائية على مستويات متعددة. أخيرا ، يؤدي القص الهائل بالموجات فوق الصوتية للمواد الكيميائية إلى التحويل إلى طاقة حرارية ، أي الحرارة. يمكنك استخدام مفاعلات الدفعات المغلفة أو المفاعلات المضمنة للتبريد من أجل الحفاظ على درجة حرارة عملية ثابتة للتفاعل الكيميائي.
الموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتحسين التفاعلات الكيميائية في CSTR
Hielscher Ultrasonics تصميم وتصنيع وتوزيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء والمشتتات للاندماج في مفاعلات خزان التحريك المستمر (CSTR). تستخدم الموجات فوق الصوتية Hielscher في جميع أنحاء العالم لتعزيز وتكثيف وتسريع وتحسين التفاعلات الكيميائية.
Hielscher Ultrasonics’ تتوفر المعالجات بالموجات فوق الصوتية بأي حجم من أجهزة المختبرات الصغيرة إلى المعالجات الصناعية الكبيرة لتطبيقات كيمياء التدفق. الضبط الدقيق للسعة بالموجات فوق الصوتية (وهو المعلمة الأكثر أهمية) يسمح لتشغيل الموجات فوق الصوتية Hielscher في السعات منخفضة إلى عالية جدا وضبط السعة بالضبط لظروف عملية الموجات فوق الصوتية المطلوبة لنظام التفاعل الكيميائي المحدد.
يتميز مولد الموجات فوق الصوتية Hielscher ببرنامج ذكي مع بروتوكول تلقائي للبيانات. يتم تخزين جميع معلمات المعالجة المهمة مثل الطاقة فوق الصوتية ودرجة الحرارة والضغط والوقت تلقائيا على بطاقة SD مدمجة بمجرد تشغيل الجهاز.
تعد مراقبة العمليات وتسجيل البيانات مهمة لتوحيد العمليات المستمر وجودة المنتج. من خلال الوصول إلى بيانات العملية المسجلة تلقائيا ، يمكنك مراجعة عمليات تشغيل الصوتنة السابقة وتقييم النتيجة.
ميزة أخرى سهلة الاستخدام هي جهاز التحكم عن بعد في المتصفح لأنظمتنا الرقمية بالموجات فوق الصوتية. عبر التحكم في المتصفح عن بعد ، يمكنك بدء تشغيل المعالج بالموجات فوق الصوتية وإيقافه وضبطه ومراقبته عن بعد من أي مكان.
اتصل بنا الآن لمعرفة المزيد عن المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي يمكن أن تحسن مفاعل الخزان المقلب باستمرار (CSTR)!
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
---|---|---|
1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
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 المعرفة
ينتج عن التحريض بالموجات فوق الصوتية في المفاعلات الكيميائية نتائج أفضل من مفاعل الخزان التقليدي المستمر أو مفاعل الدفعات. ينتج عن التحريض بالموجات فوق الصوتية المزيد من القص ونتائج أكثر قابلية للتكرار من المفاعلات ذات التحريك النفاث ، بسبب خلط ومعالجة السوائل بشكل أفضل في خزان المفاعل أو في مفاعل التدفق.
انقر هنا لمعرفة المزيد حول مبدأ العمل والتطبيقات وتوسيع نطاق المجانسات بالموجات فوق الصوتية!