Химични реактори, усъвършенствани чрез ултразвуково въздействие – Видове, конструкции и механизми
Химическите реактори са в сърцевината на индустриалната химия, синтеза на материали, производството на фини химикали, фармацевтичното производство и преработката на отпадъци. Тъй като индустриите търсят по-бързи, по-чисти и по-енергийно ефективни процеси, соникацията, известна още като ултразвукова обработка, се превърна във все по-актуален метод за интензифициране на реакторните процеси. Технологията на ултразвуковите реактори преобразува химическата преработка, като подобрява смесването, масообмена, реакционната кинетика и хетерогенната катализа в реакторни системи с периодичен и непрекъснат режим на работа.
Как ултразвуковото обработване подобрява работата на химическите реактори
Чрез въвеждането на ултразвук с висока мощност в химически реактор инженерите могат да предизвикат ултразвуково смесване чрез колебателен поток и акустична кавитация в реакционната среда. Тези механизми подобряват контакта между реагентите, ускоряват масообмена и могат да повишат скоростта на реакцията, селективността и добива. Ултразвуковата обработка е особено ефективна в системи „твърдо-течно“, като например хетерогенната катализа, и в системи „течно-течно“, като например емулгиране, екстракция и двуфазни реакции. Тя се използва по-рядко в смеси „газ-течност“, тъй като акустичната кавитация се генерира по-малко ефективно в течности с високо съдържание на газ.
При проектирането на съвременните сонохимични реактори течностите се разбъркват чрез ултразвукови колебания и кавитация, като обикновено се използват амплитуди в диапазона от 10 до 200 µm. Това позволява постигането на мощни микроскопични ефекти на смесване, които са трудни за постигане само с конвенционално механично разбъркване.
Вграден ултразвуков апарат UIP4000hdT с проточна клетка за ускоряване на химичните реакции
Защо ултразвуковото обработване повишава ефективността на химическите реактори
Промишленото значение на ултразвуковата обработка се състои в способността ѝ да влияе върху химичните и физичните транспортни явления на микро- и мезомащаб. За разлика от конвенционалното разбъркване, ултразвукът не се ограничава само до преместване на течността като цяло. Той генерира налягателни вълни, колебателни движения, кавитационни мехурчета и локализирани зони с висока енергия.
Когато акустичните кавитационни мехурчета се образуват, нарастват и се разрушават, те създават интензивни микросреди. Тези явления могат да предизвикат:
- високи локални срязващи сили
- микроструи в близост до твърди повърхности
- ударни вълни
- бързо микросмесване
- подобрено разпръскване на частиците
- подобрен контакт между фазите
- ускорен пренос на маса и топлина
- ефекти от почистването на повърхността и активирането на катализатора
Тези явления правят ултразвуковата обработка изключително ценна за интензифицирането на технологичните процеси, особено когато реакциите са ограничени от дифузия, слаб контакт между фазите, запушване на катализатора или недостатъчно смесване.
Ултразвукова обработка в реактори за периодична работа
Реакторите за периодична работа се използват широко в лаборатории, пилотни инсталации и при производството на специализирани химикали. Те са гъвкави, лесни за експлоатация и подходящи за скрининг на реакции, синтез на малки обеми и продукти с висока стойност.
Когато ултразвуковото обработване се прилага в реактори за периодична работа, то може значително да подобри смесването и равномерността на реакцията. Ултразвуковите сонди, поточните клетки или външно монтираните преобразуватели могат да въвеждат акустична енергия директно в реакционната среда.
В системите за партидно производство ултразвуковата обработка е особено полезна за:
- хетерогенна катализа
- Синтез на наночастици
- контрол на кристализацията
- емулгиране
- Екстракция
- полимеризация
- разтваряне и диспергиране на твърди вещества
При реакциите между твърди и течни вещества ултразвукът може да предотврати агломерацията на частиците и да подобри достъпа до каталитичните или реактивните повърхности. В системи от типа „течност-течност“ ултразвуковото обработване може да създаде фини емулсии и да увеличи междуфазовата повърхност между несмесими фази, което често води до по-високи реакционни скорости.
Реактори с непрекъснат поток за непрекъсната сонохимична обработка
Реакторите с непрекъснат поток са сред най-важните конструкции в областта на промишлената ултразвукова обработка. Вместо да се обработва фиксиран обем течност, реакционната смес непрекъснато преминава през камерата на ултразвуковия реактор.
Този дизайн е изключително привлекателен за мащабиране, тъй като позволява на инженерите да контролират по-прецизно времето на престой, дебита, температурата, налягането и подаваната ултразвукова енергия. Проточните сонохимични реактори често се използват, когато се изискват постоянни показатели за качеството на продукта и непрекъсната работа.
Сред основните предимства на реакторите с променлив поток и ултразвуково обработване са:
- възможност за непрекъснато производство
- подобрена възпроизводимост на процеса
- по-добър контрол на температурата
- контролирано разпределение на времето на престой
- по-лесна интеграция в промишлените производствени линии
- мащабируема архитектура на реактора
В тези системи ултразвуковото смесване чрез колебателен поток може да подобри радиалното и аксиалното смесване, да намали концентрационните градиенти и да подобри взаимодействието между реагентите. Това е особено ценно в процеси, при които ефективността на реакцията зависи от бърз контакт между фазите или бързо разпръскване.
Ултразвукова вложка за измерване на дебита MultiPhaseCavitator
MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 е специализирана вложка за ултразвукови реактори с проточни клетки на Hielscher, предназначена за усилване на процесите „течност-течност“ и „течност-газ“ директно в зоната на ултразвуковата кавитация. Чрез впръскване на втора течна или газова фаза през 48 фини канюли в основния течен поток, MultiPhaseCavitator създава много малки капчици или газови мехурчета с голяма специфична междуфазова повърхност. Това го прави особено ефективен за ултразвукова емулгиране, при което несмесими фази се диспергират във фини емулсии, както и за каталитични газови реакции, при които впръсканата газова фаза бързо се диспергира и влиза в интимен контакт с течната фаза, разтворените реагенти или суспендираните катализатори. Получаващото се кавитационно срязване, микросмесването и подобреният масов пренос могат да подобрят реакционната кинетика, контакта на границата между фазите и ефективността на процеса при непрекъснат или периодичен поток.
Соникатор UIP2000hdT с реактор за химически партидни процеси
Проектиране на химически реактори и предимствата на ултразвуковата обработка
| Тип реактор | Типично приложение | Основни ефекти от ултразвуковата обработка | Техническа значимост |
|---|---|---|---|
| Реактори за суспензии | Хетерогенна катализа с частици твърд катализатор в суспензия в течна фаза; използва се при хидрогениране, окисляване, преобразуване на биомаса, процеси от типа на Фишер-Тропш, фотокатализа и пречистване на отпадъчни води. | Ултразвуковата обработка подобрява дисперсията на катализатора, деагломерацията на частиците, намаляването на граничния слой, обновяването на повърхността, масообмена между течност и твърдо вещество, почистването на повърхността на катализатора и намаляването на наслагванията. | Това е особено важно, тъй като много каталитични реакции в суспензионна фаза се ограничават от степента, в която реагентите достигат активните центрове. Акустичната кавитация засилва контакта на границата между катализатора и течността и може да подобри кинетиката на реакцията. |
| Реактори с непрекъснато разбъркване (CSTR) | Непрекъснати реакции в течна фаза, емулгиране, каталитични реакции, утаяване, кристализация, полимерни реакции и суспензии от твърдо вещество в течност. | Ултразвукът подобрява микросмесването, суспендирането на частиците, емулгирането, диспергирането и локалното подаване на енергия. Той може да се комбинира с механично разбъркване, за да се подобри както макросмесването, така и микросмесването. | CSTR-системите с ултразвуково обработване са полезни, когато конвенционалните работни колела не могат напълно да премахнат мъртвите зони, лошото разпръскване или локалните ограничения при масообмена. Ултразвукът спомага за постигането на по-равномерни реакционни условия и подобрява интензификацията на процеса. |
| Реактори с неподвижно легло | Стационарни каталитични слоеве, използвани при хидрогениране, окисляване, екологична катализа, нефтохимическа преработка и хетерогенна катализа в течна фаза. | Ултразвуковата обработка може да подобри смачкването на катализатора, движението на течността през слоя, намаляването на граничния слой, почистването на повърхността, ограничаването на наслагванията и масообмена към каталитичните центрове. | Ефективността на фиксираните слоеве често се ограничава от канализиране, лошо овлажняване, съпротивление на дифузията и образуване на отлагания. Интензифицирането на процеса чрез ултразвук може да подобри използването на катализатора и равномерността на реакцията. |
| Реактори с флуидизирано легло | Динамични слоеве от суспендирани частици, използвани в катализа, обработката на частици, нанасянето на покрития, полимеризацията, сушенето и реакциите между твърди и течни вещества. | Ултразвуковото възбуждане може да подобри дисперсията на частиците, да намали агломерацията, да подобри контакта между течността и твърдото вещество, да стабилизира суспензиите и да подобри достъпността до повърхността на катализатора. | Ултразвуковото обработване е особено ефективно в флуидизирани легла от течност и твърдо вещество, където кавитацията може да се генерира ефективно. В системи с високо съдържание на газ кавитацията е по-малко ефективна, което прави ултразвука по-подходящ за приложения в реактори на течна основа. |
| Мембранни реактори | Интегрирани системи за реакция и разделяне, използвани за селективно отделяне на продукти, дозиране на реагенти, каталитични мембранни процеси и реакции, подпомагани от филтрация. | Ултразвукът може да намали замърсяването на мембраната, да подобри потока на пермеата, да улесни почистването на повърхността, да намали концентрационната поляризация и да подобри смесването в близост до границата на мембраната. | Ултразвуковата обработка свързва реакционното инженерство с науката за разделянето. Тя е особено ценна в случаите, когато наслагванията, съпротивлението при масообмена или слабата връзка между реакцията и разделянето ограничават производителността на мембранния реактор. |
Механизми за интензифициране на ултразвуковия реактор
Предимствата на ултразвуковата обработка в химическите реактори се дължат на няколко взаимодействащи си механизма.
- Акустичната кавитация е най-важният механизъм. Тя включва образуването, нарастването и разрушаването на микроскопични мехурчета в течност, подложена на ултразвук с висока интензивност. Разрушаването на мехурчетата води до локализирано освобождаване на енергия и силни механични сили.
- Акустичното струене създава равномерно движение на течността, предизвикано от ултразвукови вълни. Това подобрява смесването и транспортирането в зони, където механичното разбъркване може да е недостатъчно.
- Смесването чрез осцилиращо течение възниква, когато ултразвуковите вибрации предизвикват бързо движение на течността напред-назад. В реакторните системи амплитуди от приблизително 10 до 200 µm могат да осигурят изключително ефективно разбъркване и подобрен масов пренос.
- Микроструйното действие и ударните вълни възникват в близост до колабиращи кавитационни мехурчета, особено в непосредствена близост до твърди повърхности. Тези ефекти могат да почистят повърхностите на катализаторите, да разрушат граничните слоеве и да подобрят достъпа на течността до активните центрове.
- Увеличаването на повърхностната площ е особено важно в системи от типа „течност-течност“. Ултразвукът може да създава фини капчици и стабилни дисперсии, като по този начин увеличава площта, достъпна за реакция или масов пренос.
Взети заедно, тези механизми превръщат ултразвуковата обработка в мощен инструмент за интензифициране на химическите реактори.
Промишлено значение на проектирането на сонохимични реактори
Промишленото значение на реакторите с ултразвуково обработване не се изчерпва само с по-бързото смесване. Ултразвуковото обработване предоставя възможност за манипулиране на реакционните условия в мащаби, които конвенционалното оборудване не може лесно да достигне.
В химичното инженерство много от ограниченията на реакторите се дължат по-скоро на транспортни явления, отколкото на самите скорости на реакцията. Реагентите може да не достигнат каталитичните центрове достатъчно бързо. Несмесимите течности може да имат недостатъчна контактна площ. Твърдите вещества може да се агломерират. Мембраните може да се замърсят. Повърхностите на катализаторите може да се запушат.
Ултразвуковата обработка преодолява тези ограничения чрез пряко подобряване на физическите условия вътре в реактора. Това я прави подходяща за редица приоритети в областта на научните изследвания и промишлеността:
- по-екологична химическа обработка
- по-ниска консумация на енергия и разтворители
- повишена ефективност на катализатора
- по-висока селективност на реакцията
- по-бързо разработване на процесите
- непрекъснато производство
- усъвършенствани модулни реакторни системи
- синтез на съвременни материали
- устойчиво преобразуване на биомаса и потоци от отпадъци
За изследователите ултразвуковата обработка предлага контролиран метод за изучаване на връзката между вложената акустична енергия, кавитационното поведение, подобряването на транспорта и химичните характеристики. За промишлеността тя предлага практически път към компактни, ефективни и мащабируеми реакторни системи.
Ултразвуков хомогенизатор UIP2000hdT за химични реакции в поточния реактор
Предимства на ултразвуковата обработка в химическите реактори
Включването на ултразвука в проектирането на реакторите предлага редица експлоатационни и научни предимства:
- по-висока скорост на реакцията благодарение на подобрения масов пренос
- по-добро смесване в многофазни системи
- подобрено разпръскване на твърди частици и капчици
- по-ефективно използване на катализатора
- ограничения, свързани с намалената дифузия
- по-чисти повърхности на катализатора и мембраната
- подобрена възпроизводимост на процеса в поточни системи
- възможно понижение на температурата, налягането или времето за реакция
- съвместимост с периодичен и непрекъснат режим на работа
- голямо значение за хетерогенната катализа и двуфазните реакции
Тези предимства правят технологията на ултразвуковите реактори особено привлекателна за производството на фини химикали, специализирани химикали, катализа, наноматериали, „зелена“ химия и интензифициране на технологичните процеси.
Ултразвукова стъклена проточна клетка
Повишете производителността на вашия химически реактор с ултразвуковите апарати на Hielscher!
Ултразвуковите апарати на Hielscher са изключително подходящи за индивидуална интеграция в химически реактори, тъй като се предлагат като надеждни ултразвукови системи с висока мощност, снабдени с адаптивни сонотроди, проточни клетки, вложки за реактори и специфични за процеса аксесоари. В зависимост от конфигурацията на реакцията, ултразвуковите процесори на Hielscher могат да бъдат инсталирани в реактори за периодична работа, реактори с непрекъснато разбъркване, реактори с вграден поток, рециркулационни контури, системи под налягане, както и в пилотни или производствени инсталации. Тази гъвкавост позволява ултразвукът да се прилага точно там, където кавитацията е най-ефективна: на границата между течност и твърдо вещество, течност и течност или течност и газ. Hielscher Ultrasonics предлага също така различни видове ултразвукови реактори за периодична и поточна работа, които позволяват контролирана сонохимична обработка, емулгиране, диспергиране, активиране на катализатори, почистване на повърхности, интензифициране на масовия пренос и ускоряване на реакциите. Благодарение на прецизния контрол на амплитудата, входната мощност, температурата, налягането, дебита и времето на престой, ултразвуковите апарати на Hielscher могат да бъдат адаптирани към специфичните изисквания на лабораторните изследвания, разработването на процеси, мащабирането и промишленото химическо производство.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15 л/мин | UIP6000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000hdT |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000hdT |
Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия
Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.
Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.
Ултразвуков хомогенизатор UIP1500hdT с поточен реактор, снабден с охлаждаща риза за регулиране на температурата на процеса по време на ултразвуковата обработка.
Често задавани въпроси
Какво представляват химическите реактори?
Химическите реактори са специално проектирани съдове или системи, в които се провеждат химични реакции при контролирани условия, като температура, налягане, смесване, време на престой и концентрация на реагентите. Тяхната цел е да преобразуват суровините в желаните продукти с определен добив, селективност и ефективност на процеса.
Кои са основните видове химически реактори?
Основните видове химически реактори включват реактори за периодична работа, реактори с непрекъснато разбъркване, реактори с линейно течение, реактори с фиксирано легло, реактори с флуидизирано легло, реактори за суспензия, мембранни реактори, както и фотохимични или електрохимични реактори. Всеки тип реактор се различава по поведението на потока, режима на смесване, характеристиките на топло- и масопренос, както и по пригодността си за хомогенни или хетерогенни реакции.
Каква е разликата между реактор с флуидизирано легло и реактор с неподвижно легло?
В реактор с фиксирано легло твърдите частици на катализатора остават неподвижни, докато реагентите преминават през набитото катализаторно легло. В реактор с флуидизирано легло течността, движеща се нагоре, суспендира и премества твърдите частици, създавайки динамично легло със силно смесване, подобрен топлообмен и по-добър контакт между частиците и течността. Фиксираните легла са по-прости и механично стабилни, докато флуидизираните легла осигуряват по-висока ефективност на смесването и топлообмена, но изискват по-сложно управление на потока.
Какво представлява каталитичният слой?
Каталитичният слой представлява определен обем от твърди каталитични частици, разположени вътре в реактора. Той осигурява активната повърхност, върху която протичат химичните реакции. Каталитичните слоеве могат да бъдат стационарни, както в реакторите с фиксиран слой, или динамично суспендирани, както в реакторите с флуидизиран слой. Тяхната ефективност зависи от активността на катализатора, размера на частиците, порьозността, повърхностната площ, разпределението на потока, топлообмена и масообмена.
Литература / Препратки
- Yu, Hang Gao, Jing; Zhong, Qili; Guo, Yahui; Xie, Yunfei; Yao, Weirong; Zhou, Weibiao (2018): Acoustic pressure and temperature distribution in a novel continuous ultrasonic tank reactor: a simulation study. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2018.
- Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
- M. Ajmal, S. Rusli, G. Fieg (2016): Modeling and experimental validation of hydrodynamics in an ultrasonic batch reactor. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 28, 2016. 218-229.
- L. Castrillón, E. Marañón, Y. Fernández-Nava, P. Ormaechea, G. Quiroga (2013): Thermophilic co-digestion of cattle manure and food waste supplemented with crude glycerin in induced bed reactor (IBR). Bioresource Technology, Volume 136, 2013. 73-77.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.