Непрекъснато бъркани-резервоара реактори agitated с ултразвук

Непрекъснато разбъркват реактори резервоар (CSTR) се използват 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 ултразвукова мощност. Интензивното смесване, разбъркване и сонохимични ефекти на мощност ултразвук ускори реакция кинетика и подобряване на скоростта на конвертиране значително. Ultrasonicators могат лесно да бъдат интегрирани в CSTRs на всеки обем.

Защо да прилагате power-ultrasound към реактора с непрекъснато разбъркване на резервоара?

Реакторът с непрекъснато разбъркване на резервоара (CSTR, или просто разбъркван реактор на резервоара (STR)) е в неговите основни характеристики, доста подобни на партидите реактори. Основната важна разлика е, че за непрекъснато разбъркване реактор на резервоара (CSTR) подаването на материала трябва да се осигурява в непрекъснат поток към и от реактора. Подаването на реактора може да се постигне чрез гравитационен поток или принудителен циркулация на потока с помощта на помпа. CSTR понякога се нарича обратно-смесен реактор струя (BMR).
CSTRs често се използват, когато се изисква възбуда на две или повече течности. CSTR могат да се използват като един реактор или да се инсталират като серия от конфигурации за различни концентрации и стъпки на реакция. Освен използването на един реактор, обикновено се използва серийното монтиране на различни резервоари (един след друг) или каскадното настройване.
Защо ултразвук? Ултразвуковото смесване и разбъркване, както и сонохимичните ефекти на ултразвука са добре познати, за да допринесат за ефективността на химичните реакции. Подобреното смесване и намаляване на размера на частиците поради ултразвукови вибрации и кавитация осигуряват значително ускорена кинетика и повишена скорост на превръщане. Sonochemical ефекти могат да доставят необходимата енергия да започне химични реакции, превключване на химични пътища, и да даде по-високи добиви поради по-пълна реакция.

Ултразвуково-интензираната CSTR може да се използва за приложения като:

• Хетерогенни течно-течно реакции
• Хетерогенни твърди и течни реакции
• Хомогенни реакции от течна фаза
• Разнородни газо-течно-течно реакции
• Разнородни газ-твърди течни реакции

Ultrasonication като високоскоростна синтетична химическа система

Високоскоростната синтетична химия е нова реакционна техника, използвана за иницииране и засилване на синтеза на химикали. В сравнение с традиционните реакционни пътища, които се нуждаят от няколко часа или дни под рефлукс, ултразвуково насърчаваните реактори за синтез могат да намалят продължителността на реакцията до няколко минути, което води до значително ускорена реакция на синтеза. Интензификацията на ултразвуковия синтез се основава на принципа на работа на акустичната кавитация и свързаните с нея сили, включително локално ограниченото подгряване. Научете повече за ултразвук, акустична кавитация и сонохимия в следващия раздел.

Ултразвукова кавитация и нейните сонохимични ефекти

Ултразвукова (или акустична) кавитация се получава, когато мощност ултразвук се прикачи в течности или суспензии. Кавитацията е преходът от течна фаза към парна фаза, която се дължи на спадане на налягането до нивото на напрежението на парата на течността.
Ултразвуковата кавитация създава много високи сили на срязване и течни струи с до 1000м / сек. Тези течни струи ускоряват частиците и причиняват междучастични сблъсъци, като по този начин намаляват размера на частиците на твърдите вещества и капчиците. Допълнително – локализиран в и в непосредствена близост до балона с капаци – Генерират се изключително високи налягания по поръчка на стотици атмосфери и температури по поръчка на хиляди градуси Келвин.
Въпреки че ултразвукът е чисто механичен метод за обработка, той може да произведе локално ограничено екстремно покачване на температурата. Това се дължи на интензивните сили, генерирани в рамките и в непосредствена близост до срутването на кавитационните мехурчета, където лесно могат да се достигнат температури от няколко хиляди градуса по Целзий. В насипния разтвор повишаването на температурата, произтичащо от единична имплозия на мехурчета, е почти незначително, но разсейването на топлината от многобройни кавитационни мехурчета, както се наблюдава в кавитационните горещи точки (както се генерира чрез ултразвук с висока мощност) може най-накрая да предизвика измеримо температурно повишаване на температурата на насипно състояние. Предимството на ултразвуковата обработка и сонохимията се крие в контролируемите температурни ефекти по време на обработката: Контрол на температурата на насипния разтвор може да се постигне чрез използване на резервоари с охлаждащи якета, както и импулсна ултразвукова обработка. Изтънчените ultrasonicators на Hielscher Ultrasonics могат да поставят на пауза ултразвука, когато се достигне горна температурна граница и да продължат с ултразвука веднага след достигане на по-ниската стойност на набор ∆T. Това е особено важно, когато се използват топлинно чувствителни реактори.

Сонохимията подобрява кинетиката на реакцията

Тъй като ултразвукът генерира интензивни вибрации и кавитация, химическата кинетика е засегната. Кинетиката на химична система корелиира в тясно сътрудничество с кавитационния балон разширяване и имплозия, при което оказва влияние върху динамиката на движение на балон значително. Разтворените газове в разтвора за химическа реакция влияят на характеристиките на сонохимична реакция и чрез двете, термични ефекти и химически ефекти. Топлинните ефекти влияят на пиковите температури, които се достигат по време на срутване на балона в рамките на кавитационната празнота; химичните ефекти модифицират ефектите на газовете, които участват пряко в реакция.
Хетерогенните и хомогенни реакции с бавна реакция кинетика, включително реакции на сузуки, утаяване, кристализация и емулсионна химия са предопределяни да бъдат инициирани и насърчавани чрез ултразвук и неговите сонохимични ефекти.
Например, за синтеза на ферулева киселина, нискочестотната (20kHz) ултразвукова обработка при мощност 180 W даде 94% добив на ферулова киселина при 60°C в 3 ч. Тези резултати от Truong et al. (2018) демонстрират, че използването на ниска честота (тип рог и облъчване с висока мощност) е подобрило скоростта на реализация значително давайки добиви по-високи от 90%.

Ултразвуково Интензирана емулсия Химия

Хетерогенни реакции като емулсионна химия се възползва значително от прилагането на силови ултразвук. Ултразвукова кавитация намалява и разпределя капчиците на всяка фаза хомогенно един в друг, създавайки суб-микронна или нано-емулсия. Тъй като наноразмерните капчици предлагат драстично увеличена повърхностна площ за взаимодействие с различни капчици, масовото прехвърляне и скоростта на реакцията са значително подобрени. При ултразвук реакциите, известни с обикновено бавната си кинетика, показват драстично подобрени обменни курсове, по-високи добиви, по-малко странични продукти или отпадъци и по-добра обща ефективност. Ултразвуково подобрена емулсионна химия често се прилага за емулсии полимеризация, например, за производство на полимерни смеси, лепила, пренасяни по вода и специални полимери.

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

Когато изберете химически реактор за химически процес, има много фактори, които влияят върху оптималния дизайн на химически реактор. Ако вашият химичен процес включва многофазни, хетерогенни химични реакции и има бавна кинетика на реакцията, ажитация на реактора и активиране на процеса са от съществено значение фактори, влияещи върху успешното химично преобразуване и за икономическите (оперативни) разходи на химическия реактор.
Ultrasonication подобрява кинетиката на реакцията на течност-течност и течно-твърди химични реакции в химически реактори на партиди и съдове за реакционни реакционни значително. Следователно, интегрирането на ултразвукови сонди в химически реактор може да намали разходите на реактора и да подобри цялостната ефективност и качеството на крайния продукт.
Много често инженерното химично вещество в реактора не притежава познания за ултразвуково подпомаганото подобрение на процеса. Без задълбочени познания за влиянието на мощност ултразвук, ултразвукова възбуда, акустична кавитация и sonochemical ефекти върху химичната реакторна ефективност, химически реакторен анализ и конвенционални основи на дизайна могат да произвеждат само по-ниски резултати. По-долу ще получите общ преглед на основните ползи от ултразвука за дизайн и оптимизация на химически реактор.

Предимствата на ултразвуково интензиран непрекъснат бъркот реактор резервоар (CSTR)

• • Ултразвуково подобрени реактори за лаборатория и производство:
    Лесна мащабируемост: Ултразвукови процесори са лесно достъпни за лабораторни размери, пилотно и мащабно производство
    Възпроизводими/ повтаряеми резултати, дължащи се на прецизно контролируеми ултразвукови параметри
    Капацитет и скорост на реакцията: ултразвуковите интензифицирани реакции са по-бързи и по този начин по-икономични (по-ниски разходи)
  • Sonochemistry е приложима както за общи, така и за специални цели

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

• Ultrasonication може да се използва в експлозивни среди
  – пречистване (напр. одеяло с азот)
  – няма отворена повърхност
• Просто почистване: самопочистване (CIP – на място)
• Изберете предпочитаните от вас материали за строителството
  – стъкло, неръждаема стомана, титан
  – без ротационни уплътнения
  – богат избор от уплътнители
• Ultrasonicators могат да се използват в широк диапазон от температури
• Ultrasonicators могат да се използват при широк спектър от налято
• Синергичен ефект с други технологии, например електрохимия (соно-електрохимия), катализа (соно-катализа), кристализация (сонокристализация) и др.
• Sonication е идеален за подобряване на биореактори, например ферментация.
• Разтваряне / разтваряне: При процесите на разтваряне, частици преминават от една фаза към друга, например когато твърди частици се разтварят в течност. Установено е, че степента на възбуда влияе върху скоростта на процеса. Много малки кристали се разтварят много по-бързо при ултразвукова кавитация, отколкото един в конвенционалните разбъркани реактори. Тук също се крие причината за различните скорости в различните скорости на трансфер на масата на частиците. Например, ultrasonication се прилага успешно, за да се създадат свръхнаситени решения, например в процесите на кристализация (сонокрилизация).
• Ултразвуково-насърчава химическа екстракция:
  – Течно-твърдо вещество, например ботанически екстракция, химическа екстракция
  – Течност-течност: Когато ултразвукът се прилага върху течно-течностна система за екстракция, се създава емулсията на една от фазите в другата. Това образуване на емулсия води до увеличаване на междуфазни области между двете несмесващи се фази, което води до подобрен масов трансферен поток между фазите.

Как Sonication подобрява химически реакции в реактори с бъркани резервоари?

• По-голяма контактна площ: При реакции между реагентите в хетерогенни фази могат да реагират само частиците, които се сблъскват на интерфейса. По-голям интерфейс, толкова повече сблъсъци могат да се появят. Тъй като течна или твърда част от веществото се разбива на малки капчици или твърди частици, суспендирани в непрекъсната течност, площта на 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 диспергираната фаза. Следователно скоростта на реакцията се увеличава със степента на фрагментиране на дисперсната фаза. Много химични реакции при дисперсии или емулсии показват драстични подобрения в скоростта на реакцията в резултат на намаляване на размера на ултразвуковите частици.
• Катализа (енергия за активиране): Катализаторите са от голямо значение в много химични реакции, в развитието на лабораторията и в промишленото производство. Често катализаторите са в твърда или течна фаза и несмимива с един реагент или всички реагенти. Следователно, по-често, катализаторът е разнородна химична реакция. В производството на най-важните основни химикали като сярна киселина, амоняк, азотна киселина, етен и метанол, катализатори играят важна роля. Големите области на екологичната технология 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. Ultrasonication е високоефективен начин за увеличаване на кинетиката в химически реактори. В хетерогенен катализаторен процес добавянето на ултразвук към химичен реактор може да намали изискването за катализатор. Това може да доведе до използването на по-малко катализатор или по-нисши, по-малко благородни катализатори.
• По-висока честота на контакт / подобрен трансфер на маса: Ултразвуковото смесване и разбъркване е високо ефективен метод за генериране на минутни капчици и частици (т.е., под-микрон и наночастици), които предлагат по-висока активна повърхност за реакции. При допълнително интензивно разбъркване и микро-движение, причинено от ултразвук, честотата на между-частиците контакт се увеличава драстично, което води до значително подобрен процент на конверсия.
• Сгъстен плазма: При много реакции, 10 Келвин повишаване на температурата на реактора причинява скоростта на реакцията да се удвои. Ултразвукова 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 добавяте към химичен реактор дизайн, най-накрая ще бъде превърната в топлинна енергия. Следователно можете да използвате повторно енергията за химическия процес. Вместо топлинна енергия, получена от нагревателни елементи или пара, ултразвукът въвежда процес, активиращ механична 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 шликоустойчиви реактори или вградени реактори за охлаждане, за да поддържате постоянна температура на процеса за вашата химическа реакция.

Високоефективни ultrasonicators за подобряване на химичните реакции в CSTR

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори и диспергатори за интегриране в непрекъснато разбърквани реактори резервоар (CSTR). Hielscher ultrasonicators се използват в световен мащаб за насърчаване, засилване, ускоряване и подобряване на химични реакции.
Hielscher Ultrasonics’ ултразвукови процесори са на разположение във всякакъв размер от малки лабораторни устройства до големи промишлени процесори за потока химия приложения. Прецизната настройка на ултразвуковата амплитуда (която е най-важният параметър) позволява да се работи Hielscher ultrasonicators при ниски до много високи амплитуди и фина настройка на амплитудата точно на необходимите ултразвукови условия на специфичната химическа система за 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 вградена SD-карта веднага след като устройството е включено.
Мониторингът на процесите и записването на данни са важни за непрекъснатото стандартизиране на процеса и качеството на продуктите. Чрез достъп до автоматично записаните данни за процеса, можете да ревизирате предишни звукови работи и да оцените резултата.
Друга лесна за употреба функция е дистанционното управление на браузъра на нашите цифрови ултразвукови системи. Чрез дистанционно управление на браузъра можете да започнете, спрете, регулирайте и наблюдавайте вашия ултразвуков процесор дистанционно от всяко място.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за нашите ултразвукови ултразвукови хомогенизатори могат да подобрят вашия непрекъснато разбъркване реактор резервоар (CSTR)!
Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators: