Непрекъснати реактори с разбъркване чрез ултразвук

Непрекъснатите реактори с разбъркване (CSTR) се използват широко за различни химични реакции, включително катализа, емулсионна химия, полимеризация, синтез, екстракция и кристализация. Бавната кинетика на реакциите е често срещан проблем при CSTR, който може лесно да бъде преодолян чрез прилагане на мощна ултразвукова обработка. Интензивното смесване, разбъркването и сонохимичните ефекти на мощния ултразвук ускоряват кинетиката на реакциите и значително подобряват степента на превръщане. Ултразвуковите устройства могат лесно да бъдат интегрирани в CSTR с всякакъв обем.

Защо да прилагате мощен ултразвук в непрекъснат реактор с разбъркване?

По основните си характеристики непрекъснатият реактор с разбъркване (CSTR, или просто реактор с разбъркване (STR)) е доста сходен с периодичния реактор. Основната съществена разлика е, че при конфигурацията на непрекъснатия реактор с разбъркване (CSTR) материалът трябва да постъпва в реактора и да излиза от него в непрекъснат поток. Подаването в реактора може да се осъществява чрез гравитационен поток или поток с принудителна циркулация посредством помпа. CSTR понякога се нарича проточен реактор с обратно смесване (BMR).
CSTR обикновено се използват, когато е необходимо разбъркване на две или повече течности. CSTR могат да се използват като единичен реактор или да се монтират в последователни конфигурации за потоци с различни концентрации и различни реакционни етапи. Освен използването на единичен реакторен съд, често се прилагат последователно монтиране на няколко съда (един след друг) или каскадна конфигурация.
Защо ултразвукова обработка? Добре известно е, че ултразвуковото смесване и разбъркване, както и сонохимичните ефекти на мощния ултразвук, допринасят за ефективността на химичните реакции. Подобреното смесване и намаляването на размера на частиците вследствие на ултразвуковите вибрации и кавитацията осигуряват значително ускорена кинетика и повишена степен на превръщане. Сонохимичните ефекти могат да доставят необходимата енергия за иницииране на химични реакции, промяна на реакционните пътища и получаване на по-високи добиви благодарение на по-пълното протичане на реакцията.

CSTR с ултразвукова интензификация могат да се използват за приложения като:

• Хетерогенни реакции течност–течност
• Хетерогенни реакции твърдо вещество–течност
• Хомогенни реакции в течна фаза
• Хетерогенни реакции газ–течност
• Хетерогенни реакции газ–твърдо вещество–течност

Ултразвуковата обработка като високоскоростна система за химичен синтез

Високоскоростната синтетична химия е нова реакционна техника, използвана за иницииране и интензификация на химичния синтез. В сравнение с традиционните реакционни пътища, които изискват няколко часа или дни при кипене с обратен хладник, реакторите за синтез с ултразвуково подпомагане могат да съкратят продължителността на реакцията до няколко минути, което води до значително ускорена реакция на синтез. Ултразвуковата интензификация на синтеза се основава на принципа на действие 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 мощен ултразвук се предава в течности или суспензии. Кавитацията е преходът от течна фаза в парна фаза, който настъпва поради спад на налягането до нивото на парното налягане на флуида.
Ултразвуковата кавитация създава много големи сили на срязване и течни струи със скорост до 1000m/s. Тези течни струи ускоряват частиците и предизвикват сблъсъци между тях, като по този начин намаляват размера на твърдите частици и капчиците. Освен това – локално във вътрешността и в непосредствена близост до имплодиращото кавитационно мехурче – се генерират изключително високи налягания от порядъка на стотици атмосфери и температури от порядъка на хиляди градуси Келвин.
Въпреки че ултразвуковата обработка е чисто механичен метод на обработка, тя може да предизвика локално ограничено екстремно повишаване на температурата. Това се дължи на интензивните сили, генерирани във вътрешността и в непосредствена близост до колапсиращите кавитационни мехурчета, където лесно могат да се достигнат температури от няколко хиляди градуса Целзий. В общия обем на разтвора повишаването на температурата вследствие на имплозията на едно мехурче е почти пренебрежимо, но отделянето на топлина от множество кавитационни мехурчета, наблюдавано в кавитационните горещи точки (генерирани при обработка с мощен ултразвук), в крайна сметка може да доведе до измеримо повишаване на температурата в общия обем. Предимството на ултразвуковата обработка и сонохимията се състои в контролируемите температурни ефекти по време на обработката: контролът на температурата в общия обем на разтвора може да се постигне чрез използване на съдове с охлаждащи ризи, както и чрез импулсна ултразвукова обработка. Усъвършенстваните ултразвукови устройства на Hielscher Ultrasonics могат да прекъсват ултразвука при достигане на горна температурна граница и да продължават ултразвуковата обработка веднага щом бъде достигната долната стойност на зададеното ∆T. Това е особено важно, когато се използват термочувствителни реагенти.

Сонохимията подобрява кинетиката на реакциите

Тъй като ултразвуковата обработка генерира интензивни вибрации и кавитация, тя влияе върху химичната кинетика. Кинетиката на химичната система е тясно свързана с разширяването и имплозията на кавитационните мехурчета, като по този начин оказва значително влияние върху динамиката на движението им. Разтворените газове в химичния реакционен разтвор влияят върху характеристиките на сонохимичната реакция както чрез топлинни, така и чрез химични ефекти. Топлинните ефекти влияят върху максималните температури, които се достигат при колапса на мехурчето в кавитационната кухина; химичните ефекти променят въздействието на газовете, които участват пряко в реакцията.
Хетерогенните и хомогенните реакции с бавна реакционна кинетика, включително реакциите на свързване на Suzuki, утаяването, кристализацията и емулсионната химия, са особено подходящи за иницииране и подпомагане чрез мощен ултразвук и неговите сонохимични ефекти.
Например при синтеза на ферулова киселина нискочестотната (20kHz) ултразвукова обработка с мощност 180 W осигурява 94% добив на ферулова киселина при 60°C за 3 h. Тези резултати на Truong et al. (2018) показват, че използването на ниска честота (с ултразвуков рог и облъчване с висока мощност) значително подобрява степента на превръщане, като осигурява добиви над 90%.

Емулсионна химия с ултразвукова интензификация

Хетерогенните реакции, например в емулсионната химия, се повлияват значително благоприятно от прилагането на мощен ултразвук. Ултразвуковата кавитация намалява размера на капчиците на всяка фаза и ги разпределя хомогенно една в друга, създавайки субмикронна или наноемулсия. Тъй като капчиците с наноразмери осигуряват драстично увеличена повърхност за взаимодействие с други капчици, масообменът и скоростта на реакцията се подобряват значително. При ултразвукова обработка реакциите, известни с обичайно бавната си кинетика, показват драстично подобрени степени на превръщане, по-високи добиви, по-малко странични продукти или отпадъци и по-добра обща ефективност. Емулсионната химия с ултразвуково подпомагане често се прилага при емулсионна полимеризация, например за производство на полимерни смеси, лепила на водна основа и специализирани полимери.

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

Когато избирате химичен реактор за химичен процес, има много фактори, които влияят върху оптималната конструкция на химичния реактор. Ако вашият химичен процес включва многофазни, хетерогенни химични реакции и има бавна реакционна кинетика, разбъркването в реактора и активирането на процеса са съществени фактори за успешно химично превръщане и ниски (експлоатационни) разходи за химичния реактор.
Ултразвуковата обработка значително подобрява кинетиката на химичните реакции течност–течност и течност–твърдо вещество в периодични химични реактори и проточни реакционни съдове. Следователно интегрирането на ултразвукови сонди в химичен реактор може да намали разходите за реактора и да подобри общата ефективност и качеството на крайния продукт.
Много често при проектирането на химични реактори липсват знания за подобряването на процесите с помощта на ултразвук. Без задълбочени познания за влиянието на мощния ултразвук, ултразвуковото разбъркване, акустичната кавитация и сонохимичните ефекти върху работата на химичния реактор, анализът на химичните реактори и конвенционалните принципи на проектиране могат да дадат само по-лоши резултати. По-долу ще получите обзор на основните предимства на ултразвука за проектирането и оптимизирането на химични реактори.

Предимствата на непрекъснатия реактор с разбъркване (CSTR) с ултразвукова интензификация

• • Реактори с ултразвуково подпомагане за лаборатории и производство:
    Лесно мащабиране: Ултразвуковите процесори са лесно достъпни за лабораторен мащаб, пилотно и едромащабно производство
    Възпроизводими / повторяеми резултати благодарение на прецизно контролируемите ултразвукови параметри
    Капацитет и скорост на реакцията: реакциите с ултразвукова интензификация са по-бързи и следователно по-икономични (по-ниски разходи)
  • Сонохимията е приложима както за общи, така и за специални цели

– адаптивност и универсалност, например гъвкави възможности за монтаж и конфигуриране и интердисциплинарна употреба

• Ултразвуковата обработка може да се използва във взривоопасни среди
  – продухване (например азотна защитна атмосфера)
  – без открита повърхност
• Лесно почистване: самопочистване (CIP – почистване на място)
• Изберете предпочитаните от вас конструкционни материали
  – стъкло, неръждаема стомана, титан
  – без въртящи се уплътнения
  – богат избор на уплътнителни материали
• Ултразвуковите устройства могат да се използват в широк температурен диапазон
• Ултразвуковите устройства могат да се използват в широк диапазон от налягания
• Синергичен ефект с други технологии, например електрохимия (соноелектрохимия), катализа (сонокатализа), кристализация (сонокристализация) и др.
• Ултразвуковата обработка е идеална за подобряване на работата на биореактори, например при ферментация.
• Разтваряне / процес на разтваряне: При процесите на разтваряне частиците преминават от една фаза в друга, например когато твърди частици се разтварят в течност. Установено е, че интензивността на разбъркване влияе върху скоростта на процеса. Много малки кристали се разтварят много по-бързо при ултразвукова кавитация, отколкото един кристал в периодични реактори с конвенционално разбъркване. И тук причината за различните скорости е в различните скорости на масообмен на повърхностите на частиците. Например ултразвуковата обработка се прилага успешно за получаване на преситени разтвори, например при процеси на кристализация (сонокристализация).
• Химична екстракция с ултразвуково подпомагане:
  – Течност–твърдо вещество, например екстракция от растителни материали, химична екстракция
  – Течност–течност: Когато ултразвук се прилага към екстракционна система течност–течност, се създава емулсия на едната фаза в другата. Това образуване на емулсия води до увеличаване на междуфазните повърхности между двете несмесващи се фази, което води до усилен масообменен поток между фазите.

Как ултразвуковата обработка подобрява химичните реакции в реактори с разбъркване?

• По-голяма контактна повърхност: При реакции между реагенти в хетерогенни фази могат да реагират само частиците, които се сблъскват една с друга на междуфазната граница. Колкото по-голяма е междуфазната повърхност, толкова повече сблъсъци могат да настъпят. Когато течна или твърда част от дадено вещество се раздроби на по-малки капчици или твърди частици, суспендирани в течна 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 тях намалява. Това подобрява контакта на непрекъснатата фаза с дисперсната фаза. Следователно скоростта на реакцията се увеличава със степента на раздробяване на дисперсната фаза. Много химични реакции в дисперсии или емулсии показват драстично повишаване на скоростта на реакцията в резултат на ултразвуковото намаляване на размера на частиците.
• Катализа (активираща енергия): Катализаторите са от голямо значение за много химични реакции, при лабораторни разработки и в промишленото производство. Често катализаторите са в твърда или течна фаза и са несмесващи се с един или с всички реагенти. Ето защо в повечето случаи катализата е хетерогенна химична реакция. При производството на най-важните основни химикали като сярна киселина, амоняк, азотна киселина, етен и метанол катализаторите играят важна роля. Значителни области от екологичните технологии се основават на каталитични процеси. Сблъсъкът на частици води до химична реакция, т.е. прегрупиране на атомите, само ако частиците се сблъскат с достатъчна кинетична енергия. Ултразвуковата обработка е високоефективно средство за ускоряване на кинетиката в химичните реактори. При процес на хетерогенна катализа включването на ултразвук в конструкцията на химичния реактор може да намали необходимостта от катализатор. Това може да доведе до използване на по-малко количество катализатор или на по-нискокачествени, по-малко благородни катализатори.
• По-висока честота на контакт / подобрен масообмен: Ултразвуковото смесване и разбъркване е високоефективен метод за генериране на много малки капчици и частици (т.е. субмикронни и наночастици), които осигуряват по-голяма активна повърхност за реакции. При допълнителното интензивно разбъркване и микродвижение, причинени от мощния ултразвук, честотата на контакт между частиците се увеличава драстично, което води до значително подобрена степен на превръщане.
• Компресирана плазма: При много реакции повишаването на температурата в реактора с 10 Келвина води до приблизително удвояване на скоростта на реакцията. Ултразвуковата кавитация създава локализирани, силно реактивни горещи точки с температури до 5000K в течността, без съществено нагряване на общия обем на течността в химичния реактор.
• Топлинна енергия: Всяка ултразвукова енергия, която добавяте към конструкцията на химичен реактор, в крайна сметка ще се превърне в топлинна енергия. Следователно можете да използвате енергията повторно за химичния процес. Вместо подаване на топлинна енергия чрез нагревателни елементи или пара, ултразвуковата обработка въвежда механична енергия, активираща процеса, посредством високочестотни вибрации. В химичния реактор това създава ултразвукова кавитация, която активира химичния процес на множество нива. В крайна сметка огромното ултразвуково срязване на химичните вещества води до превръщане в топлинна енергия, т.е. топлина. Можете да използвате периодични реактори с риза или проточни реактори за охлаждане, за да поддържате постоянна температура на процеса за вашата химична реакция.

Високопроизводителни ултразвукови устройства за подобрени химични реакции в CSTR

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори и диспергатори за интегриране в непрекъснати реактори с разбъркване (CSTR). Ултразвуковите устройства на Hielscher се използват по целия свят за подпомагане, интензификация, ускоряване и подобряване на химичните реакции.
Ултразвуковите процесори на Hielscher Ultrasonics се предлагат във всякакви размери – от малки лабораторни устройства до големи промишлени процесори за приложения в проточната химия. Прецизното регулиране на ултразвуковата амплитуда (която е най-важният параметър) позволява ултразвуковите устройства на Hielscher да работят при ниски до много високи амплитуди и амплитудата да се настройва точно според необходимите условия на ултразвуковия процес за конкретната химична реакционна система.
Ултразвуковият генератор на Hielscher разполага с интелигентен софтуер с автоматично протоколиране на данните. Всички важни параметри на обработката, като ултразвукова енергия, температура, налягане и време, се съхраняват автоматично на вградена SD карта веднага след включването на устройството.
Наблюдението на процеса и записването на данните са важни за непрекъснатата стандартизация на процеса и качеството на продукта. Чрез достъп до автоматично записаните данни за процеса можете да преглеждате предишни цикли на ултразвукова обработка и да оценявате резултата.
Друга удобна за потребителя функция е дистанционното управление през браузър на нашите цифрови ултразвукови системи. Чрез дистанционното управление през браузър можете да стартирате, спирате, настройвате и наблюдавате своя ултразвуков процесор дистанционно от всяко място.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за това как нашите високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори могат да подобрят вашия непрекъснат реактор с разбъркване (CSTR)!
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства: