Химични реактори, подобрени чрез ултразвукова обработка – видове, конструкции и механизми
Химичните реактори са в основата на промишлената химия, синтеза на материали, производството на фини химикали, фармацевтичното производство и процесите за опазване на околната среда. Тъй като промишлените отрасли търсят по-бързи, по-чисти и по-енергийно ефективни процеси, ултразвуковата обработка се превръща във все по-значим метод за интензифициране на процесите в реакторите. Технологията на ултразвуковите реактори преобразява химичната преработка, като подобрява смесването, масообмена, кинетиката на реакциите и хетерогенната катализа в периодични и непрекъснати реакторни системи.
Как ултразвуковата обработка подобрява химичните реактори
Чрез въвеждане на ултразвук с висока мощност в химичен реактор инженерите могат да предизвикат смесване чрез ултразвуков осцилиращ поток и акустична кавитация в реакционната среда. Тези механизми подобряват контакта между реагентите, ускоряват масообмена и могат да повишат скоростта на реакциите, селективността и добива. Ултразвуковата обработка е особено ефективна в системи твърдо вещество–течност, например при хетерогенна катализа, и в системи течност–течност, например при емулгиране, екстракция и двуфазни реакции. Тя се използва по-рядко в смеси газ–течност, тъй като акустичната кавитация се генерира по-неефективно в течности с високо съдържание на газ.
При съвременното проектиране на сонохимични реактори флуидите се разбъркват чрез ултразвукови колебания и кавитация, обикновено с амплитуди в диапазона от 10 до 200 µm. Това позволява мощни ефекти на смесване на микроскопично ниво, които трудно могат да се постигнат само с конвенционално механично разбъркване.
Ултразвуков апарат UIP4000hdT за работа в технологична линия с проточна клетка за интензифицирани химични реакции
Защо ултразвуковата обработка интензифицира процесите в химичните реактори
Промишленото значение на ултразвуковата обработка се дължи на способността ѝ да влияе върху химични и физични преносни явления на микро- и мезониво. За разлика от конвенционалното разбъркване, ултразвукът не просто задвижва целия обем течност. Той генерира вълни на налягане, осцилиращо движение, кавитационни мехурчета и локализирани високоенергийни зони.
Когато мехурчетата на акустичната кавитация се образуват, нарастват и колапсират, те създават микросреди с интензивно въздействие. Тези явления могат да предизвикат:
- високи локални сили на срязване
- микроструи в близост до твърди повърхности
- ударни вълни
- бързо микросмесване
- подобрено диспергиране на частици
- подобрен контакт между фазите
- ускорен масо- и топлообмен
- ефекти на почистване на повърхности и активиране на катализатори
Тези явления правят ултразвуковата обработка изключително ценна за интензифицирането на процесите, особено когато реакциите са ограничени от дифузия, слаб контакт между фазите, замърсяване на катализатора или недостатъчно смесване.
Ултразвукова обработка в периодични реактори
Периодичните реактори се използват широко в лаборатории, пилотни инсталации и производството на специализирани химикали. Те са гъвкави, лесни за експлоатация и подходящи за скрининг на реакции, синтез в малки обеми и продукти с висока стойност.
Когато ултразвуковата обработка се прилага в периодични реактори, тя може значително да подобри смесването и равномерността на реакцията. Ултразвукови сонди, проточни клетки или външно монтирани преобразуватели могат да въвеждат акустична енергия директно в реакционната среда.
В периодични системи ултразвуковата обработка е особено полезна за:
- хетерогенна катализа
- синтез на наночастици
- контрол на кристализацията
- емулгиране
- екстракция
- полимеризация
- разтваряне и диспергиране на твърди вещества
При реакции твърдо вещество–течност ултразвукът може да предотврати агломерацията на частиците и да подобри достъпа до каталитични или реакционноспособни повърхности. В системи течност–течност ултразвуковата обработка може да създаде фини емулсии и да увеличи междуфазната повърхност между несмесващи се фази, което често води до по-висока скорост на реакциите.
Проточни реактори за непрекъсната сонохимична обработка
Проточните реактори са сред най-важните конструкции за промишлена ултразвукова обработка. Вместо да се обработва фиксиран обем течност, реакционната смес преминава непрекъснато през камера на ултразвуков реактор.
Тази конструкция е особено привлекателна за увеличаване на мащаба, тъй като позволява на инженерите да контролират по-прецизно времето на престой, дебита, температурата, налягането и вложената ултразвукова енергия. Проточните сонохимични реактори често се използват, когато се изискват постоянно качество на продукта и непрекъсната работа.
Основните предимства на проточните реактори с ултразвукова обработка включват:
- възможност за непрекъснато производство
- подобрена възпроизводимост на процеса
- по-добър контрол на температурата
- контролирано разпределение на времето на престой
- по-лесно интегриране в промишлени технологични линии
- реакторна архитектура с възможност за увеличаване на мащаба
В тези системи смесването чрез ултразвуков осцилиращ поток може да подобри радиалното и аксиалното смесване, да намали концентрационните градиенти и да подобри взаимодействието между реагентите. Това е особено ценно при процеси, при които ефективността на реакцията зависи от бърз контакт между фазите или бързо диспергиране.
Вложка MultiphaseCavitator за ултразвукова проточна клетка
MultiphaseCavitator Insert-MPC48 е специализирана вложка за ултразвуковите реактори с проточна клетка на Hielscher, предназначена да интензифицира процесите течност/течност и течност/газ директно в зоната на ултразвуковата кавитация. Чрез инжектиране на втора течна фаза или газова фаза през 48 фини канюли в основния течен поток MultiphaseCavitator създава много малки капчици или газови мехурчета с висока специфична междуфазна повърхност. Това го прави особено ефективен за ултразвуково емулгиране, при което несмесващи се фази се диспергират във фини емулсии, и за каталитични реакции с газове, при които инжектираната газова фаза бързо се диспергира и се осигурява тесен контакт с течната фаза, разтворените реагенти или суспендираните катализатори. Полученото кавитационно срязване, микросмесване и подобреният масообмен могат да подобрят кинетиката на реакциите, контакта на границата между фазите и ефективността на процеса при непрекъсната или периодична проточна работа.
Ултразвуков апарат UIP2000hdT с периодичен химичен реактор
Конструкции на химични реактори и предимствата на ултразвуковата обработка
| Вид реактор | Типично приложение | Основни ефекти на ултразвуковата обработка | Техническо значение |
|---|---|---|---|
| Суспензионни реактори | Хетерогенна катализа със суспендирани твърди частици на катализатора в течна фаза; използва се при хидрогениране, окисление, преобразуване на биомаса, процеси от типа Fischer-Tropsch, фотокатализа и пречистване на отпадъчни води. | Ултразвуковата обработка подобрява диспергирането на катализатора, деагломерацията на частиците, намаляването на граничния слой, обновяването на повърхността, масообмена между течната и твърдата фаза, почистването на повърхността на катализатора и намаляването на замърсяването. | Особено значима, тъй като много каталитични реакции в суспензионна фаза са ограничени от ефективността, с която реагентите достигат активните центрове. Акустичната кавитация подобрява контакта на границата катализатор–течност и може да подобри кинетиката на реакциите. |
| Непрекъснати реактори с разбъркване (CSTRs) | Непрекъснати реакции в течна фаза, емулгиране, каталитични реакции, утаяване, кристализация, реакции на полимери и суспензии твърдо вещество–течност. | Ултразвукът подобрява микросмесването, суспендирането на частици, емулгирането, диспергирането и локалното въвеждане на енергия. Той може да се комбинира с механично разбъркване, за да се подобрят както макросмесването, така и микросмесването. | CSTRs с ултразвукова обработка са полезни, когато конвенционалните бъркалки не могат напълно да премахнат мъртвите зони, недостатъчното диспергиране или локалните ограничения на масообмена. Ултразвукът подпомага постигането на по-равномерни реакционни условия и по-добро интензифициране на процеса. |
| Реактори с неподвижен слой | Неподвижни каталитични слоеве, използвани при хидрогениране, окисление, катализа за опазване на околната среда, нефтохимична преработка и хетерогенна катализа в течна фаза. | Ултразвуковата обработка може да подобри омокрянето на катализатора, движението на течността през слоя, намаляването на граничния слой, почистването на повърхността, ограничаването на замърсяването и масообмена към каталитичните центрове. | Ефективността на неподвижния слой често е ограничена от образуване на канали, слабо омокряне, дифузионно съпротивление и образуване на отлагания. Ултразвуковото интензифициране на процеса може да подобри използването на катализатора и равномерността на реакцията. |
| Реактори с кипящ слой | Динамични слоеве от суспендирани частици, използвани при катализа, обработка на частици, нанасяне на покрития, полимеризация, сушене и реакции твърдо вещество–течност. | Ултразвуковото възбуждане може да подобри диспергирането на частиците, да намали агломерацията, да подобри контакта между флуида и твърдото вещество, да стабилизира суспензиите и да подобри достъпността на повърхността на катализатора. | Ултразвуковата обработка е особено ефективна в кипящи слоеве течност–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 с течна среда. |
| Мембранни реактори | Интегрирани системи за реакция и разделяне, използвани за селективно отвеждане на продукти, дозиране на реагенти, каталитични мембранни процеси и реакции, подпомагани от филтрация. | Ултразвукът може да намали замърсяването на мембраните, да увеличи потока на пермеата, да подобри почистването на повърхността, да намали концентрационната поляризация и да подобри смесването в близост до границата с мембраната. | Ултразвуковата обработка свързва инженерството на химичните реакции с науката за разделителните процеси. Тя е особено ценна там, където замърсяването, съпротивлението при масообмена или слабата връзка между реакцията и разделянето ограничават ефективността на мембранния реактор. |
Механизми на ултразвуковото интензифициране на процесите в реакторите
Предимствата на ултразвуковата обработка в химичните реактори се основават на няколко взаимодействащи механизма.
- Акустичната кавитация е най-важният механизъм. Тя включва образуването, нарастването и колапса на микроскопични мехурчета в течност, изложена на ултразвук с висока интензивност. Колапсът на мехурчетата предизвиква локализирано освобождаване на енергия и силни механични сили.
- Акустичното течение създава устойчиво движение на флуида, предизвикано от ултразвуковите вълни. Това подобрява смесването и преноса в зони, където механичното разбъркване може да е слабо.
- Смесване чрез осцилиращ поток възниква, когато ултразвуковите вибрации предизвикват бързо движение на течността напред и назад. В реакторни системи амплитуди от приблизително 10 до 200 µm могат да осигурят високоефективно разбъркване и подобрен масообмен.
- Образуването на микроструи и ударни вълни възниква в близост до колапсиращи кавитационни мехурчета, особено близо до твърди повърхности. Тези ефекти могат да почистват повърхностите на катализаторите, да разрушават граничните слоеве и да подобряват достъпа на течността до активните центрове.
- Увеличаването на междуфазната повърхност е особено важно в системи течност–течност. Ултразвукът може да създава фини капчици и стабилни дисперсии, увеличавайки площта, достъпна за реакция или масообмен.
Заедно тези механизми правят ултразвуковата обработка мощен инструмент за интензифициране на процесите в химичните реактори.
Промишлено значение на проектирането на сонохимични реактори
Промишленото значение на реакторите с ултразвукова обработка надхвърля по-бързото смесване. Ултразвуковата обработка предоставя начин за въздействие върху реакционните среди в мащаби, които конвенционалното оборудване не може лесно да достигне.
В химичното инженерство много ограничения на реакторите произтичат от преносните явления, а не от собствената скорост на реакциите. Реагентите може да не достигат каталитичните центрове достатъчно бързо. Несмесващите се течности може да имат недостатъчна контактна повърхност. Твърдите вещества може да агломерират. Мембраните може да се замърсят. Повърхностите на катализаторите може да се блокират.
Ултразвуковата обработка преодолява тези ограничения чрез пряко подобряване на физичните условия в реактора. Това я прави значима за няколко научноизследователски и промишлени приоритета:
- по-екологична химична преработка
- по-ниски потребности от енергия и разтворители
- подобрена ефективност на катализатора
- по-висока селективност на реакцията
- по-бързо разработване на процеси
- непрекъснато производство
- интензифицирани модулни реакторни системи
- синтез на усъвършенствани материали
- устойчиво преобразуване на биомаса и отпадъчни потоци
За изследователите ултразвуковата обработка предлага контролиран метод за изучаване на връзката между въвеждането на акустична енергия, поведението на кавитацията, подобряването на преноса и ефективността на химичните процеси. За промишлеността тя предлага практически път към компактни, ефективни реакторни системи с възможност за увеличаване на мащаба.
Ултразвуков хомогенизатор UIP2000hdT за химични реакции в проточен реактор
Предимства на ултразвуковата обработка в химичните реактори
Интегрирането на ултразвук в конструкцията на реакторите предлага няколко експлоатационни и научни предимства:
- по-висока скорост на реакциите чрез подобрен масообмен
- по-добро смесване в многофазни системи
- подобрено диспергиране на твърди вещества и капчици
- подобрено използване на катализатора
- намалени дифузионни ограничения
- по-чисти повърхности на катализатори и мембрани
- подобрена възпроизводимост на процеса в проточни системи
- потенциално намаляване на температурата, налягането или времето за реакция
- съвместимост с периодична и непрекъсната работа
- голямо значение за хетерогенната катализа и двуфазните реакции
Тези предимства правят технологията на ултразвуковите реактори особено привлекателна за фини химикали, специализирани химикали, катализа, наноматериали, зелена химия и интензифициране на процеси.
Ултразвукова стъклена проточна клетка
Интензифицирайте процесите във Вашия химичен реактор с ултразвуковите апарати на Hielscher!
Ултразвуковите апарати на Hielscher са много подходящи за интегриране в химични реактори според индивидуалните изисквания, тъй като се предлагат като здрави ултразвукови системи с висока мощност с приспособими сонотроди, проточни клетки, реакторни вложки и принадлежности за конкретния процес. В зависимост от реакционната конфигурация ултразвуковите процесори на Hielscher могат да се монтират в периодични реактори, непрекъснати реактори с разбъркване, проточни реактори в технологични линии, рециркулационни контури, системи под налягане и инсталации в пилотен или производствен мащаб. Тази гъвкавост позволява ултразвукът да се прилага точно там, където кавитацията е най-ефективна: на границата течност–твърдо вещество, течност–течност или течност–газ. Hielscher Ultrasonics предлага и различни видове ултразвукови периодични реактори и реактори за работа в технологична линия, позволяващи контролирана сонохимична обработка, емулгиране, диспергиране, активиране на катализатори, почистване на повърхности, интензифициране на масообмена и ускоряване на реакциите. Чрез прецизен контрол на амплитудата, вложената мощност, температурата, налягането, дебита и времето на престой ултразвуковите апарати на Hielscher могат да се приспособят към конкретните изисквания на лабораторните изследвания, разработването на процеси, увеличаването на мащаба и промишленото химично производство.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчани устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000hdT |
Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия
Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната експлоатация позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.
Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителни ултразвукови апарати, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher отговарят на изискванията за CE и изпълняват изискванията на UL, CSA и RoHs.
Ултразвуков хомогенизатор UIP1500hdT с проточен реактор, оборудван с охлаждаща риза за контрол на температурата на процеса по време на ултразвукова обработка.
Често задавани въпроси
Какво представляват химичните реактори?
Химичните реактори са специално проектирани съдове или системи, в които се извършват химични реакции при контролирани условия като температура, налягане, смесване, време на престой и концентрация на реагентите. Тяхната цел е да преобразуват суровините в желани продукти с определени добив, селективност и ефективност на процеса.
Кои са основните видове химични реактори?
Основните видове химични реактори включват периодични реактори, непрекъснати реактори с разбъркване, реактори с идеално изтласкване, реактори с неподвижен слой, реактори с кипящ слой, суспензионни реактори, мембранни реактори и фотохимични или електрохимични реактори. Всеки вид реактор се различава по характера на потока, режима на смесване, характеристиките на топло- и масообмена и пригодността за хомогенни или хетерогенни реакции.
Каква е разликата между реактор с кипящ слой и реактор с неподвижен слой?
В реактор с неподвижен слой твърдите частици на катализатора остават неподвижни, докато реагентите протичат през насипния каталитичен слой. В реактор с кипящ слой флуид, протичащ нагоре, суспендира и задвижва твърдите частици, създавайки динамичен слой с интензивно смесване, подобрен топлообмен и по-добър контакт между частиците и флуида. Неподвижните слоеве са по-прости и механично стабилни, докато кипящите слоеве осигуряват по-висока ефективност на смесването и топлообмена, но изискват по-сложен контрол на потока.
Какво представлява каталитичният слой?
Каталитичният слой е определен обем от твърди частици на катализатора, разположени в реактор. Той осигурява активната повърхност, върху която протичат химичните реакции. Каталитичните слоеве могат да бъдат неподвижни, както в реакторите с неподвижен слой, или динамично суспендирани, както в реакторите с кипящ слой. Тяхната ефективност зависи от активността на катализатора, размера на частиците, порьозността, площта на повърхността, разпределението на потока, топлообмена и масообмена.
Литература / Източници
- 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 високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори от лабораторен до промишлен мащаб.