Реактори с непрекъснато разбъркване с ултразвук

Реакторите с непрекъснато разбъркване (CSTR) се прилагат широко за различни химични реакции, включително катализа, емулсионна химия, полимеризация, синтез, екстракция и кристализация. Кинетиката на бавната реакция е често срещан проблем в CSTR, който лесно може да бъде преодолян чрез прилагане на силова ултразвукова система. Интензивното смесване, разбъркване и сонохимичните ефекти на силовия ултразвук ускоряват кинетиката на реакцията и значително подобряват скоростта на преобразуване. Ултразвуковите апарати могат лесно да бъдат интегрирани в CSTR с всякакъв обем.

Защо да прилагате мощен ултразвук към реактор с непрекъснато бъркащ се резервоар?

Реакторът с непрекъснато разбъркване (CSTR, или просто реактор с резервоар с разбъркване (STR)) е по своите основни характеристики доста подобен на реактора на партидата. Основната важна разлика е, че за инсталацията на реактора с непрекъснато разбъркване (CSTR) подаването на материал трябва да се осигурява в непрекъснат поток към и от реактора. Захранването на реактора може да се постигне чрез гравитационен поток или поток с принудителна циркулация с помощта на помпа. CSTR понякога се нарича реактор с обратен поток (BMR).
CSTR обикновено се използват, когато се изисква разбъркване на две или повече течности. CSTR могат да се използват като единичен реактор или да бъдат инсталирани като поредица от конфигурации за различни концентрационни потоци и реакционни етапи. Освен използването на реактор с един резервоар, обикновено се използва серийно инсталиране на различни резервоари (един след друг) или каскадна настройка.
Защо ултразвук? Ултразвуковото смесване и разбъркване, както и сонохимичните ефекти на силовия ултразвук са добре известни с това, че допринасят за ефективността на химичните реакции. Подобреното смесване и намаляване на размера на частиците поради ултразвукови вибрации и кавитация осигуряват значително ускорена кинетика и подобрена скорост на преобразуване. Сонохимичните ефекти могат да доставят необходимата енергия за започване на химични реакции, превключване на химичните пътища и по-високи добиви поради по-пълна реакция.

Ултразвуково усиленият CSTR може да се използва за приложения като:

• Хетерогенни течно-течни реакции
• Хетерогенни твърдо-течни реакции
• Хомогенни реакции в течна фаза
• Хетерогенни газово-течни реакции
• Хетерогенни реакции газ-твърдо-течност

Ултразвукът като високоскоростна синтетична химическа система

Високоскоростната синтетична химия е нова реакционна техника, използвана за иницииране и засилване на химичния синтез. В сравнение с традиционните реакционни пътища, които се нуждаят от няколко часа или дни при рефлукс, ултразвуково насърчаваните синтезни реактори могат да сведат до минимум продължителността на реакцията до няколко минути, което води до значителна ускорена реакция на синтеза. Интензификацията на ултразвуковия синтез се основава на принципа на работа на акустичната кавитация и свързаните с нея сили, включително локално ограничено прегряване. Научете повече за ултразвука, акустичната кавитация и сонохимията в следващия раздел.

Ултразвукова кавитация и нейните сонохимични ефекти

Ултразвукова (или акустична) кавитация възниква, когато мощният ултразвук е свързан в течности или суспензии. Кавитацията е преходът от течна фаза в парна фаза, който възниква поради спад на налягането надолу до нивото на напрежението на парите на течността.
Ултразвуковата кавитация създава много високи сили на срязване и течни струи със скорост до 1000 m/s. Тези течни струи ускоряват частиците и причиняват сблъсъци между частиците, като по този начин намаляват размера на частиците на твърдите вещества и капчиците. Допълнително – локализирани в и в непосредствена близост до имплодиращия кавитационен мехур – Генерират се изключително високо налягане от порядъка на стотици атмосфери и температури от порядъка на хиляди градуси по Келвин.
Въпреки че ултразвукът е чисто механичен метод на обработка, той може да доведе до локално ограничено екстремно повишаване на температурата. Това се дължи на интензивните сили, генерирани в и в непосредствена близост до колабиращите се кавитационни мехурчета, където лесно могат да се достигнат температури от няколко хиляди градуса по Целзий. В насипния разтвор повишаването на температурата в резултат на имплозия на един мехур е почти незначително, но разсейването на топлината от многобройни кавитационни мехурчета, наблюдавано в кавитационните горещи точки (генерирано от ултразвук с ултразвук с висока мощност), може накрая да причини измеримо повишаване на температурата на насипната температура. Предимството на ултразвука и сонохимията се крие в контролируемите температурни ефекти по време на обработката: Контролът на температурата на насипния разтвор може да се постигне чрез използване на резервоари с охлаждащи ризи, както и импулсна ултразвук. Усъвършенстваните ултразвукови апарати на Hielscher Ultrasonics могат да поставят ултразвука на пауза, когато се достигне горната температурна граница, и да продължат с ултразвука веднага щом се достигне долната стойност на зададен ∆T. Това е особено важно, когато се използват чувствителни към топлина реагенти.

Сонохимията подобрява кинетиката на реакцията

Тъй като ултразвукът генерира интензивни вибрации и кавитация, химическата кинетика е засегната. Кинетиката на химическата система корелира тясно с разширяването и имплозията на кавитационния мехур, което влияе значително върху динамиката на движението на мехурчето. Разтворените газове в разтвора на химическата реакция влияят върху характеристиките на сонохимичната реакция както чрез термични ефекти, така и чрез химични ефекти. Топлинните ефекти влияят на пиковите температури, които се достигат по време на колапс на мехурчета в кавитационната кухина; Химичните ефекти променят ефектите на газовете, които участват пряко в реакцията.
Хетерогенни и хомогенни реакции с бавна кинетика на реакцията, включително реакции на свързване на Сузуки, утаяване, кристализация и емулсионна химия, са предопределени да бъдат инициирани и насърчавани чрез мощен ултразвук и неговите сонохимични ефекти.
Например, за синтеза на ферулова киселина, нискочестотната (20kHz) ултразвук с мощност 180 W дава 94% добив на ферулова киселина при 60°C за 3 часа. Тези резултати от Truong et al. (2018) показват, че използването на ниска честота (тип рупор и облъчване с висока мощност) значително подобрява скоростта на преобразуване, давайки добиви по-високи от 90%.

Ултразвуково засилена емулсионна химия

Хетерогенните реакции като емулсионната химия се възползват значително от прилагането на мощен ултразвук. Ултразвуковата кавитация намалява и разпределя капчиците от всяка фаза хомогенно една в друга, създавайки субмикронна или нано-емулсия. Тъй като наноразмерните капчици предлагат драстично увеличена повърхност за взаимодействие с различни капчици, преносът на маса и скоростта на реакцията са значително подобрени. При ултразвук реакциите, известни с типично бавната си кинетика, показват драстично подобрени скорости на преобразуване, по-високи добиви, по-малко странични продукти или отпадъци и по-добра обща ефективност. Ултразвуково подобрената емулсионна химия често се прилага за полимеризация на емулсии, например за производство на полимерни смеси, лепила на водна основа и специални полимери.

10 неща, които трябва да знаете, преди да купите химически реактор

Когато избирате химически реактор за химичен процес, има много фактори, които влияят на оптималния дизайн на химическия реактор. Ако вашият химичен процес включва многофазни, хетерогенни химични реакции и има бавна кинетика на реакцията, разбъркването на реактора и активирането на процеса са съществени фактори, влияещи за успешното химическо преобразуване и за икономичните (експлоатационни) разходи на химическия реактор.
Ултразвукът значително подобрява кинетиката на реакцията на химичните реакции течност-течност и течност-твърдо вещество в химически реактори и вградени реакционни съдове. Следователно интегрирането на ултразвукови сонди в химически реактор може да намали разходите за реактора и да подобри цялостната ефективност и качеството на крайния продукт.
Много често в инженерството на химически реактори липсват познания за ултразвуково подпомагано подобряване на процеса. Без задълбочени познания за влиянието на силовия ултразвук, ултразвуковото разбъркване, акустичната кавитация и сонохимичните ефекти върху работата на химическия реактор, анализът на химическия реактор и конвенционалните основи на проектирането могат да дадат само по-лоши резултати. По-долу ще получите преглед на основните предимства на ултразвука за проектиране и оптимизация на химически реактори.

Предимствата на ултразвуково интензифицирания реактор с непрекъснато разбъркване (CSTR)

• • Ултразвуково подобрени реактори за лаборатория и производство:
    Лесна мащабируемост: Ултразвуковите процесори са лесно достъпни за лабораторни размери, пилотно и мащабно производство
    Възпроизводим / повторяем Резултати благодарение на прецизно контролирани ултразвукови параметри
    Капацитет и скорост на реакция: ултразвуково засилените реакции са по-бързи и следователно по-икономични (по-ниски разходи)
  • Сонохимията е приложима както за общи, така и за специални цели

– изменчивост & гъвкавост, например гъвкави опции за инсталиране и настройка и интердисциплинарна употреба

• Ултразвукът може да се използва във взривоопасна среда
  – продухване (напр. азотно одеяло)
  – без открита повърхност
• Лесно почистване: самопочистване (CIP – почистване на място)
• Изберете предпочитаните от вас строителни материали
  – стъкло, неръждаема стомана, титан
  – без въртящи се уплътнения
  – богат избор от уплътнители
• Ултразвуковите апарати могат да се използват в широк температурен диапазон
• Ултразвуковите апарати могат да се използват при широк диапазон от налягания
• Синергичен ефект с други технологии, например електрохимия (соно-електрохимия), катализа (соно-катализа), кристализация (соно-кристализация) и др.
• Уникирането е идеално за подобряване на биореакторите, например ферментацията.
• Разтваряне/разтваряне: При процесите на разтваряне частиците преминават от една фаза в друга, например когато твърдите частици се разтварят в течност. Установено е, че степента на разбъркване влияе върху скоростта на процеса. Много малки кристали се разтварят много по-бързо при ултразвукова кавитация, отколкото този в реактори с конвенционално разбъркване. И тук причината за различните скорости се крие в различните скорости на пренос на маса на повърхностите на частиците. Например, ултразвукът се прилага успешно за създаване на пренаситени разтвори, например в процеси на кристализация (сонокристализация).
• Ултразвуково насърчавана химическа екстракция:
  – Течно-твърдо, например ботаническа екстракция, химическа екстракция
  – Течност-течност: Когато ултразвукът се приложи към система за екстракция течност-течност, се създава емулсия на една от фазите в другата. Това образуване на емулсия води до увеличаване на междуфазните площи между двете несмесващи се фази, което води до повишен поток от пренос на маса между фазите.

Как соникацията подобрява химичните реакции в реакторите с разбъркани резервоари?

• По-голяма контактна повърхност: При реакции между реагенти в хетерогенни фази само частиците, които се сблъскват помежду си на границата, могат да реагират. Колкото по-голям е интерфейсът, толкова повече сблъсъци могат да възникнат. Тъй като течна или твърда част от веществото се разпада на по-малки капчици или твърди частици, суспендирани в течност с непрекъсната фаза, повърхността на това вещество се увеличава. Освен това, в резултат на намаляването на размера, броят на частиците се увеличава и следователно средното разстояние между тези частици намалява. Това подобрява експозицията на непрекъснатата фаза на дисперсната фаза. Следователно скоростта на реакцията се увеличава със степента на фрагментация на дисперсната фаза. Много химични реакции в дисперсии или емулсии показват драстично подобрение в скоростта на реакцията в резултат на ултразвуково намаляване на размера на частиците.
• Катализа (енергия на активиране): Катализаторите са от голямо значение в много химични реакции, в лабораторните разработки и в промишленото производство. Често катализаторите са в твърда или течна фаза и не се смесват с един реагент или с всички реагенти. Следователно, най-често катализата е хетерогенна химична реакция. При производството на най-важните основни химикали като сярна киселина, амоняк, азотна киселина, етин и метанол катализаторите играят важна роля. Големи области на екологичните технологии се основават на каталитични процеси. Сблъсъкът на частици води до химическа реакция, т.е. прегрупиране на атоми, само ако частиците се сблъскат с достатъчна кинетична енергия. Ултразвукът е високоефективно средство за увеличаване на кинетиката в химическите реактори. При хетерогенен процес на катализа добавянето на ултразвук към дизайна на химическия реактор може да намали изискването за катализатор. Това може да доведе до използването на по-малко катализатори или по-ниски, по-малко благородни катализатори.
• По-висока честота на контакт / Подобрен пренос на маса: Ултразвуковото смесване и разбъркване е високоефективен метод за генериране на малки капчици и частици (т.е. субмикрони и наночастици), които предлагат по-висока активна повърхност за реакции. При допълнителното интензивно разбъркване и микродвижение, причинени от мощен ултразвук, честотата на контакт между частиците се увеличава драстично, което води до значително подобрена скорост на преобразуване.
• Компресирана плазма: За много реакции повишаването на температурата на реактора с 10 Келвина води до приблизително двойно удвояване на скоростта на реакцията. Ултразвуковата кавитация произвежда локализирани силно реактивни горещи точки до 5000K в течността, без значително нагряване на общия обем на течността в химическия реактор.
• Топлина: Всяка ултразвукова енергия, която добавите към дизайна на химическия реактор, най-накрая ще бъде преобразувана в топлинна енергия. Следователно можете да използвате повторно енергията за химичния процес. Вместо въвеждане на топлинна енергия от нагревателни елементи или пара, ултразвукът въвежда процес, активиращ механичната енергия чрез високочестотни вибрации. В химическия реактор това произвежда ултразвукова кавитация, която активира химичния процес на множество нива. Накрая огромното ултразвуково срязване на химикалите води до превръщането в топлинна енергия, т.е. топлина. Можете да използвате партидни реактори с кожух или вградени реактори за охлаждане, за да поддържате постоянна температура на процеса за вашата химична реакция.

Високоефективни ултразвукови апарати за подобрени химични реакции в CSTR

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високоефективни ултразвукови хомогенизатори и диспергатори за интегриране в реактори с непрекъснато разбъркване (CSTR). Ултразвуковите апарати на Hielscher се използват по целия свят за насърчаване, засилване, ускоряване и подобряване на химичните реакции.
Hielscher Ultrasonics’ Ултразвуковите процесори се предлагат във всякакъв размер от малки лабораторни устройства до големи индустриални процесори за приложения за химия на потока. Прецизното регулиране на ултразвуковата амплитуда (което е най-важният параметър) позволява да се работят ултразвуковите апарати на Hielscher при ниски до много високи амплитуди и да се настройва точно амплитудата точно според необходимите условия на ултразвуковия процес на специфичната система за химическа реакция.
Ултразвуковият генератор на Hielscher разполага с интелигентен софтуер с автоматично протоколиране на данни. Всички важни параметри на обработката като ултразвукова енергия, температура, налягане и време се съхраняват автоматично на вградената SD-карта веднага след включване на устройството.
Мониторингът на процеса и записването на данни са важни за непрекъснатата стандартизация на процеса и качеството на продукта. Чрез достъп до автоматично записаните данни за процеса можете да преразгледате предишни пускания на ултразвук и да оцените резултата.
Друга удобна за потребителя функция е дистанционното управление на браузъра на нашите цифрови ултразвукови системи. Чрез дистанционно управление на браузъра можете да стартирате, спирате, настройвате и наблюдавате вашия ултразвуков процесор дистанционно отвсякъде.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за нашите високоефективни ултразвукови хомогенизатори, които могат да подобрят вашия реактор с непрекъснато разбъркване (CSTR)!
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: