Ultrasəslə çalxalanan Davamlı Qarışdırılmış Tank Reaktorları

Davamlı qarışdırılan tank reaktorları (CSTR) kataliz, emulsiya kimyası, polimerləşmə, sintez, ekstraksiya və kristallaşma daxil olmaqla müxtəlif kimyəvi reaksiyalar üçün geniş şəkildə tətbiq olunur. Yavaş reaksiya kinetikası CSTR-də tez-tez rast gəlinən problemdir ki, bu problemin öhdəsindən güc-ultrasəsləşdirmənin tətbiqi ilə asanlıqla nail olmaq olar. Güclü ultrasəsin intensiv qarışdırma, təşviqat və sonokimyəvi təsirləri reaksiya kinetikasını sürətləndirir və çevrilmə sürətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Ultrasonikatorlar istənilən həcmdə CSTR-lərə asanlıqla inteqrasiya oluna bilər.

Davamlı qarışdırılan tank reaktoruna nə üçün güc-ultrasəs tətbiq etmək lazımdır?

Davamlı Qarışdırılan Tank Reaktoru (CSTR və ya sadəcə qarışdırılmış tank reaktoru (STR)) əsas xüsusiyyətlərinə görə partiya reaktoruna tamamilə bənzəyir. Əsas mühüm fərq ondan ibarətdir ki, davamlı qarışdırılmış çən reaktoru (CSTR) quraşdırması üçün materialın qidalanması reaktorun içərisinə və xaricinə davamlı axınla təmin edilməlidir. Reaktorun qidalanması cazibə axını və ya nasosdan istifadə edərək məcburi dövriyyə axını ilə əldə edilə bilər. CSTR bəzən geri qarışıq axın reaktoru (BMR) adlanır.
CSTRs adətən iki və ya daha çox mayenin qarışdırılması tələb olunduqda istifadə olunur. CSTR-lər tək reaktor kimi istifadə edilə bilər və ya müxtəlif konsentrasiya axınları və reaksiya mərhələləri üçün bir sıra konfiqurasiyalar kimi quraşdırıla bilər. Tək bir tank reaktorunun istifadəsi ilə yanaşı, müxtəlif tankların ardıcıl quraşdırılması (bir-birinin ardınca) və ya kaskad quruluşu ümumiyyətlə istifadə olunur.
Niyə ultrasəs? Ultrasəs qarışdırma və təşviqat, eləcə də güc ultrasəsinin sonokimyəvi təsirləri kimyəvi reaksiyaların səmərəliliyinə töhfə verdiyi bilinir. Ultrasonik vibrasiya və kavitasiya sayəsində təkmilləşdirilmiş qarışdırma və hissəcik ölçüsünün azalması əhəmiyyətli dərəcədə sürətlənmiş kinetik və təkmilləşdirilmiş çevrilmə sürətini təmin edir. Sonokimyəvi təsirlər kimyəvi reaksiyaları başlatmaq, kimyəvi yolları dəyişdirmək və daha tam bir reaksiyaya görə daha yüksək məhsul vermək üçün lazımi enerji verə bilər.

Ultrasonik intensivləşdirilmiş CSTR aşağıdakı kimi tətbiqlər üçün istifadə edilə bilər:

• Heterojen maye-maye reaksiyaları
• Heterojen bərk-maye reaksiyaları
• Homojen maye fazalı reaksiyalar
• Heterojen qaz-maye reaksiyaları
• Heterojen qaz-bərk-maye reaksiyaları

Yüksək Sürətli Sintetik Kimyəvi Sistem kimi Ultrasonication

Yüksək sürətli sintetik kimya kimyəvi sintezi başlatmaq və intensivləşdirmək üçün istifadə edilən yeni bir reaksiya texnikasıdır. Reflüks altında bir neçə saat və ya gün tələb edən ənənəvi reaksiya yolları ilə müqayisədə, ultrasəslə təşviq edilən sintez reaktorları reaksiya müddətini bir neçə dəqiqəyə qədər azalda bilər və nəticədə əhəmiyyətli dərəcədə sürətlənmiş sintez reaksiyası əldə edilir. Ultrasəs sintezinin intensivləşdirilməsi akustik kavitasiyanın iş prinsipinə və yerli məhdud qızdırma da daxil olmaqla onunla əlaqəli qüvvələrin əsasını təşkil edir. Növbəti bölmədə ultrasəs, akustik kavitasiya və sonokimya haqqında daha çox məlumat əldə edin.

Ultrasonik kavitasiya və onun sonokimyəvi təsirləri

Ultrasəs (və ya akustik) kavitasiya güc ultrasəsinin mayelərə və ya şlamlara birləşdirildiyi zaman baş verir. Kavitasiya maye fazasından buxar fazasına keçiddir ki, bu da təzyiqin mayenin buxar gərginliyi səviyyəsinə düşməsi nəticəsində baş verir.
Ultrasonik kavitasiya 1000m/s-ə qədər çox yüksək kəsmə qüvvələri və maye jetləri yaradır. Bu maye reaktivlər hissəcikləri sürətləndirir və hissəciklər arası toqquşmalara səbəb olur, bununla da bərk maddələrin və damcıların hissəcik ölçüsünü azaldır. Əlavə olaraq – partlayan kavitasiya qabarcığının daxilində və yaxınlığında lokallaşdırılmışdır – Yüzlərlə atmosfer səviyyəsində son dərəcə yüksək təzyiqlər və minlərlə Kelvin dərəcəsində temperatur yaranır.
Ultrasonication sırf mexaniki emal üsulu olsa da, o, yerli məhdud həddindən artıq temperatur artımı yarada bilər. Bu, bir neçə minlərlə dərəcə Selsi temperaturuna asanlıqla çata biləcəyi çökən kavitasiya qabarcıqlarının daxilində və onlara yaxın yerlərdə yaranan güclü qüvvələrlə bağlıdır. Kütləvi məhlulda tək bir qabarcıq partlaması nəticəsində yaranan temperatur artımı demək olar ki, əhəmiyyətsizdir, lakin kavitasiya qaynar nöqtələrində müşahidə edildiyi kimi çoxsaylı kavitasiya qabarcıqlarından istilik yayılması (yüksək güclü ultrasəs ilə sonikasiya nəticəsində yaranan) nəhayət ölçülə bilən temperatura səbəb ola bilər. kütləvi temperaturda yüksəlir. Ultrasonikasiya və sonokimyanın üstünlüyü emal zamanı idarə olunan temperatur təsirlərindədir: Kütləvi məhlulun temperatura nəzarəti soyutma gödəkçələri olan çənlərdən, eləcə də impulslu sonikasiyadan istifadə etməklə əldə edilə bilər. Hielscher Ultrasonics-in mürəkkəb ultrasəs aparatları yuxarı temperatur həddinə çatdıqda ultrasəsi dayandıra və müəyyən ∆T-nin aşağı dəyərinə çatan kimi ultrasəslə davam edə bilər. İstiliyə həssas reaktivlər istifadə edildikdə bu xüsusilə vacibdir.

Sonokimya Reaksiya Kinetikasını Təkmilləşdirir

Sonikasiya intensiv vibrasiya və kavitasiya yaratdığından kimyəvi kinetika təsirlənir. Kimyəvi sistemin kinetikası kavitasiya qabarcığının genişlənməsi və partlaması ilə sıx əlaqədə olur və bununla da qabarcıq hərəkətinin dinamikasına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Kimyəvi reaksiya məhlulunda həll olunan qazlar həm istilik effektləri, həm də kimyəvi təsirlər vasitəsilə sonokimyəvi reaksiyanın xüsusiyyətlərinə təsir göstərir. Termal təsirlər kavitasiya boşluğunda qabarcıqların çökməsi zamanı əldə edilən pik temperaturlara təsir edir; kimyəvi təsirlər reaksiyada birbaşa iştirak edən qazların təsirlərini dəyişdirir.
Suzuki birləşmə reaksiyaları, çökmə, kristallaşma və emulsiya kimyası da daxil olmaqla yavaş reaksiya kinetikası ilə heterojen və homojen reaksiyaların güc-ultrasəs və onun sonokimyəvi təsirləri vasitəsilə başlaması və təşviq edilməsi əvvəlcədən müəyyən edilmişdir.
Məsələn, ferul turşusunun sintezi üçün 180 Vt gücündə aşağı tezlikli (20kHz) sonikasiya 3 saat ərzində 60°C-də 94% ferul turşusu məhsulu verdi. Bu nəticələr Truong et al. (2018) aşağı tezlikli (buynuz növü və yüksək güclü şüalanma) istifadənin 90%-dən çox məhsul verərək çevrilmə sürətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırdığını nümayiş etdirir.

Ultrasəslə Gücləndirilmiş Emulsiya Kimyası

Emulsiya kimyası kimi heterojen reaksiyalar güc ultrasəsinin tətbiqindən əhəmiyyətli dərəcədə faydalanır. Ultrasonik kavitasiya hər bir fazanın damcılarını azaldıb bir-birinin içində homojen şəkildə payladı və sub-mikron və ya nano-emulsiya yaradır. Nano ölçülü damlacıqlar müxtəlif damcılarla qarşılıqlı əlaqədə olmaq üçün kəskin şəkildə artan səth sahəsi təklif etdiyi üçün kütlə ötürülməsi və reaksiya sürəti əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşır. Sonikasiya altında, adətən yavaş kinetikası ilə tanınan reaksiyalar, kəskin şəkildə yaxşılaşmış dönüşüm nisbətlərini, daha yüksək məhsuldarlığı, daha az yan məhsul və ya tullantıları və daha yaxşı ümumi səmərəliliyi göstərir. Ultrasonik olaraq təkmilləşdirilmiş emulsiya kimyası tez-tez emulsiyaların polimerləşməsi üçün tətbiq edilir, məsələn, polimer qarışıqları, su ilə ötürülən yapışdırıcılar və xüsusi polimerlər istehsal etmək üçün.

Kimyəvi reaktor almadan əvvəl bilməli olduğunuz 10 şey

Kimyəvi proses üçün kimyəvi reaktor seçdiyiniz zaman kimyəvi reaktorun optimal dizaynına təsir edən bir çox amil var. Kimyəvi prosesiniz çoxfazalı, heterojen kimyəvi reaksiyaları əhatə edirsə və yavaş reaksiya kinetikasına malikdirsə, reaktorun həyəcanlanması və prosesin aktivləşdirilməsi uğurlu kimyəvi çevrilmə və kimyəvi reaktorun iqtisadi (əməliyyat) xərclərinə mühüm təsir göstərən amillərdir.
Ultrasonication, kimyəvi toplu reaktorlarda və daxili reaksiya gəmilərində maye-maye və maye-bərk kimyəvi reaksiyaların reaksiya kinetikasını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Beləliklə, ultrasəs zondlarının kimyəvi reaktora inteqrasiyası reaktor xərclərini azalda və ümumi səmərəliliyi və son məhsulun keyfiyyətini yaxşılaşdıra bilər.
Çox vaxt kimyəvi reaktor mühəndisliyi ultrasəs köməyi ilə prosesin təkmilləşdirilməsi haqqında biliklərə malik deyil. Güc ultrasəsinin, ultrasəs həyəcanının, akustik kavitasiyanın və sonokimyəvi təsirlərin kimyəvi reaktorun performansına təsiri haqqında dərin bilik olmadan, kimyəvi reaktor analizi və ənənəvi dizayn əsasları yalnız aşağı nəticələr verə bilər. Aşağıda kimyəvi reaktorun dizaynı və optimallaşdırılması üçün ultrasəsin əsas faydaları haqqında ümumi məlumat əldə edəcəksiniz.

Ultrasonik olaraq Gücləndirilmiş Davamlı Qarışdırılmış Tank Reaktorunun (CSTR) Üstünlükləri

• • Laboratoriya və istehsal üçün ultrasəs təkmilləşdirilmiş reaktorlar:
    Asan ölçeklenebilirlik: Ultrasəs prosessorları laboratoriya ölçüsü, pilot və geniş miqyaslı istehsal üçün asanlıqla mövcuddur
    Təkrarlana bilən / təkrarlana bilən dəqiq idarə olunan ultrasəs parametrləri sayəsində nəticələr
    Tutum və reaksiya sürəti: ultrasəslə gücləndirilmiş reaksiyalar daha sürətli və bununla da daha qənaətlidir (aşağı xərclər)
  • Sonokimya ümumi və xüsusi məqsədlər üçün tətbiq olunur

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

• Ultrasonication partlayıcı mühitlərdə istifadə edilə bilər
  – təmizləmə (məsələn, azot örtüyü)
  – açıq səth yoxdur
• Sadə təmizləmə: özünü təmizləmə (CIP – təmiz yerdə)
• İstədiyiniz tikinti materiallarını seçin
  – şüşə, paslanmayan polad, titan
  – fırlanan möhür yoxdur
  – mastiklərin geniş seçimi
• Ultrasonikatorlar geniş temperatur diapazonunda istifadə edilə bilər
• Ultrasonikatorlar geniş təzyiq diapazonunda istifadə edilə bilər
• Digər texnologiyalarla sinergik təsir, məsələn, elektrokimya (sono-elektrokimya), kataliz (sono-kataliz), kristallaşma (sono-kristallaşma) və s.
• Sonication bioreaktorları artırmaq üçün idealdır, məsələn, fermentasiya.
• Əyilmə / Həlletmə: Həlletmə proseslərində hissəciklər bir fazadan digərinə keçir, məsələn, bərk hissəciklər mayedə həll edildikdə. Müəyyən edilmişdir ki, həyəcanlanma dərəcəsi prosesin sürətinə təsir edir. Bir çox kiçik kristallar ultrasəs kavitasiyası altında şərti olaraq qarışdırılan toplu reaktorlara nisbətən daha sürətli həll olunur. Burada da fərqli sürətlərin səbəbi hissəcik səthlərində fərqli kütlə ötürmə sürətlərindədir. Məsələn, ultrasəsləşmə kristallaşma proseslərində (sono-kristallaşma) supersaturated həllər yaratmaq üçün uğurla tətbiq olunur.
• Ultrasonik olaraq təşviq edilən kimyəvi ekstraksiya:
  – Maye-Bərk, məsələn, botanika hasilatı, kimyəvi ekstraksiya
  – Maye-Maye: Ultrasəs maye-maye ekstraksiya sisteminə tətbiq edildikdə, digər fazalardan birinin emulsiyası yaranır. Emulsiyanın bu formalaşması iki qarışmayan fazalar arasında interfasial sahələrin artmasına gətirib çıxarır ki, bu da fazalar arasında genişlənmiş kütlə ötürülməsi axını ilə nəticələnir.

Sonication qarışdırılmış tank reaktorlarında kimyəvi reaksiyaları necə yaxşılaşdırır?

• Daha böyük təmas sahəsi: Heterojen fazalarda reaktivlər arasındakı reaksiyalarda yalnız interfeysdə bir-biri ilə toqquşan hissəciklər reaksiya verə bilər. İnterfeys nə qədər böyük olsa, bir o qədər çox toqquşma baş verə bilər. Maddənin maye və ya bərk hissəsi daha kiçik damlacıqlara və ya fasiləsiz fazalı mayedə asılmış bərk hissəciklərə parçalandıqca bu maddənin səth sahəsi artır. Bundan əlavə, ölçülərin kiçilməsi nəticəsində hissəciklərin sayı artır və buna görə də bu hissəciklər arasındakı orta məsafə azalır. Bu, davamlı fazanın dispers fazaya məruz qalmasını yaxşılaşdırır. Buna görə də reaksiya sürəti dispers fazanın parçalanma dərəcəsi ilə artır. Dispersiyalar və ya emulsiyalardakı bir çox kimyəvi reaksiyalar ultrasəs hissəcik ölçüsünün azalması nəticəsində reaksiya sürətində kəskin irəliləyişlər göstərir.
• Kataliz (aktivləşdirmə enerjisi): Katalizatorlar bir çox kimyəvi reaksiyalarda, laboratoriya işlərində və sənaye istehsalında böyük əhəmiyyət kəsb edir. Çox vaxt katalizatorlar bərk və ya maye fazada olur və bir reaktiv və ya bütün reaktivlərlə qarışmır. Beləliklə, daha tez-tez kataliz heterojen bir kimyəvi reaksiyadır. Kükürd turşusu, ammonyak, azot turşusu, eten və metanol kimi ən mühüm əsas kimyəvi maddələrin istehsalında katalizatorlar mühüm rol oynayır. Ətraf mühit texnologiyasının geniş sahələri katalitik proseslərə əsaslanır. Zərrəciklərin toqquşması kimyəvi reaksiyaya, yəni atomların yenidən qruplaşmasına səbəb olur, yalnız hissəciklər kifayət qədər kinetik enerji ilə toqquşduqda. Ultrasonikasiya kimyəvi reaktorlarda kinetikanı artırmaq üçün yüksək effektiv vasitədir. Heterojen kataliz prosesində kimyəvi reaktor dizaynına ultrasəs əlavə edilməsi katalizator tələbini azalda bilər. Bu, daha az katalizator və ya daha aşağı, daha az nəcib katalizatorların istifadəsi ilə nəticələnə bilər.
• Daha yüksək əlaqə tezliyi / Təkmilləşdirilmiş kütlə ötürülməsi: Ultrasəs qarışdırma və qarışdırma reaksiyalar üçün daha yüksək aktiv səth təklif edən kiçik damlacıqlar və hissəciklər (yəni, sub-mikron və nanohissəciklər) yaratmaq üçün yüksək effektiv üsuldur. Güc-ultrasəsin yaratdığı əlavə gərgin təşviqat və mikro-hərəkət altında hissəciklərarası təmas tezliyi kəskin şəkildə artır və nəticədə çevrilmə sürəti əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşır.
• Sıxılmış plazma: Bir çox reaksiyalar üçün reaktorun temperaturunun 10 Kelvin artması reaksiya sürətinin təxminən iki dəfə artmasına səbəb olur. Ultrasəs kavitasiyası kimyəvi reaktorda mayenin ümumi həcmini əhəmiyyətli dərəcədə qızdırmadan maye içərisində 5000K-a qədər lokallaşdırılmış yüksək reaktiv qaynar nöqtələr yaradır.
• İstilik enerjisi: Kimyəvi reaktor dizaynına əlavə etdiyiniz hər hansı ultrasəs enerjisi nəhayət istilik enerjisinə çevriləcəkdir. Beləliklə, enerjini kimyəvi proses üçün təkrar istifadə edə bilərsiniz. Qızdırıcı elementlər və ya buxar tərəfindən istilik enerjisi daxil edilmək əvəzinə, ultrasəs yüksək tezlikli vibrasiya vasitəsilə mexaniki enerjini aktivləşdirən bir prosesi təqdim edir. Kimyəvi reaktorda bu, kimyəvi prosesi bir neçə səviyyədə aktivləşdirən ultrasəs kavitasiyası yaradır. Nəhayət, kimyəvi maddələrin böyük ultrasəslə kəsilməsi istilik enerjisinə, yəni istiliyə çevrilir. Kimyəvi reaksiyanız üçün sabit proses temperaturunu saxlamaq üçün soyutma üçün gödəkçəli toplu reaktorlardan və ya daxili reaktorlardan istifadə edə bilərsiniz.

CSTR-də Təkmilləşdirilmiş Kimyəvi Reaksiyalar üçün Yüksək Performanslı Ultrasonikatorlar

Hielscher Ultrasonics, davamlı qarışdırılmış tank reaktorlarına (CSTR) inteqrasiya üçün yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları və disperserləri dizayn edir, istehsal edir və paylayır. Hielscher ultrasəs cihazları kimyəvi reaksiyaları təşviq etmək, gücləndirmək, sürətləndirmək və təkmilləşdirmək üçün dünyada istifadə olunur.
Hielscher Ultrasonics’ ultrasəs prosessorları kiçik laboratoriya cihazlarından axın kimyası tətbiqləri üçün böyük sənaye prosessorlarına qədər istənilən ölçüdə mövcuddur. Ultrasəs amplitüdünün dəqiq tənzimlənməsi (ən vacib parametrdir) Hielscher ultrasəs aparatlarını aşağıdan çox yüksək amplitüdlərdə işlətməyə və amplitüdü xüsusi kimyəvi reaksiya sisteminin tələb olunan ultrasəs proses şərtlərinə dəqiq uyğunlaşdırmağa imkan verir.
Hielscher-in ultrasəs generatoru məlumatların avtomatik protokollaşdırılması ilə ağıllı bir proqram təmin edir. Ultrasəs enerjisi, temperatur, təzyiq və vaxt kimi bütün vacib emal parametrləri cihaz işə salınan kimi avtomatik olaraq daxili SD kartda saxlanılır.
Prosesin monitorinqi və məlumatların qeydi prosesin davamlı standartlaşdırılması və məhsulun keyfiyyəti üçün vacibdir. Avtomatik qeydə alınan proses məlumatlarına daxil olmaqla, siz əvvəlki sonikasiya işlərini nəzərdən keçirə və nəticəni qiymətləndirə bilərsiniz.
Başqa bir istifadəçi dostu xüsusiyyət bizim rəqəmsal ultrasəs sistemlərimizin brauzerin uzaqdan idarə edilməsidir. Uzaqdan brauzer idarəetməsi vasitəsilə siz istənilən yerdən uzaqdan ultrasəs prosessorunuzu işə sala, dayandıra, tənzimləyə və nəzarət edə bilərsiniz.
Yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorlarımız haqqında daha çox məlumat əldə etmək üçün bizimlə indi əlaqə saxlayın!
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal qabiliyyətinin göstəricisini verir: