Kontinuirano miješani reaktori-reaktori uz pomoć ultrazvuka

Kontinuirano miješani tank reaktori (CSTR) se široko primjenjuju za različite kemijske reakcije uključujući katalizu, hemiju emulzije, polimerizaciju, sintezu, ekstrakciju i kristalizaciju. Spora kinetika reakcije je uobičajen problem u CSTR-u, koji se lako može prevladati primjenom ultrazvučnog zračenja. Intenzivno miješanje, agitacija i sonohemijski efekti ultrazvuka ubrzavaju kinetiku reakcije i značajno poboljšavaju stopu konverzije. Ultrasonikatori se mogu lako integrisati u CSTR bilo koje zapremine.

Zašto primijeniti ultrazvuk na reaktor u rezervoaru koji se stalno miješa?

Kontinuirano miješani tank reaktor (CSTR, ili jednostavno miješani tank reaktor (STR)) je u svojim glavnim karakteristikama prilično sličan šaržnom reaktoru. Glavna bitna razlika je u tome što, za konfiguraciju reaktora sa rezervoarom sa stalnim mešanjem (CSTR), dovod materijala mora biti obezbeđen kontinuiranim protokom u i iz reaktora. Napajanje reaktora može se postići gravitacijskim ili prinudnom cirkulacijom pomoću pumpe. CSTR se ponekad naziva reaktor sa povratnim miješanjem (BMR).
CSTR se obično koriste kada je potrebno miješanje dvije ili više tekućina. CSTR se mogu koristiti kao pojedinačni reaktor ili se instalirati kao niz konfiguracija za različite tokove koncentracije i korake reakcije. Osim upotrebe reaktora sa jednim rezervoarom, uobičajeno se koristi serijska instalacija različitih rezervoara (jedan za drugim) ili kaskadno postavljanje.
Zašto ultrazvuk? Poznato je da ultrazvučno mešanje i mešanje, kao i sonohemijski efekti snažnog ultrazvuka doprinose efikasnosti hemijskih reakcija. Poboljšano miješanje i smanjenje veličine čestica zbog ultrazvučnih vibracija i kavitacije osiguravaju značajno ubrzanu kinetiku i poboljšanu stopu konverzije. Sonohemijski efekti mogu isporučiti potrebnu energiju za iniciranje hemijskih reakcija, prebacivanje hemijskih puteva i davanje većeg prinosa zbog potpunije reakcije.

Ultrazvučno pojačani CSTR može se koristiti za aplikacije kao što su:

• Heterogene reakcije tečnost-tečnost
• Heterogene reakcije čvrsto-tečnost
• Homogene reakcije tečne faze
• Heterogene reakcije gas-tečnost
• Heterogene reakcije gas-čvrsto-tečnost

Ultrasonication kao sintetički hemijski sistem velike brzine

Sintetička hemija velike brzine je nova tehnika reakcije koja se koristi za pokretanje i intenziviranje hemijske sinteze. U poređenju sa tradicionalnim putevima reakcije, kojima je potrebno nekoliko sati ili dana pod refluksom, reaktori za sintezu podstaknuti ultrazvukom mogu minimizirati trajanje reakcije na nekoliko minuta što rezultira značajnom ubrzanom reakcijom sinteze. Intenzifikacija ultrazvučne sinteze temelji se na principu rada akustične kavitacije i srodnih sila uključujući lokalno ograničeno pregrijavanje. Saznajte više o ultrazvuku, akustičnoj kavitaciji i sonohemiji u sljedećem odjeljku.

Ultrazvučna kavitacija i njeni sonohemijski efekti

Ultrazvučna (ili akustična) kavitacija nastaje kada se ultrazvuk uparuje u tečnosti ili kašu. Kavitacija je prelazak iz tečne faze u paru, koji nastaje usled pada pritiska na nivo parne napetosti fluida.
Ultrazvučna kavitacija stvara vrlo velike sile smicanja i mlazove tekućine do 1000m/s. Ovi mlazovi tekućine ubrzavaju čestice i uzrokuju sudare između čestica i na taj način smanjuju veličinu čestica čvrstih tvari i kapljica. Dodatno – lokalizovan unutar i u neposrednoj blizini implodirajućeg kavitacionog mjehura – Stvaraju se ekstremno visoki pritisci reda stotina atmosfera i temperature reda hiljada stepeni Kelvina.
Iako je ultrazvučna obrada čisto mehanička metoda obrade, može dovesti do lokalno ograničenog ekstremnog porasta temperature. To je zbog intenzivnih sila koje se stvaraju unutar i u neposrednoj blizini kolapsirajućih mjehurića kavitacije, gdje se lako mogu postići temperature od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa. U rasutom rastvoru, povećanje temperature koje je rezultat implozije jednog mjehurića je gotovo zanemarivo, ali rasipanje topline iz brojnih kavitacijskih mjehurića kao što je uočeno u žarištima kavitacije (generirano ultrazvukom velike snage) može konačno uzrokovati mjerljivu temperaturu povećanje temperature mase. Prednost ultrazvučne obrade i sonohemije leži u kontrolisanim temperaturnim efektima tokom obrade: Kontrola temperature rastvora u rasutom stanju može se postići korišćenjem rezervoara sa rashladnim omotačem, kao i pulsnom sonikacijom. Sofisticirani ultrasonikatori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu pauzirati ultrazvuk kada se dostigne gornja granica temperature i nastaviti s ultrasonifikacijom čim se dostigne donja vrijednost skupa ∆T. Ovo je posebno važno kada se koriste reaktanti osjetljivi na toplinu.

Sonochemistry poboljšava kinetiku reakcije

Budući da ultrazvuk stvara intenzivne vibracije i kavitaciju, kemijska kinetika je pogođena. Kinetika hemijskog sistema usko je u korelaciji sa ekspanzijom i implozijom kavitacionog mjehura, pri čemu značajno utiče na dinamiku kretanja mjehurića. Otopljeni gasovi u rastvoru hemijske reakcije utiču na karakteristike sonohemijske reakcije i preko termičkih i hemijskih efekata. Toplotni efekti utiču na vršne temperature koje se postižu tokom kolapsa mehurića unutar kavitacione šupljine; hemijski efekti modifikuju efekte gasova koji su direktno uključeni u reakciju.
Heterogene i homogene reakcije sa sporom kinetikom reakcije, uključujući Suzukijeve reakcije spajanja, precipitaciju, kristalizaciju i hemiju emulzije, predodređene su da budu inicirane i promovirane putem ultrazvuka snage i njegovih sonohemijskih efekata.
Na primjer, za sintezu ferulne kiseline, niskofrekventna (20 kHz) sonikacija pri snazi od 180 W dala je 94% prinosa ferulne kiseline na 60°C za 3 h. Ovi rezultati Truonga et al. (2018) pokazuju da je upotreba niske frekvencije (tip rog i zračenje velike snage) značajno poboljšala stopu konverzije dajući prinose veće od 90%.

Ultrazvučno pojačana hemija emulzije

Heterogene reakcije kao što je hemija emulzije imaju značajne koristi od primjene ultrazvuka. Ultrazvučna kavitacija je smanjila i distribuirala kapljice svake faze homogeno jedna unutar druge stvarajući submikronsku ili nano-emulziju. Budući da kapljice nano veličine nude drastično povećanu površinu za interakciju s različitim kapljicama, prijenos mase i brzina reakcije su značajno poboljšani. Pod sonikacijom, reakcije poznate po svojoj tipično sporoj kinetici pokazuju dramatično poboljšane stope konverzije, veće prinose, manje nusproizvoda ili otpada i bolju ukupnu efikasnost. Ultrazvučno poboljšana hemija emulzije često se primjenjuje za polimerizaciju emulzija, npr. za proizvodnju mješavina polimera, ljepila na bazi vode i specijalnih polimera.

10 stvari koje biste trebali znati prije nego što kupite hemijski reaktor

Kada odaberete hemijski reaktor za hemijski proces postoji mnogo faktora koji utiču na optimalan dizajn hemijskog reaktora. Ako vaš hemijski proces uključuje višefazne, heterogene hemijske reakcije i ima sporu kinetiku reakcije, mešanje reaktora i aktivacija procesa su suštinski faktori uticaja za uspešnu hemijsku konverziju i za ekonomične (operativne) troškove hemijskog reaktora.
Ultrasonication značajno poboljšava kinetiku reakcije tekućina-tečnost i tekućina-čvrsta kemijska reakcija u kemijskim šaržnim reaktorima i inline reakcijskim posudama. Dakle, integracija ultrazvučnih sondi u hemijski reaktor može smanjiti troškove reaktora i poboljšati ukupnu efikasnost i kvalitet finalnog proizvoda.
Veoma često inženjerstvu hemijskih reaktora nedostaje znanje o poboljšanju procesa uz pomoć ultrazvuka. Bez dubokog znanja o uticaju ultrazvuka snage, ultrazvučne agitacije, akustične kavitacije i sonohemijskih efekata na performanse hemijskog reaktora, analiza hemijskog reaktora i osnove konvencionalnog dizajna mogu dati samo inferiorne rezultate. U nastavku ćete dobiti pregled osnovnih prednosti ultrazvuka za dizajn i optimizaciju hemijskih reaktora.

Prednosti ultrazvučno pojačanog reaktora s kontinuiranim miješanjem (CSTR)

• • Ultrazvučno poboljšani reaktori za laboratorije i proizvodnju:
    Laka skalabilnost: Ultrazvučni procesori su lako dostupni za laboratorijsku, pilotsku i masovnu proizvodnju
    Reproducibilno / ponovljivo rezultati zahvaljujući precizno kontrolisanim ultrazvučnim parametrima
    Kapacitet i brzina reakcije: ultrazvučno pojačane reakcije su brže, a time i ekonomičnije (niži troškovi)
  • Sonohemija je primenljiva za opšte kao i za posebne namene

– prilagodljivost & svestranost, npr. fleksibilne opcije instalacije i podešavanja i interdisciplinarna upotreba

• Ultrasonication se može koristiti u eksplozivnim okruženjima
  – pročišćavanje (npr. azotni pokrivač)
  – nema otvorene površine
• Jednostavno čišćenje: samočišćenje (CIP – čišćenje na mjestu)
• Odaberite željeni materijal za gradnju
  – staklo, nerđajući čelik, titanijum
  – nema rotacionih zaptivki
  – širok izbor zaptivača
• Ultrasonikatori se mogu koristiti u širokom rasponu temperatura
• Ultrasonikatori se mogu koristiti u širokom rasponu pritisaka
• Sinergijski efekat sa drugim tehnologijama, npr. elektrohemija (sono-elektrohemija), kataliza (sono-kataliza), kristalizacija (sono-kristalizacija) itd.
• Sonikacija je idealna za poboljšanje bioreaktora, npr. fermentacije.
• Otapanje / rastvaranje: U procesima rastvaranja, čestice prelaze iz jedne faze u drugu, npr. kada se čvrste čestice otapaju u tečnosti. Utvrđeno je da stepen agitacije utiče na brzinu procesa. Mnogi mali kristali se rastvaraju mnogo brže pod ultrazvučnom kavitacijom nego jedan u reaktorima sa konvencionalnim mešanjem. 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 (sono-kristalizacija).
• Ultrazvučno promovirana hemijska ekstrakcija:
  – Tečno-čvrsto, npr. botanička ekstrakcija, hemijska ekstrakcija
  – Tečnost-tečnost: Kada se ultrazvuk primeni na sistem za ekstrakciju tečnost-tečnost, stvara se emulzija jedne od faza u drugoj. Ovakvo formiranje emulzije dovodi do povećanih površina između dvije faze koje se ne miješaju, što rezultira pojačanim protokom mase između faza.

Kako ultrazvuk poboljšava kemijske reakcije u reaktorima s miješanim spremnikom?

• Veća kontaktna površina: U reakcijama između reaktanata u heterogenim fazama mogu reagovati samo čestice koje se sudaraju na granici. Što je veći interfejs, to se više sudara može dogoditi. Kako se tekući ili čvrsti dio tvari razbije na manje kapljice ili čvrste čestice suspendirane u tekućini kontinuirane faze, površina ove tvari se povećava. Nadalje, kao rezultat smanjenja veličine, broj čestica se povećava i stoga se prosječna udaljenost između ovih čestica smanjuje. Ovo poboljšava izlaganje kontinuirane faze dispergovanoj fazi. Stoga se brzina reakcije povećava sa stepenom fragmentacije disperzne faze. Mnoge kemijske reakcije u disperzijama ili emulzijama pokazuju drastična poboljšanja u brzini reakcije kao rezultat ultrazvučnog smanjenja veličine čestica.
• Kataliza (aktivaciona energija): Katalizatori su od velikog značaja u mnogim hemijskim reakcijama, u laboratorijskom razvoju i industrijskoj proizvodnji. Često su katalizatori u čvrstoj ili tečnoj fazi i ne mogu se mešati sa jednim reaktantom ili sa svim reaktantima. Stoga, češće nego ne, kataliza je heterogena hemijska reakcija. U proizvodnji najvažnijih osnovnih hemikalija kao što su sumporna kiselina, amonijak, azotna kiselina, eten i metanol, katalizatori igraju važnu ulogu. Velika područja ekološke tehnologije temelje se na katalitičkim procesima. Sudar čestica dovodi do kemijske reakcije, odnosno pregrupisavanja atoma, samo ako se čestice sudaraju s dovoljno kinetičke energije. Ultrazvuk je visoko efikasno sredstvo za povećanje kinetike u hemijskim reaktorima. U heterogenom procesu katalize, dodavanje ultrazvuka dizajnu hemijskog reaktora može smanjiti potrebu za katalizatorom. To može rezultirati upotrebom manje katalizatora ili inferiornih, manje plemenitih katalizatora.
• Veća frekvencija kontakta / poboljšan prijenos mase: Ultrazvučno miješanje i miješanje je vrlo efikasna metoda za stvaranje sitnih kapljica i čestica (tj. submikronskih i nano-čestica), koje nude veću aktivnu površinu za reakcije. Pod dodatnom intenzivnom agitacijom i mikropokretima uzrokovanim ultrazvukom, frekvencija kontakta između čestica se drastično povećava što rezultira značajno poboljšanom stopom konverzije.
• Kompresovana plazma: Za mnoge reakcije, povećanje temperature reaktora za 10 Kelvina uzrokuje da se brzina reakcije otprilike udvostruči. Ultrazvučna kavitacija proizvodi lokalizovana visoko reaktivna žarišta do 5000K unutar tečnosti, bez značajnog zagrevanja ukupne zapremine tečnosti u hemijskom reaktoru.
• Toplotna energija: Svaka ultrazvučna energija koju dodate dizajnu hemijskog reaktora, konačno će se pretvoriti u toplotnu energiju. Stoga možete ponovo koristiti energiju za hemijski proces. Umjesto unosa toplinske energije grijaćim elementima ili parom, ultrazvuk uvodi proces koji aktivira mehaničku energiju pomoću visokofrekventnih vibracija. U hemijskom reaktoru, ovo proizvodi ultrazvučnu kavitaciju koja je aktivirala hemijski proces na više nivoa. Konačno, ogromno ultrazvučno smicanje hemikalija rezultira pretvaranjem u toplotnu energiju, tj. toplotu. Možete koristiti šaržne reaktore sa omotačem ili inline reaktore za hlađenje kako biste održali konstantnu temperaturu procesa za vašu hemijsku reakciju.

Ultrasonikatori visokih performansi za poboljšane hemijske reakcije u CSTR

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne homogenizatore i disperzatore visokih performansi za integraciju u reaktore sa kontinuiranim miješanjem (CSTR). Hielscher ultrasonicatori se koriste širom svijeta za promoviranje, intenziviranje, ubrzanje i poboljšanje kemijskih reakcija.
Hielscher Ultrasonics’ ultrazvučni procesori su dostupni u bilo kojoj veličini od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za primjene u hemiji protoka. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude (koja je najvažniji parametar) omogućava rad Hielscher ultrasonikatorima pri malim do vrlo visokim amplitudama i fino podešavanje amplitude tačno prema potrebnim uslovima ultrazvučnog procesa specifičnog sistema hemijske reakcije.
Hielscherov ultrazvučni generator ima pametan softver s automatskim protokoliranjem podataka. Svi važni parametri obrade kao što su ultrazvučna energija, temperatura, pritisak i vrijeme automatski se pohranjuju na ugrađenu SD karticu čim se uređaj uključi.
Praćenje procesa i snimanje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitet proizvoda. Pristupanjem automatski snimljenim procesnim podacima, možete revidirati prethodne rezultate sonikacije i procijeniti rezultat.
Još jedna karakteristika prilagođena korisniku je daljinsko upravljanje pretraživačem naših digitalnih ultrazvučnih sistema. Putem daljinske kontrole pretraživača možete pokrenuti, zaustaviti, podesiti i nadgledati svoj ultrazvučni procesor na daljinu s bilo kojeg mjesta.
Kontaktirajte nas sada da saznate više o našim ultrazvučnim homogenizatorima visokih performansi koji mogu poboljšati vaš reaktor rezervoara sa kontinuiranim mešanjem (CSTR)!
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: