Kontinuirano miješani spremnički reaktori s ultrazvučnim miješanjem

Kontinuirano miješani spremnički reaktori (CSTR) široko se primjenjuju za različite kemijske reakcije, uključujući katalizu, kemiju emulzija, polimerizaciju, sintezu, ekstrakciju i kristalizaciju. Spora kinetika reakcije čest je problem kod CSTR-a, koji se lako može prevladati primjenom snažne ultrazvučne obrade. Intenzivno miješanje, agitacija i sonohemijski efekti snažnog ultrazvuka ubrzavaju kinetiku reakcije i značajno poboljšavaju stepen konverzije. Ultrazvučni uređaji mogu se lako integrirati u CSTR-ove bilo kojeg volumena.

Zašto primijeniti snažni ultrazvuk na kontinuirano miješani spremnički reaktor?

Kontinuirano miješani spremnički reaktor (CSTR, ili jednostavno miješani spremnički reaktor (STR)) po svojim je osnovnim karakteristikama prilično sličan šaržnom reaktoru. Najvažnija razlika je u tome što se kod postavke kontinuirano miješanog spremničkog reaktora (CSTR) materijal mora dovoditi u kontinuiranom toku u reaktor i iz njega. Dovod u reaktor može se ostvariti gravitacijskim tokom ili tokom s prisilnom cirkulacijom pomoću pumpe. CSTR se ponekad naziva i reaktorom s povratnim miješanjem toka (BMR).
CSTR-ovi se obično koriste kada je potrebno miješanje dviju ili više tekućina. CSTR-ovi se mogu koristiti kao pojedinačni reaktor ili se mogu instalirati kao serija konfiguracija za različite tokove koncentracija i korake reakcije. Osim upotrebe jednog spremničkog reaktora, uobičajeni su i serijska instalacija više spremnika (jedan za drugim) ili kaskadna postavka.
Zašto ultrazvučna obrada? Poznato je da ultrazvučno miješanje i agitacija, kao i sonohemijski efekti snažnog ultrazvuka, doprinose efikasnosti kemijskih reakcija. Poboljšano miješanje i smanjenje veličine čestica zahvaljujući ultrazvučnim vibracijama i kavitaciji osiguravaju značajno ubrzanu kinetiku i povećan stepen konverzije. Sonohemijski efekti mogu isporučiti potrebnu energiju za pokretanje kemijskih reakcija, promjenu kemijskih puteva i postizanje većih prinosa zahvaljujući potpunijoj reakciji.

Ultrazvučno intenzivirani CSTR može se koristiti za primjene kao što su:

• Heterogene reakcije tekućina–tekućina
• Heterogene reakcije čvrsto–tekućina
• Homogene reakcije u tekućoj fazi
• Heterogene reakcije plin–tekućina
• Heterogene reakcije plin–čvrsto–tekućina

Ultrazvučna obrada kao brzi sintetski kemijski sistem

Brza sintetska kemija novi je reakcijski postupak koji se koristi za pokretanje i intenziviranje kemijske sinteze. U usporedbi s tradicionalnim reakcijskim putevima, koji zahtijevaju nekoliko sati ili dana uz refluks, ultrazvučno potpomognuti sintetski reaktori mogu skratiti trajanje reakcije na nekoliko minuta, što rezultira značajno ubrzanom reakcijom sinteze. Ultrazvučno intenziviranje sinteze zasniva se na principu rada akustične kavitacije i s njom povezanim silama, uključujući lokalno ograničeno pregrijavanje. Više o ultrazvuku, akustičnoj kavitaciji i sonohemiji saznajte u sljedećem odjeljku.

Ultrazvučna kavitacija i njeni sonohemijski efekti

Ultrazvučna (ili akustična) kavitacija nastaje kada se snažni ultrazvuk unosi u tekućine ili suspenzije. Kavitacija je prijelaz iz tekuće faze u parnu fazu, do kojeg dolazi zbog pada tlaka do razine napona pare fluida.
Ultrazvučna kavitacija stvara vrlo visoke smične sile i mlazove tekućine brzine do 1000m/s. Ovi mlazovi tekućine ubrzavaju čestice i uzrokuju sudare među česticama, čime se smanjuje veličina čestica čvrstih tvari i kapljica. Dodatno – lokalizirano unutar i u neposrednoj blizini imploderirajućeg kavitacijskog mjehurića – stvaraju se izuzetno visoki tlakovi reda veličine stotina atmosfera i temperature reda veličine hiljada stepeni Kelvina.
Iako je ultrazvučna obrada čisto mehanička metoda obrade, može proizvesti lokalno ograničen ekstreman porast temperature. To je posljedica intenzivnih sila koje nastaju unutar i u neposrednoj blizini kolabirajućih kavitacijskih mjehurića, gdje se lako mogu postići temperature od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa. U masi otopine porast temperature uslijed implozije pojedinačnog mjehurića gotovo je zanemariv, ali odvođenje topline iz brojnih kavitacijskih mjehurića, kako se uočava u kavitacijskim žarištima (koja nastaju sonikacijom ultrazvukom velike snage), na kraju može uzrokovati mjerljivo povišenje temperature mase otopine. Prednost ultrazvučne obrade i sonohemije leži u kontroliranim temperaturnim efektima tokom obrade: temperatura mase otopine može se kontrolirati upotrebom spremnika s rashladnim plaštem, kao i pulsnom sonikacijom. Sofisticirani ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher Ultrasonics mogu pauzirati ultrazvuk kada se dosegne gornja temperaturna granica i nastaviti ultrazvučnu obradu čim se dosegne donja vrijednost zadanog ∆T. Ovo je posebno važno kada se koriste reaktanti osjetljivi na toplinu.

Sonohemija poboljšava kinetiku reakcije

Budući da sonikacija stvara intenzivne vibracije i kavitaciju, kemijska kinetika je pod njihovim utjecajem. Kinetika kemijskog sistema usko korelira s ekspanzijom i implozijom kavitacijskog mjehurića, čime značajno utječe na dinamiku kretanja mjehurića. Otopljeni plinovi u otopini kemijske reakcije utječu na karakteristike sonohemijske reakcije i toplinskim i kemijskim efektima. Toplinski efekti utječu na vršne temperature koje se postižu tokom kolapsa mjehurića unutar kavitacijske šupljine; kemijski efekti modificiraju djelovanje plinova koji su izravno uključeni u reakciju.
Heterogene i homogene reakcije sa sporom kinetikom reakcije, uključujući Suzukijeve reakcije kuplovanja, precipitaciju, kristalizaciju i kemiju emulzija, predodređene su da se pokrenu i potpomognu snažnim ultrazvukom i njegovim sonohemijskim efektima.
Na primjer, za sintezu ferulinske kiseline, sonikacija niske frekvencije (20kHz) snage 180 W dala je prinos ferulinske kiseline od 94% na 60°C za 3 h. Ovi rezultati autora Truong et al. (2018) pokazuju da je upotreba niske frekvencije (sonda tipa horn i zračenje velike snage) značajno poboljšala stepen konverzije, dajući prinose veće od 90%.

Ultrazvučno intenzivirana kemija emulzija

Heterogene reakcije, kao što je kemija emulzija, imaju znatnu korist od primjene snažnog ultrazvuka. Ultrazvučna kavitacija smanjuje i homogeno raspoređuje kapljice svake faze unutar one druge, stvarajući submikronsku emulziju ili nanoemulziju. Budući da kapljice nanometarskih dimenzija nude drastično povećanu površinu za interakciju s različitim kapljicama, prijenos mase i brzina reakcije značajno se poboljšavaju. Pod sonikacijom reakcije poznate po tipično sporoj kinetici pokazuju dramatično poboljšane stepene konverzije, veće prinose, manje nusproizvoda ili otpada i bolju ukupnu efikasnost. Ultrazvučno poboljšana kemija emulzija često se primjenjuje za emulzijsku polimerizaciju, npr. za proizvodnju polimernih mješavina, ljepila na vodenoj bazi i specijalnih polimera.

10 stvari koje biste trebali znati prije kupovine kemijskog reaktora

Kada birate kemijski reaktor za kemijski proces, postoji mnogo faktora koji utječu na optimalan dizajn kemijskog reaktora. Ako vaš kemijski proces uključuje višefazne, heterogene kemijske reakcije i ima sporu kinetiku reakcije, miješanje u reaktoru i aktivacija procesa ključni su faktori koji utječu na uspješnu kemijsku konverziju i na ekonomične (pogonske) troškove kemijskog reaktora.
Ultrazvučna obrada značajno poboljšava kinetiku reakcije kemijskih reakcija tekućina–tekućina i tekućina–čvrsto u šaržnim kemijskim reaktorima i inline reakcijskim posudama. Stoga integracija ultrazvučnih sondi u kemijski reaktor može smanjiti troškove reaktora te poboljšati ukupnu efikasnost i kvalitet krajnjeg proizvoda.
Inženjerstvu kemijskih reaktora vrlo često nedostaje znanje o ultrazvučno potpomognutom poboljšanju procesa. Bez dubokog poznavanja utjecaja snažnog ultrazvuka, ultrazvučnog miješanja, akustične kavitacije i sonohemijskih efekata na performanse kemijskog reaktora, analiza kemijskih reaktora i konvencionalne osnove dizajna mogu dati samo inferiorne rezultate. U nastavku ćete dobiti pregled temeljnih prednosti ultrazvuka za dizajn i optimizaciju kemijskih reaktora.

Prednosti ultrazvučno intenziviranog kontinuirano miješanog spremničkog reaktora (CSTR)

• • Ultrazvučno unaprijeđeni reaktori za laboratorij i proizvodnju:
    Jednostavna skalabilnost: Ultrazvučni procesori lako su dostupni za laboratorijsku veličinu, pilot i veliku proizvodnju
    Reproducibilni / ponovljivi rezultati zahvaljujući precizno podesivim ultrazvučnim parametrima
    Kapacitet i brzina reakcije: ultrazvučno intenzivirane reakcije su brže i stoga ekonomičnije (niži troškovi)
  • Sonohemija je primjenjiva za opće, kao i za posebne svrhe

– prilagodljivost i svestranost, npr. fleksibilne opcije instalacije i postavljanja te interdisciplinarna upotreba

• Ultrazvučna obrada može se koristiti u eksplozivnim okruženjima
  – ispiranje inertnim plinom (npr. dušični omotač)
  – nema otvorene površine
• Jednostavno čišćenje: samočišćenje (CIP – clean-in-place)
• Odaberite željene konstrukcijske materijale
  – staklo, nehrđajući čelik, titan
  – nema rotacijskih brtvi
  – širok izbor brtvila
• Ultrazvučni uređaji mogu se koristiti u širokom rasponu temperatura
• Ultrazvučni uređaji mogu se koristiti pri širokom rasponu tlakova
• Sinergijski efekt s drugim tehnologijama, npr. elektrokemijom (sonoelektrokemija), katalizom (sonokataliza), kristalizacijom (sonokristalizacija) itd.
• Sonikacija je idealna za unapređenje bioreaktora, npr. fermentacije.
• Otapanje / rastvaranje: U procesima otapanja čestice prelaze iz jedne faze u drugu, npr. kada se čvrste čestice otapaju u tekućini. Utvrđeno je da stepen miješanja utječe na brzinu procesa. Mnogo sitnih kristala otapa se znatno brže pod ultrazvučnom kavitacijom nego jedan kristal u konvencionalno miješanim šaržnim reaktorima. I ovdje razlog za različite brzine leži u različitim brzinama prijenosa mase na površinama čestica. Na primjer, ultrazvučna obrada se uspješno primjenjuje za stvaranje prezasićenih otopina, npr. u procesima kristalizacije (sonokristalizacija).
• Ultrazvučno potpomognuta kemijska ekstrakcija:
  – Tekućina–čvrsto, npr. botanička ekstrakcija, kemijska ekstrakcija
  – Tekućina–tekućina: Kada se ultrazvuk primijeni na sistem ekstrakcije tekućina–tekućina, stvara se emulzija jedne od faza u drugoj. Ovo stvaranje emulzije dovodi do povećanih međufaznih površina između dviju nemješljivih faza, što rezultira pojačanim fluksom prijenosa mase između faza.

Kako sonikacija poboljšava kemijske reakcije u miješanim spremničkim reaktorima?

• Veća kontaktna površina: U reakcijama između reaktanata u heterogenim fazama mogu reagirati samo čestice koje se međusobno sudare na međufaznoj površini. Što je veća međufazna površina, to se može dogoditi više sudara. Kada se tekući ili čvrsti dio tvari razbije na manje kapljice ili čvrste čestice suspendirane u tekućini kontinuirane faze, površina te tvari se povećava. Nadalje, kao rezultat smanjenja veličine broj čestica raste, pa se prosječna udaljenost između tih čestica smanjuje. To poboljšava izloženost kontinuirane faze dispergiranoj fazi. Stoga brzina reakcije raste sa stepenom usitnjavanja disperzne faze. Mnoge kemijske reakcije u disperzijama ili emulzijama pokazuju drastična poboljšanja brzine reakcije kao rezultat ultrazvučnog smanjenja veličine čestica.
• Kataliza (energija aktivacije): Katalizatori su od velike važnosti u mnogim kemijskim reakcijama, u laboratorijskom razvoju i u industrijskoj proizvodnji. Katalizatori su često u čvrstoj ili tekućoj fazi i nemješljivi s jednim reaktantom ili sa svim reaktantima. Stoga je kataliza češće nego ne heterogena kemijska reakcija. U proizvodnji najvažnijih osnovnih kemikalija, kao što su sumporna kiselina, amonijak, dušična kiselina, eten i metanol, katalizatori su ključni. Velika područja ekološke tehnologije zasnivaju se na katalitičkim procesima. Sudar čestica dovodi do kemijske reakcije, tj. pregrupiranja atoma, samo ako se čestice sudare s dovoljnom kinetičkom energijom. Ultrazvučna obrada je vrlo efikasno sredstvo za povećanje kinetike u kemijskim reaktorima. U procesu heterogene katalize dodavanje ultrazvuka dizajnu kemijskog reaktora može smanjiti potrebu za katalizatorom. To može rezultirati upotrebom manje katalizatora ili inferiornijih, manje plemenitih katalizatora.
• Veća učestalost kontakta / poboljšan prijenos mase: Ultrazvučno miješanje i agitacija vrlo su djelotvorna metoda za stvaranje sitnih kapljica i čestica (tj. submikronskih čestica i nanočestica), koje nude veću aktivnu površinu za reakcije. Pod dodatnom intenzivnom agitacijom i mikrokretanjem uzrokovanim snažnim ultrazvukom drastično se povećava učestalost kontakta među česticama, što rezultira značajno poboljšanim stepenom konverzije.
• Komprimirana plazma: Kod mnogih reakcija povećanje temperature reaktora za 10 Kelvina uzrokuje otprilike udvostručenje brzine reakcije. Ultrazvučna kavitacija proizvodi lokalizirana visokoreaktivna žarišta temperature do 5000K unutar tekućine, bez značajnog zagrijavanja ukupnog volumena tekućine u kemijskom reaktoru.
• Toplinska energija: Svaka ultrazvučna energija koju dodate dizajnu kemijskog reaktora na kraju će se pretvoriti u toplinsku energiju. Stoga tu energiju možete ponovno iskoristiti za kemijski proces. Umjesto unosa toplinske energije putem grijaćih elemenata ili pare, ultrazvučna obrada unosi mehaničku energiju koja aktivira proces pomoću visokofrekventnih vibracija. U kemijskom reaktoru to proizvodi ultrazvučnu kavitaciju koja aktivira kemijski proces na više razina. Naposljetku, golemo ultrazvučno smicanje kemikalija rezultira pretvorbom u toplinsku energiju, tj. toplinu. Za hlađenje možete koristiti šaržne reaktore s plaštem ili inline reaktore kako biste održali konstantnu temperaturu procesa za svoju kemijsku reakciju.

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za poboljšane kemijske reakcije u CSTR-u

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore i dispergatore za integraciju u kontinuirano miješane spremničke reaktore (CSTR). Ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher koriste se širom svijeta za pokretanje, intenziviranje, ubrzavanje i poboljšanje kemijskih reakcija.
Ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics dostupni su u bilo kojoj veličini, od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za primjene u protočnoj kemiji. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude (koja je najvažniji parametar) omogućuje rad ultrazvučnih uređaja kompanije Hielscher pri niskim do vrlo visokim amplitudama i tačno podešavanje amplitude prema potrebnim uvjetima ultrazvučnog procesa specifičnog sistema kemijske reakcije.
Ultrazvučni generator kompanije Hielscher raspolaže pametnim softverom s automatskim protokoliranjem podataka. Svi važni parametri obrade, kao što su ultrazvučna energija, temperatura, tlak i vrijeme, automatski se pohranjuju na ugrađenu SD karticu čim se uređaj uključi.
Praćenje procesa i bilježenje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitet proizvoda. Pristupom automatski zabilježenim podacima o procesu možete pregledati prethodne cikluse sonikacije i procijeniti ishod.
Još jedna korisnicima prilagođena značajka je daljinsko upravljanje putem preglednika za naše digitalne ultrazvučne sisteme. Putem daljinskog upravljanja preko preglednika možete pokrenuti, zaustaviti, podešavati i pratiti svoj ultrazvučni procesor na daljinu, s bilo kojeg mjesta.
Kontaktirajte nas sada kako biste saznali više o tome kako naši visokoučinkoviti ultrazvučni homogenizatori mogu poboljšati vaš kontinuirano miješani spremnički reaktor (CSTR)!
Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja: