Ultrasəslə qarışdırılan fasiləsiz qarışdırmalı çən reaktorları

Fasiləsiz qarışdırmalı çən reaktorları (CSTR) kataliz, emulsiya kimyası, polimerləşmə, sintez, ekstraksiya və kristallaşma daxil olmaqla müxtəlif kimyəvi reaksiyalar üçün geniş tətbiq olunur. CSTR-də reaksiyaların yavaş kinetikası geniş yayılmış problemdir və güclü ultrasəs emalının tətbiqi ilə asanlıqla aradan qaldırıla bilər. Güclü ultrasəsin yaratdığı intensiv qarışdırma, çalxalama və sonokimyəvi təsirlər reaksiyaların kinetikasını sürətləndirir və çevrilmə dərəcəsini əhəmiyyətli dərəcədə artırır. Ultrasəs cihazları istənilən həcmli CSTR-ə asanlıqla inteqrasiya edilə bilər.

Fasiləsiz qarışdırmalı çən reaktoruna güclü ultrasəs niyə tətbiq edilməlidir?

Fasiləsiz qarışdırmalı çən reaktoru (CSTR, yaxud sadəcə qarışdırmalı çən reaktoru (STR)) əsas xüsusiyyətlərinə görə dövri reaktora çox bənzəyir. Əsas mühüm fərq ondan ibarətdir ki, fasiləsiz qarışdırmalı çən reaktoru (CSTR) quruluşunda materialın reaktora daxil olması və reaktordan çıxması fasiləsiz axınla təmin edilməlidir. Reaktorun qidalandırılması cazibə qüvvəsi hesabına axınla və ya nasosdan istifadə etməklə məcburi dövriyyə axını ilə həyata keçirilə bilər. CSTR bəzən əks qarışdırmalı axın reaktoru (BMR) adlandırılır.
CSTR-lər adətən iki və ya daha çox mayenin qarışdırılması tələb olunduqda istifadə edilir. CSTR-lər tək reaktor kimi istifadə edilə və ya müxtəlif konsentrasiyalı axınlar və reaksiya mərhələləri üçün ardıcıl konfiqurasiyalar şəklində quraşdırıla bilər. Tək çən reaktorunun istifadəsi ilə yanaşı, bir neçə çənin ardıcıl quraşdırılması (bir-birinin ardınca) və ya kaskad quruluşu da geniş tətbiq olunur.
Niyə ultrasəs emalı? Ultrasəslə qarışdırma və çalxalamanın, eləcə də güclü ultrasəsin sonokimyəvi təsirlərinin kimyəvi reaksiyaların səmərəliliyinə töhfə verdiyi yaxşı məlumdur. Ultrasəs rəqsləri və kavitasiya nəticəsində qarışdırmanın yaxşılaşması və hissəcik ölçüsünün azalması kinetikanın əhəmiyyətli dərəcədə sürətlənməsini və çevrilmə dərəcəsinin artmasını təmin edir. Sonokimyəvi təsirlər kimyəvi reaksiyaları başlatmaq, kimyəvi reaksiya yollarını dəyişmək üçün zəruri enerjini təmin edə və reaksiyanın daha tam getməsi sayəsində daha yüksək məhsul çıxımı verə bilər.

Ultrasəslə intensivləşdirilmiş CSTR aşağıdakı tətbiqlər üçün istifadə edilə bilər:

• Heterogen maye–maye reaksiyaları
• Heterogen bərk maddə–maye reaksiyaları
• Homogen maye fazalı reaksiyalar
• Heterogen qaz–maye reaksiyaları
• Heterogen qaz–bərk maddə–maye reaksiyaları

Ultrasəs emalı yüksək sürətli kimyəvi sintez sistemi kimi

Yüksək sürətli sintez kimyası kimyəvi sintezi başlatmaq və intensivləşdirmək üçün istifadə olunan yeni reaksiya üsuludur. Əks soyuducu altında bir neçə saat və ya gün tələb edən ənənəvi reaksiya yolları ilə müqayisədə ultrasəslə gücləndirilən sintez reaktorları reaksiya müddətini bir neçə dəqiqəyə qədər azalda bilər və nəticədə sintez reaksiyası əhəmiyyətli dərəcədə sürətlənir. Sintezin ultrasəslə intensivləşdirilməsi akustik kavitasiyanın iş prinsipinə və onunla əlaqəli qüvvələrə, o cümlədən lokal sahə ilə məhdudlaşan ifrat qızmaya əsaslanır. Növbəti bölmədə ultrasəs, akustik kavitasiya və sonokimya haqqında daha ətraflı məlumat əldə edin.

Ultrasəs kavitasiyası və onun sonokimyəvi təsirləri

Ultrasəs (və ya akustik) kavitasiyası güclü ultrasəs enerjisi mayelərə və ya suspenziyalara ötürüldükdə baş verir. Kavitasiya maye fazadan buxar fazasına keçiddir və təzyiqin mayenin buxar təzyiqi səviyyəsinə qədər enməsi nəticəsində yaranır.
Ultrasəs kavitasiyası çox yüksək kəsilmə qüvvələri və sürəti 1000m/s-ə qədər çatan maye şırnaqları yaradır. Bu maye şırnaqları hissəcikləri sürətləndirir və hissəciklərarası toqquşmalara səbəb olur, bununla da bərk maddələrin hissəcik ölçüsünü və damcıların ölçüsünü azaldır. Bundan əlavə, içəriyə çökən kavitasiya qabarcığının daxilində və bilavasitə yaxınlığında lokal olaraq yüzlərlə atmosfer miqyasında son dərəcə yüksək təzyiqlər və minlərlə Kelvin dərəcəsi miqyasında temperaturlar yaranır.
Ultrasəs emalı tamamilə mexaniki emal üsulu olsa da, lokal sahə ilə məhdudlaşan həddindən artıq temperatur artımı yarada bilər. Bu, çökən kavitasiya qabarcıqlarının daxilində və bilavasitə yaxınlığında yaranan intensiv qüvvələrlə bağlıdır; burada bir neçə min Selsi dərəcəsinə asanlıqla çatmaq mümkündür. Məhlulun ümumi həcmində tək bir qabarcığın içəriyə çökməsindən yaranan temperatur artımı demək olar ki, əhəmiyyətsizdir, lakin kavitasiya qaynar nöqtələrində müşahidə olunduğu kimi (yüksək güclü ultrasəslə emal nəticəsində yaranan) çoxsaylı kavitasiya qabarcıqlarından istiliyin yayılması sonda ümumi həcmdə ölçülə bilən temperatur artımına səbəb ola bilər. Ultrasəs emalının və sonokimyanın üstünlüyü emal zamanı temperatur təsirlərinin idarə oluna bilməsindədir: məhlulun ümumi həcminin temperaturuna nəzarət soyuducu köynəkli çənlərdən, eləcə də impuls rejimində ultrasəs emalından istifadə etməklə təmin edilə bilər. Hielscher Ultrasonics şirkətinin qabaqcıl ultrasəs cihazları yuxarı temperatur həddinə çatdıqda ultrasəsi dayandıra və təyin olunmuş ∆T-nin aşağı qiymətinə çatan kimi ultrasəs emalını davam etdirə bilər. Bu, xüsusilə istiliyə həssas reaktivlərdən istifadə edildikdə vacibdir.

Sonokimya reaksiyaların kinetikasını yaxşılaşdırır

Ultrasəs emalı intensiv rəqslər və kavitasiya yaratdığı üçün kimyəvi kinetikaya təsir göstərir. Kimyəvi sistemin kinetikası kavitasiya qabarcığının genişlənməsi və içəriyə çökməsi ilə sıx əlaqəlidir və bununla da qabarcığın hərəkət dinamikasına əhəmiyyətli dərəcədə təsir edir. Kimyəvi reaksiya məhlulunda həll olmuş qazlar həm istilik, həm də kimyəvi təsirlər vasitəsilə sonokimyəvi reaksiyanın xüsusiyyətlərinə təsir göstərir. İstilik təsirləri kavitasiya boşluğunda qabarcığın çökməsi zamanı çatan pik temperaturlara təsir edir; kimyəvi təsirlər isə reaksiyada birbaşa iştirak edən qazların təsirlərini dəyişdirir.
Suzuki qoşulma reaksiyaları, çökdürmə, kristallaşma və emulsiya kimyası daxil olmaqla yavaş reaksiya kinetikasına malik heterogen və homogen reaksiyalar güclü ultrasəs və onun sonokimyəvi təsirləri ilə başladılmaq və gücləndirilmək üçün xüsusilə əlverişlidir.
Məsələn, ferul turşusunun sintezi üçün 180 W gücündə aşağı tezlikli (20kHz) ultrasəs emalı 60°C-də 3 h ərzində 94% ferul turşusu çıxımı vermişdir. Truong və həmmüəlliflərinin (2018) bu nəticələri göstərir ki, aşağı tezlikdən istifadə (buynuz tipli qurğu və yüksək güclü şüalandırma) çevrilmə dərəcəsini əhəmiyyətli dərəcədə artıraraq 90%-dən yüksək çıxım vermişdir.

Ultrasəslə intensivləşdirilmiş emulsiya kimyası

Emulsiya kimyası kimi heterogen reaksiyalar güclü ultrasəsin tətbiqindən əhəmiyyətli fayda əldə edir. Ultrasəs kavitasiyası hər fazanın damcılarını kiçildir və onları bir-birinin daxilində homogen şəkildə paylayaraq submikron və ya nanoemulsiya yaradır. Nanoölçülü damcılar digər damcılarla qarşılıqlı təsir üçün kəskin şəkildə artmış səth sahəsi təmin etdiyindən kütlə ötürülməsi və reaksiya sürəti əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşır. Ultrasəs emalı zamanı adətən yavaş kinetikası ilə tanınan reaksiyalar kəskin şəkildə yaxşılaşmış çevrilmə dərəcələri, daha yüksək çıxım, daha az əlavə məhsul və ya tullantı və daha yaxşı ümumi səmərəlilik göstərir. Ultrasəslə yaxşılaşdırılmış emulsiya kimyası tez-tez emulsiya polimerləşməsi üçün, məsələn, polimer qarışıqları, su əsaslı yapışdırıcılar və xüsusi təyinatlı polimerlər istehsal etmək üçün tətbiq olunur.

Kimyəvi reaktor almadan əvvəl bilməli olduğunuz 10 məqam

Kimyəvi proses üçün kimyəvi reaktor seçərkən reaktorun optimal layihələndirilməsinə təsir edən bir çox amil var. Kimyəvi prosesiniz çoxfazalı, heterogen kimyəvi reaksiyaları əhatə edirsə və yavaş reaksiya kinetikasına malikdirsə, reaktorda qarışdırma və prosesin aktivləşdirilməsi uğurlu kimyəvi çevrilmə və kimyəvi reaktorun qənaətli (istismar) xərcləri üçün mühüm təsiredici amillərdir.
Ultrasəs emalı dövri kimyəvi reaktorlarda və axın xəttindəki reaksiya qablarında maye–maye və maye–bərk maddə kimyəvi reaksiyalarının kinetikasını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Buna görə də ultrasəs zondlarının kimyəvi reaktora inteqrasiyası reaktor xərclərini azalda, ümumi səmərəliliyi və son məhsulun keyfiyyətini yaxşılaşdıra bilər.
Çox vaxt kimyəvi reaktorların layihələndirilməsində ultrasəs vasitəsilə prosesin yaxşılaşdırılması haqqında biliklər çatışmır. Güclü ultrasəsin, ultrasəslə qarışdırmanın, akustik kavitasiyanın və sonokimyəvi təsirlərin kimyəvi reaktorun iş göstəricilərinə təsiri haqqında dərin bilik olmadan kimyəvi reaktorun təhlili və ənənəvi layihələndirmə əsasları yalnız zəif nəticələr verə bilər. Aşağıda kimyəvi reaktorların layihələndirilməsi və optimallaşdırılması üçün ultrasəsin əsas üstünlüklərinin icmalını əldə edəcəksiniz.

Ultrasəslə intensivləşdirilmiş fasiləsiz qarışdırmalı çən reaktorunun (CSTR) üstünlükləri

• • Laboratoriya və istehsal üçün ultrasəslə təkmilləşdirilmiş reaktorlar:
    Miqyasın asan artırılması: Ultrasəs prosessorları laboratoriya, pilot və genişmiqyaslı istehsal üçün asanlıqla əldə edilə bilər
    Yenidən əldə edilə bilən / təkrarlana bilən nəticələr – dəqiq idarə oluna bilən ultrasəs parametrləri sayəsində
    Məhsuldarlıq və reaksiya sürəti: ultrasəslə intensivləşdirilmiş reaksiyalar daha sürətlidir və buna görə də daha qənaətlidir (daha aşağı xərclər)
  • Sonokimya həm ümumi, həm də xüsusi məqsədlər üçün tətbiq oluna bilər

– uyğunlaşma qabiliyyəti və çox yönlülük, məsələn, çevik quraşdırma və quruluş seçimləri və fənlərarası istifadə

• Ultrasəs emalı partlayış təhlükəli mühitlərdə istifadə edilə bilər
  – qazla təmizləmə (məsələn, azot örtüyü)
  – açıq səthin olmaması
• Sadə təmizləmə: özünü təmizləmə (CIP – yerində təmizləmə)
• Üstünlük verdiyiniz konstruksiya materiallarını seçin
  – şüşə, paslanmayan polad, titan
  – fırlanan kipləşdiricilərin olmaması
  – kipləşdirmə materiallarının geniş seçimi
• Ultrasəs cihazları geniş temperatur diapazonunda istifadə edilə bilər
• Ultrasəs cihazları geniş təzyiq diapazonunda istifadə edilə bilər
• Digər texnologiyalarla, məsələn, elektrokimya (sonoelektrokimya), kataliz (sonokataliz), kristallaşma (sonokristallaşma) və s. ilə sinergik təsir.
• Ultrasəs emalı bioreaktorların işini, məsələn, fermentasiyanı yaxşılaşdırmaq üçün idealdır.
• Həllolma / Həlletmə: Həllolma proseslərində hissəciklər bir fazadan digərinə keçir, məsələn, bərk hissəciklər mayedə həll olduqda. Qarışdırma intensivliyinin prosesin sürətinə təsir etdiyi müəyyən edilmişdir. Ultrasəs kavitasiyası altında çoxlu kiçik kristal ənənəvi qaydada qarışdırılan dövri reaktorlardakı bir kristaldan daha sürətlə həll olur. Burada da sürət fərqinin səbəbi hissəcik səthlərində kütlə ötürülməsi sürətlərinin fərqli olmasıdır. Məsələn, ultrasəs emalı ifrat doymuş məhlullar yaratmaq üçün, o cümlədən kristallaşma proseslərində (sonokristallaşma) uğurla tətbiq olunur.
• Ultrasəslə gücləndirilən kimyəvi ekstraksiya:
  – Maye–bərk maddə, məsələn, bitkilərdən ekstraksiya, kimyəvi ekstraksiya
  – Maye–maye: Ultrasəs maye–maye ekstraksiya sisteminə tətbiq edildikdə bir fazanın digərində emulsiyası yaranır. Bu emulsiyanın yaranması bir-biri ilə qarışmayan iki faza arasındakı fazalararası səth sahələrinin artmasına gətirib çıxarır və nəticədə fazalar arasında kütlə ötürülməsi axını güclənir.

Ultrasəs emalı qarışdırmalı çən reaktorlarında kimyəvi reaksiyaları necə yaxşılaşdırır?

• Daha böyük təmas səthi sahəsi: Heterogen fazalardakı reaktivlər arasında gedən reaksiyalarda yalnız fazalararası sərhəddə bir-biri ilə toqquşan hissəciklər reaksiyaya girə bilər. Fazalararası səth nə qədər böyük olarsa, bir o qədər çox toqquşma baş verə bilər. Maddənin maye və ya bərk hissəsi fasiləsiz maye fazada asılı vəziyyətdə olan daha kiçik damcılara və ya bərk hissəciklərə parçalandıqca bu maddənin səth sahəsi artır. Bundan əlavə, ölçünün azalması nəticəsində hissəciklərin sayı artır və buna görə də bu hissəciklər arasındakı orta məsafə azalır. Bu, fasiləsiz fazanın dispers faza ilə təmasını yaxşılaşdırır. Buna görə də reaksiya sürəti dispers fazanın parçalanma dərəcəsi ilə artır. Dispersiyalarda və ya emulsiyalarda gedən bir çox kimyəvi reaksiya ultrasəs vasitəsilə hissəcik ölçüsünün azaldılması nəticəsində reaksiya sürətində kəskin yaxşılaşma göstərir.
• Kataliz (aktivləşmə enerjisi): Katalizatorlar bir çox kimyəvi reaksiyada, laboratoriya işləmələrində və sənaye istehsalında böyük əhəmiyyət daşıyır. Katalizatorlar çox vaxt bərk və ya maye fazada olur və bir reaktivlə və ya bütün reaktivlərlə qarışmır. Buna görə də kataliz əksər hallarda heterogen kimyəvi reaksiyadır. Sulfat turşusu, ammonyak, nitrat turşusu, eten və metanol kimi ən mühüm əsas kimyəvi maddələrin istehsalında katalizatorlar mühüm rol oynayır. Ekoloji texnologiyaların böyük sahələri katalitik proseslərə əsaslanır. Hissəciklərin toqquşması yalnız hissəciklər kifayət qədər kinetik enerji ilə toqquşduqda kimyəvi reaksiyaya, yəni atomların yenidən qruplaşmasına səbəb olur. Ultrasəs emalı kimyəvi reaktorlarda kinetikanı sürətləndirmək üçün yüksək səmərəli vasitədir. Heterogen kataliz prosesində kimyəvi reaktorun konstruksiyasına ultrasəsin əlavə edilməsi katalizatora olan tələbatı azalda bilər. Bu, daha az katalizatorun və ya daha aşağı keyfiyyətli, daha az nəcib katalizatorların istifadəsi ilə nəticələnə bilər.
• Daha yüksək təmas tezliyi / Daha yaxşı kütlə ötürülməsi: Ultrasəslə qarışdırma və çalxalama reaksiyalar üçün daha böyük aktiv səth təmin edən çox kiçik damcılar və hissəciklər (yəni submikron və nanohissəciklər) yaratmaq üçün çox təsirli üsuldur. Güclü ultrasəsin yaratdığı əlavə intensiv qarışdırma və mikrohərəkət şəraitində hissəciklərarası təmas tezliyi kəskin şəkildə artır və nəticədə çevrilmə dərəcəsi əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşır.
• Sıxılmış plazma: Bir çox reaksiya üçün reaktor temperaturunun 10 Kelvin artması reaksiya sürətinin təxminən ikiqat artmasına səbəb olur. Ultrasəs kavitasiyası kimyəvi reaktordakı mayenin ümumi həcmini əhəmiyyətli dərəcədə qızdırmadan mayenin daxilində temperaturu 5000K-ə qədər çatan lokal, yüksək reaktivliyə malik qaynar nöqtələr yaradır.
• İstilik enerjisi: Kimyəvi reaktorun konstruksiyasına daxil etdiyiniz istənilən ultrasəs enerjisi sonda istilik enerjisinə çevriləcək. Buna görə də enerjini kimyəvi proses üçün yenidən istifadə edə bilərsiniz. Qızdırıcı elementlər və ya buxar vasitəsilə istilik enerjisi daxil etmək əvəzinə ultrasəs emalı yüksək tezlikli rəqslər vasitəsilə prosesi aktivləşdirən mexaniki enerji daxil edir. Kimyəvi reaktorda bu, kimyəvi prosesi bir neçə səviyyədə aktivləşdirən ultrasəs kavitasiyası yaradır. Sonda kimyəvi maddələrə ultrasəsin yaratdığı nəhəng kəsilmə təsiri enerjinin istilik enerjisinə, yəni istiliyə çevrilməsi ilə nəticələnir. Kimyəvi reaksiyanız üçün sabit proses temperaturunu saxlamaq məqsədilə soyutma üçün köynəkli dövri reaktorlardan və ya axın xəttindəki reaktorlardan istifadə edə bilərsiniz.

CSTR-də kimyəvi reaksiyaları yaxşılaşdırmaq üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazları

Hielscher Ultrasonics fasiləsiz qarışdırmalı çən reaktorlarına (CSTR) inteqrasiya üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorları və dispersləşdiriciləri layihələndirir, istehsal edir və paylayır. Hielscher ultrasəs cihazları kimyəvi reaksiyaları gücləndirmək, intensivləşdirmək, sürətləndirmək və yaxşılaşdırmaq üçün bütün dünyada istifadə olunur.
Hielscher Ultrasonics şirkətinin ultrasəs prosessorları axın kimyası tətbiqləri üçün kiçik laboratoriya cihazlarından böyük sənaye prosessorlarına qədər istənilən ölçüdə mövcuddur. Ultrasəs amplitudasının (ən mühüm parametrin) dəqiq tənzimlənməsi Hielscher ultrasəs cihazlarını aşağıdan çox yüksəyə qədər amplitudalarda işlətməyə və amplitudanı konkret kimyəvi reaksiya sisteminin tələb olunan ultrasəs proses şərtlərinə tam uyğun şəkildə incə tənzimləməyə imkan verir.
Hielscher ultrasəs generatorunda məlumatların avtomatik qeydə alınmasını təmin edən ağıllı proqram təminatı var. Ultrasəs enerjisi, temperatur, təzyiq və vaxt kimi bütün mühüm emal parametrləri cihaz işə salınan kimi daxili SD kartda avtomatik saxlanılır.
Prosesin izlənməsi və məlumatların qeydə alınması prosesin davamlı standartlaşdırılması və məhsulun keyfiyyəti üçün vacibdir. Avtomatik qeydə alınmış proses məlumatlarına daxil olmaqla əvvəlki ultrasəs emalı seanslarını nəzərdən keçirə və nəticəni qiymətləndirə bilərsiniz.
Digər istifadəçi yönümlü xüsusiyyət rəqəmsal ultrasəs sistemlərimizin brauzer vasitəsilə məsafədən idarə olunmasıdır. Brauzer vasitəsilə məsafədən idarəetmə ilə ultrasəs prosessorunuzu istənilən yerdən uzaqdan işə sala, dayandıra, tənzimləyə və izləyə bilərsiniz.
Yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorlarımızın fasiləsiz qarışdırmalı çən reaktorunuzu (CSTR) necə yaxşılaşdıra biləcəyi haqqında daha ətraflı məlumat almaq üçün indi bizimlə əlaqə saxlayın!
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal məhsuldarlığı haqqında təsəvvür yaradır: