Kemijski reaktori poboljšani ultrazvučnom obradom – vrste, izvedbe i mehanizmi

Kemijski reaktori su srž industrijske kemije, sinteze materijala, proizvodnje finih kemikalija, farmaceutske proizvodnje i obrade u zaštiti okoliša. Kako industrije traže brže, čišće i energetski učinkovitije procese, ultrazvučna obrada (sonikacija), poznata i kao ultrazvučno procesiranje, postala je sve relevantnija metoda za intenzifikaciju reaktora. Tehnologija ultrazvučnih reaktora mijenja kemijsku obradu poboljšavajući miješanje, prijenos mase, kinetiku reakcija i heterogenu katalizu u šaržnim i kontinuiranim reaktorskim sistemima.

Kako ultrazvučna obrada poboljšava kemijske reaktore

Uvođenjem ultrazvuka velike snage u kemijski reaktor inženjeri mogu unutar reakcijskog medija generirati ultrazvučno oscilatorno miješanje strujanjem i akustičnu kavitaciju. Ovi mehanizmi poboljšavaju kontakt između reaktanata, ubrzavaju prijenos mase i mogu povećati brzine reakcije, selektivnost i prinos. Ultrazvučna obrada posebno je učinkovita u sistemima čvrsto-tekuće, kao što je heterogena kataliza, i sistemima tekuće-tekuće, kao što su emulgiranje, ekstrakcija i dvofazne reakcije. Rjeđe se koristi u smjesama plina i tekućine jer se akustična kavitacija manje učinkovito stvara u tekućinama s visokim sadržajem plina.
U modernom dizajnu sonokemijskih reaktora fluidi se miješaju ultrazvučnom oscilacijom i kavitacijom, obično uz amplitude u rasponu od 10 do 200 µm. To omogućuje snažne mikroskopske učinke miješanja koje je teško postići samo konvencionalnim mehaničkim miješanjem.

Zašto ultrazvučna obrada intenzificira kemijske reaktore

Industrijska relevantnost ultrazvučne obrade leži u njezinoj sposobnosti da utječe na kemijske i fizičke transportne pojave na mikro- i mezoskali. Za razliku od konvencionalnog miješanja, ultrazvuk ne pokreće samo glavninu tekućine. On stvara tlačne valove, oscilatorno gibanje, kavitacijske mjehuriće i lokalizirane zone visoke energije.
Kada se akustični kavitacijski mjehurići formiraju, rastu i kolabiraju, stvaraju intenzivne mikrookoline. Ovi događaji mogu proizvesti:

• visoke lokalne smične sile
• mikromlazeve u blizini čvrstih površina
• udarne valove
• brzo mikromiješanje
• poboljšanu disperziju čestica
• poboljšan međufazni kontakt
• ubrzan prijenos mase i topline
• učinke čišćenja površine i aktivacije katalizatora

Ove pojave čine ultrazvučnu obradu vrlo vrijednom za intenzifikaciju procesa, osobito kada su reakcije ograničene difuzijom, slabim kontaktom faza, prljanjem katalizatora ili nedovoljnim miješanjem.

Ultrazvučna obrada u šaržnim reaktorima

Šaržni reaktori se široko koriste u laboratorijima, pilot-postrojenjima i proizvodnji specijalnih kemikalija. Fleksibilni su, jednostavni za rukovanje i prikladni za probir reakcija, sintezu malih volumena i proizvode visoke vrijednosti.
Kada se ultrazvučna obrada primijeni na šaržne reaktore, može značajno poboljšati miješanje i ujednačenost reakcije. Ultrazvučne sonde, protočne ćelije ili izvana montirani pretvarači mogu unijeti akustičnu energiju izravno u reakcijski medij.

U šaržnim sistemima ultrazvučna obrada posebno je korisna za:

1. heterogenu katalizu
2. sintezu nanočestica
3. kontrolu kristalizacije
4. emulgiranje
5. ekstrakciju
6. polimerizaciju
7. otapanje i disperziju čvrstih tvari

Kod reakcija čvrsto-tekuće ultrazvuk može spriječiti aglomeraciju čestica i poboljšati pristup katalitičkim ili reaktivnim površinama. U sistemima tekuće-tekuće ultrazvučna obrada može stvoriti fine emulzije i povećati međufaznu površinu između nemješljivih faza, što često dovodi do bržih brzina reakcije.

U ovom videu ultrazvučni homogenizator Hielscher UP200St snage 200 vati sa sonotrodom od 7mm montiran je na standardni stakleni priključak na dnu staklenog reaktora. Montaža može biti horizontalna, vertikalna ili u bilo kojem drugom smjeru. Na jednu reaktorsku posudu može se montirati više ultrazvučnih sondi – naprimjer, na različitim visinama. Često se prednost daje ugradnji sa strane ili odozdo jer bolje funkcionira pri promjenjivim nivoima tečnosti. Ultrazvučno miješanje možete kombinirati s konvencionalnim miješalicama s gornjim pogonom.

 

Protočni reaktori za kontinuiranu sonokemijsku obradu

Protočni reaktori spadaju među najvažnije izvedbe za industrijsku ultrazvučnu obradu. Umjesto obrade fiksnog volumena tekućine, reakcijska smjesa kontinuirano prolazi kroz ultrazvučnu reaktorsku komoru.
Ova izvedba vrlo je privlačna za povećanje razmjera jer inženjerima omogućuje preciznije upravljanje vremenom zadržavanja, protokom, temperaturom, tlakom i unosom ultrazvučne energije. Protočni sonokemijski reaktori često se koriste kada su potrebni dosljedna kvaliteta proizvoda i kontinuirani rad.

Glavne prednosti protočnih reaktora s ultrazvučnom obradom uključuju:

• mogućnost kontinuirane proizvodnje
• poboljšanu ponovljivost procesa
• bolju kontrolu temperature
• kontroliranu raspodjelu vremena zadržavanja
• lakšu integraciju u industrijske procesne linije
• skalabilnu arhitekturu reaktora

U ovim sistemima ultrazvučno oscilatorno miješanje strujanjem može poboljšati radijalno i aksijalno miješanje, smanjiti gradijente koncentracije i poboljšati interakciju reaktanata. To je osobito vrijedno u procesima u kojima učinkovitost reakcije ovisi o brzom kontaktu faza ili brzoj disperziji.

U ovom videu prikazujemo ultrazvučni sistem od 2 kilovata za protočni rad, smješten u ormar s mogućnošću propuhivanja. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrije, uključujući hemijsku, farmaceutsku i kozmetičku industriju, petrohemijske procese te procese ekstrakcije rastvaračima. Ovaj ormar od nehrđajućeg čelika s mogućnošću propuhivanja predviđen je za rad u opasnim zonama. U tu svrhu korisnik može propuhivati zabrtvljeni ormar azotom ili svježim zrakom kako bi spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

 

Umetak za ultrazvučnu protočnu ćeliju MultiPhaseCavitator

MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 specijalizirani je umetak za Hielscher ultrazvučne reaktore s protočnom ćelijom, namijenjen intenzifikaciji procesa tekuće/tekuće i tekuće/plinovito izravno u zoni ultrazvučne kavitacije. Ubrizgavanjem druge tekuće ili plinovite faze kroz 48 finih kanila u primarni tok tekućine, MultiPhaseCavitator stvara vrlo male kapljice ili mjehuriće plina s visokom specifičnom međufaznom površinom. To ga čini posebno učinkovitim za ultrazvučno emulgiranje, pri kojem se nemješljive faze dispergiraju u fine emulzije, te za katalitičke plinske reakcije, pri kojima se ubrizgana plinovita faza brzo dispergira i dovodi u intiman kontakt s tekućom fazom, otopljenim reaktantima ili suspendiranim katalizatorima. Rezultirajuće kavitacijsko smicanje, mikromiješanje i poboljšani prijenos mase mogu poboljšati kinetiku reakcije, kontakt na granici faza i učinkovitost procesa u kontinuiranom ili šaržnom protočnom radu.

Saznajte više o MultiPhaseCavitatoru!

Mehanizmi ultrazvučne intenzifikacije reaktora

Prednosti ultrazvučne obrade u kemijskim reaktorima temelje se na nekoliko međusobno povezanih mehanizama.

• Akustična kavitacija je najvažniji mehanizam. Podrazumijeva nastanak, rast i kolaps mikroskopskih mjehurića u tekućini izloženoj ultrazvuku visokog intenziteta. Kolaps mjehurića generira lokalizirano oslobađanje energije i snažne mehaničke sile.
• Akustično strujanje stvara stalno gibanje fluida induciranog ultrazvučnim valovima. To poboljšava miješanje i transport u zonama u kojima mehaničko miješanje može biti slabo.
• Oscilatorno miješanje strujanjem nastaje kada ultrazvučne vibracije uzrokuju brzo gibanje tekućine naprijed-natrag. U reaktorskim sistemima amplitude od približno 10 do 200 µm mogu proizvesti vrlo učinkovito miješanje i poboljšan prijenos mase.
• Mikromlazevi i udarni valovi javljaju se u blizini kolabirajućih kavitacijskih mjehurića, osobito blizu čvrstih površina. Ovi učinci mogu očistiti površine katalizatora, razbiti granične slojeve i poboljšati pristup tekućine aktivnim mjestima.
• Povećanje međufazne površine posebno je važno u sistemima tekuće-tekuće. Ultrazvuk može stvoriti fine kapljice i stabilne disperzije, povećavajući površinu dostupnu za reakciju ili prijenos mase.

Zajedno, ovi mehanizmi čine ultrazvučnu obradu moćnim alatom za intenzifikaciju kemijskih reaktora.

Intenzivna ultrazvučna obrada stvara kavitacijske mjehuriće u vodi. Njihov naknadni kolaps stvara izuzetno snažne sile smicanja u tečnosti. Ovaj učinak razara ćelije, naprimjer pri ekstrakciji biljnog materijala, ili razbija kapljice ulja u vodi na veoma sitne kapljice (emulgiranje). Kavitacijski učinak čini ultrazvučne homogenizatore Hielscher veoma efikasnim sredstvom za dispergiranje, homogenizaciju, emulgiranje i ekstrakciju. Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sonde snage od 50 vati do 16000 vati za ultrazvučne procese u laboratoriji i u proizvodnji punog obima.

 

Industrijska relevantnost dizajna sonokemijskih reaktora

Industrijska važnost reaktora s ultrazvučnom obradom nadilazi brže miješanje. Ultrazvučna obrada pruža način manipuliranja reakcijskim okolinama na razinama koje konvencionalna oprema ne može lako dosegnuti.
U kemijskom inženjerstvu mnoga ograničenja reaktora proizlaze iz transportnih pojava, a ne iz intrinzičnih brzina reakcije. Reaktanti možda ne dospijevaju dovoljno brzo do katalitičkih mjesta. Nemješljive tekućine mogu imati nedovoljnu kontaktnu površinu. Čvrste tvari se mogu aglomerirati. Membrane se mogu zaprljati. Površine katalizatora mogu se blokirati.
Ultrazvučna obrada rješava ta ograničenja izravnim poboljšanjem fizičkih uvjeta unutar reaktora. Zbog toga je relevantna za nekoliko istraživačkih i industrijskih prioriteta:

• zelenija kemijska obrada
• manju potrebu za energijom i otapalima
• poboljšanu učinkovitost katalizatora
• veću selektivnost reakcije
• brži razvoj procesa
• kontinuiranu proizvodnju
• intenzivirane modularne reaktorske sisteme
• sintezu naprednih materijala
• održivu konverziju biomase i otpadnih tokova

Istraživačima ultrazvučna obrada nudi kontroliranu metodu za proučavanje odnosa između unosa akustične energije, ponašanja kavitacije, poboljšanja transporta i kemijskih performansi. Industriji nudi praktičan put prema kompaktnim, učinkovitim i skalabilnim reaktorskim sistemima.

 

Prednosti ultrazvučne obrade u kemijskim reaktorima

Integracija ultrazvuka u dizajn reaktora nudi nekoliko operativnih i znanstvenih prednosti:

• brže brzine reakcije zahvaljujući poboljšanom prijenosu mase
• bolje miješanje u višefaznim sistemima
• poboljšanu disperziju čvrstih tvari i kapljica
• bolje iskorištenje katalizatora
• smanjena difuzijska ograničenja
• čišće površine katalizatora i membrana
• poboljšanu ponovljivost procesa u protočnim sistemima
• potencijalno smanjenje temperature, tlaka ili vremena reakcije
• kompatibilnost sa šaržnim i kontinuiranim radom
• snažnu relevantnost za heterogenu katalizu i dvofazne reakcije

Ove prednosti čine tehnologiju ultrazvučnih reaktora posebno privlačnom za fine kemikalije, specijalne kemikalije, katalizu, nanomaterijale, zelenu kemiju i intenzifikaciju procesa.

Intenzivirajte svoj kemijski reaktor Hielscher sonikatorima!

Hielscher sonikatori dobro su prikladni za prilagođenu integraciju u kemijske reaktore jer su dostupni kao robusni ultrazvučni sistemi velike snage s prilagodljivim sonotrodama, protočnim ćelijama, reaktorskim umetcima i priborom specifičnim za proces. Ovisno o reakcijskoj postavci, Hielscher ultrazvučni procesori mogu se ugraditi u šaržne reaktore, kontinuirane reaktore s miješalicom, inline protočne reaktore, recirkulacijske petlje, sisteme pod tlakom te pilot-postrojenja ili postrojenja proizvodnog razmjera. Ta fleksibilnost omogućuje primjenu ultrazvuka upravo ondje gdje je kavitacija najučinkovitija: na međufazi tekuće-čvrsto, tekuće-tekuće ili tekuće-plinovito. Hielscher Ultrasonics nudi i različite vrste ultrazvučnih šaržnih i inline reaktora, što omogućuje kontroliranu sonokemijsku obradu, emulgiranje, disperziju, aktivaciju katalizatora, čišćenje površine, intenzifikaciju prijenosa mase i ubrzanje reakcija. Uz preciznu kontrolu amplitude, unosa snage, temperature, tlaka, protoka i vremena zadržavanja, Hielscher sonikatori mogu se prilagoditi specifičnim zahtjevima laboratorijskih istraživanja, razvoja procesa, povećanja razmjera i industrijske kemijske proizvodnje.

Tablica u nastavku daje okvirnu naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju neometanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najmodernijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji u skladu su s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

---

---

 

Literatura / reference

• 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.