Chemické reaktory s využitím ultrazvuku – Typy, konstrukce a mechanismy
Chemické reaktory představují jádro průmyslové chemie, syntézy materiálů, výroby jemné chemie, farmaceutické výroby a zpracování odpadů. Vzhledem k tomu, že průmyslová odvětví usilují o rychlejší, čistší a energeticky účinnější procesy, stává se sonikace, známá také jako ultrazvukové zpracování, stále významnější metodou pro intenzifikaci reaktorů. Technologie ultrazvukových reaktorů mění podobu chemického zpracování tím, že zlepšuje míchání, přenos hmoty, reakční kinetiku a heterogenní katalýzu v dávkových i kontinuálních reaktorových systémech.
Jak ultrazvuk zlepšuje výkon chemických reaktorů
Zavedením vysoce výkonného ultrazvuku do chemického reaktoru mohou inženýři vyvolat ultrazvukové oscilační míchání proudů a akustickou kavitaci uvnitř reakčního média. Tyto mechanismy zlepšují kontakt mezi reaktanty, urychlují přenos hmoty a mohou zvýšit reakční rychlosti, selektivitu i výtěžek. Sonikace je obzvláště účinná v systémech pevná látka–kapalina, jako je heterogenní katalýza, a v systémech kapalina–kapalina, jako je emulgace, extrakce a dvoufázové reakce. V směsích plyn–kapalina se používá méně často, protože v kapalinách s vysokým obsahem plynu dochází k akustické kavitaci méně efektivně.
V moderních sonochemických reaktorech jsou kapaliny míchány pomocí ultrazvukových kmitů a kavitace, obvykle s amplitudami v rozmezí 10 až 200 µm. To umožňuje dosáhnout silných mikroskopických míchacích účinků, kterých je obtížné dosáhnout pouze pomocí konvenčního mechanického míchání.
Inline sonikátor UIP4000hdT s průtokovou komůrkou pro intenzivnější chemické reakce
Proč ultrazvuk zvyšuje účinnost chemických reaktorů
Průmyslový význam sonikace spočívá v její schopnosti ovlivňovat chemické a fyzikální transportní jevy na mikro- a mezoúrovni. Na rozdíl od běžného míchání ultrazvuk neprovádí pouze pohyb objemu kapaliny. Vytváří tlakové vlny, oscilační pohyb, kavitační bubliny a lokalizované zóny s vysokou energií.
Když se akustické kavitační bubliny tvoří, zvětšují a praskají, vytvářejí intenzivní mikroprostředí. Tyto jevy mohou způsobit:
- vysoké lokální smykové síly
- mikroproudy v blízkosti pevných povrchů
- rázové vlny
- rychlé mikromíchání
- lepší rozptyl částic
- lepší kontakt mezi povrchy
- zrychlený přenos hmoty a tepla
- účinky čištění povrchu a aktivace katalyzátoru
Díky těmto jevům je sonikace velmi cenným nástrojem pro intenzifikaci procesů, zejména v případech, kdy jsou reakce omezeny difúzí, nedostatečným fázovým kontaktem, zanášením katalyzátoru nebo nedostatečným promícháním.
Ultrazvuková обробка v šaržových reaktorech
Šaržové reaktory se hojně používají v laboratořích, pilotních zařízeních a při výrobě speciálních chemikálií. Jsou flexibilní, snadno se obsluhují a hodí se pro screening reakcí, syntézu v malých objemech i pro výrobu produktů s vysokou přidanou hodnotou.
Použití ultrazvuku v šaržových reaktorech může výrazně zlepšit promíchání a rovnoměrnost reakce. Ultrazvukové sondy, průtokové komory nebo externě namontované měniče mohou vnášet akustickou energii přímo do reakčního média.
V dávkových systémech je sonikace obzvláště užitečná pro:
- heterogenní katalýza
- syntéza nanočástic
- řízení krystalizace
- Emulgace
- Extrakce
- polymerizace
- rozpuštění a disperze pevných látek
U reakcí typu pevná látka–kapalina může ultrazvuk zabránit shlukování částic a zlepšit přístup ke katalytickým či reaktivním povrchům. V systémech typu kapalina–kapalina může sonikace vytvářet jemné emulze a zvětšit rozhraní mezi nemísitelnými fázemi, což často vede k rychlejšímu průběhu reakcí.
Reaktory s průtokem pro kontinuální sonochemické zpracování
Průtokové reaktory patří k nejdůležitějším konstrukčním typům v oblasti průmyslové ultrazvukové technologie. Namísto zpracování pevně daného objemu kapaliny reakční směs průběžně prochází komorou ultrazvukového reaktoru.
Tento návrh je pro rozšíření výroby velmi atraktivní, protože umožňuje inženýrům přesněji regulovat dobu zdržení, průtok, teplotu, tlak a příkon ultrazvukové energie. Průtočné sonochemické reaktory se často používají v případech, kdy je vyžadována stálá kvalita produktu a nepřetržitý provoz.
Mezi hlavní výhody ultrazvukových průtokových reaktorů patří:
- schopnost nepřetržité výroby
- lepší reprodukovatelnost procesu
- lepší regulace teploty
- řízené rozložení doby zdržení
- snazší integrace do průmyslových výrobních linek
- škálovatelná architektura reaktoru
V těchto systémech může míchání pomocí ultrazvukového oscilačního proudění zlepšit radiální i axiální promíchávání, snížit koncentrační gradienty a zlepšit interakci reaktantů. To je obzvláště užitečné v procesech, kde výkon reakce závisí na rychlém kontaktu fází nebo na rychlé disperzi.
Ultrazvuková průtoková komůrka MultiPhaseCavitator
MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 je specializovaná vložka pro ultrazvukové průtokové reaktory Hielscher, určená k intenzifikaci procesů typu kapalina/kapalina a kapalina/plyn přímo v ultrazvukové kavitační zóně. Vstřikováním druhé kapalné nebo plynné fáze do primárního proudu kapaliny prostřednictvím 48 jemných kanyl vytváří MultiPhaseCavitator velmi malé kapičky nebo plynové bublinky s vysokou specifickou mezifázovou plochou. Díky tomu je obzvláště účinný pro ultrazvukovou emulgaci, při které se nemísitelné fáze rozptylují do jemných emulzí, a pro katalytické plynné reakce, při nichž se vstřikovaná plynná fáze rychle rozptýlí a dostane do těsného kontaktu s kapalnou fází, rozpuštěnými reaktanty nebo suspendovanými katalyzátory. Výsledné kavitační smykové namáhání, mikromíchání a zvýšený přenos hmoty mohou zlepšit reakční kinetiku, kontakt na rozhraní fází a účinnost procesu v kontinuálním nebo šaržovém průtokovém provozu.
Sonikátor UIP2000hdT s chemickým dávkovacím reaktorem
Konstrukce chemických reaktorů a výhody sonikace
| Typ reaktoru | Typické použití | Hlavní účinky sonikace | Technický význam |
|---|---|---|---|
| Reaktory na kalovou směs | Heterogenní katalýza s částicemi pevného katalyzátoru v suspenzi v kapalné fázi; využívá se při hydrogenaci, oxidaci, přeměně biomasy, procesech typu Fischer-Tropsch, fotokatalýze a čištění odpadních vod. | Ultrazvukové ošetření zlepšuje disperzi katalyzátoru, rozrušování shluků částic, zmenšení mezní vrstvy, obnovu povrchu, přenos hmoty mezi kapalinou a pevnou látkou, čištění povrchu katalyzátoru a omezení zanášení. | To je obzvláště důležité, protože mnoho katalytických reakcí v suspenzi je omezeno tím, jak efektivně se reaktanty dostávají k aktivním místům. Akustická kavitace zvyšuje kontakt na rozhraní mezi katalyzátorem a kapalinou a může zlepšit reakční kinetiku. |
| Reaktory s kontinuálním mícháním (CSTR) | Kontinuální reakce v kapalné fázi, emulgace, katalytické reakce, srážení, krystalizace, polymerační reakce a suspenze pevné látky v kapalině. | Ultrazvuk podporuje mikromíchání, suspenzi částic, emulgaci, disperzi a lokální přísun energie. Lze jej kombinovat s mechanickým mícháním, čímž se zlepší jak makromíchání, tak mikromíchání. | Ultrazvukem ošetřené CSTR jsou užitečné v případech, kdy běžná oběžná kola nedokážou zcela odstranit mrtvé zóny, nedostatečné rozptýlení nebo lokální omezení přenosu hmoty. Ultrazvuk přispívá k rovnoměrnějším reakčním podmínkám a k lepší intenzifikaci procesu. |
| Reaktory s pevným ložem | Stacionární katalytická lože používaná při hydrogenaci, oxidaci, ekologické katalýze, petrochemickém zpracování a heterogenní katalýze v kapalné fázi. | Ultrazvukové ošetření může zlepšit smáčení katalyzátoru, proudění kapaliny ložem, snížení hraniční vrstvy, čištění povrchu, omezení zanášení a přenos hmoty ke katalytickým místům. | Výkonnost pevného lože je často omezena kanálkováním, nedostatečným smáčením, odporem proti difúzi a tvorbou usazenin. Intenzifikace procesu pomocí ultrazvuku může zlepšit využití katalyzátoru a rovnoměrnost reakce. |
| Reaktory s fluidním ložem | Dynamická lože suspendovaných částic používaná v katalýze, zpracování částic, nanášení povlaků, polymeraci, sušení a reakcích mezi pevnými látkami a kapalinami. | Ultrazvukové buzení může zlepšit disperzi částic, omezit aglomeraci, zvýšit kontakt mezi kapalinou a pevnou látkou, stabilizovat suspenze a zlepšit přístupnost povrchu katalyzátoru. | Ultrazvukové ošetření je obzvláště účinné v fluidních ložích typu kapalina-pevná látka, kde lze kavitaci účinně vyvolat. V systémech s vysokým obsahem plynu je kavitace méně účinná, a proto je ultrazvuk vhodnější pro použití v reaktorech na kapalné bázi. |
| Membránové reaktory | Integrované reakčně-separační systémy používané k selektivnímu oddělování produktů, dávkování reaktantů, katalytickým membránovým procesům a reakcím podporovaným filtrací. | Ultrazvuk může omezit zanášení membrány, zvýšit průtok permeátu, zlepšit čištění povrchu, snížit koncentrační polarizaci a zlepšit promíchávání v blízkosti rozhraní membrány. | Ultrazvuková technologie propojuje reakční inženýrství s vědou o separaci. Je obzvláště užitečná v případech, kdy výkon membránového reaktoru omezuje zanášení, odpor při přenosu hmoty nebo slabá vazba mezi reakcí a separací. |
Mechanismy intenzifikace v ultrazvukovém reaktoru
Výhody použití ultrazvuku v chemických reaktorech spočívají v několika vzájemně se ovlivňujících mechanismech.
- Nejdůležitějším mechanismem je akustická kavitace. Spočívá ve vzniku, růstu a kolapsu mikroskopických bublin v kapalině vystavené ultrazvuku vysoké intenzity. Kolaps bublin způsobuje lokální uvolnění energie a vznik silných mechanických sil.
- Akustické proudění vytváří rovnoměrný pohyb tekutiny vyvolaný ultrazvukovými vlnami. Tím se zlepšuje promíchávání a transport v oblastech, kde může být mechanické míchání nedostatečné.
- K míchání pomocí oscilačního proudění dochází, když ultrazvukové vibrace vyvolávají rychlý pohyb kapaliny tam a zpět. V reaktorových systémech mohou amplitudy v rozmezí přibližně 10 až 200 µm zajistit vysoce účinné míchání a zlepšit přenos hmoty.
- V blízkosti kolabujících kavitačních bublin, zejména v blízkosti pevných povrchů, dochází k mikroproudění a vzniku rázových vln. Tyto jevy mohou čistit povrchy katalyzátorů, narušovat mezní vrstvy a zlepšovat přístup kapaliny k aktivním místům.
- Zvětšení rozhraní je obzvláště důležité v systémech typu kapalina–kapalina. Ultrazvuk dokáže vytvářet jemné kapičky a stabilní disperze, čímž zvyšuje plochu dostupnou pro reakci nebo přenos hmoty.
Díky těmto mechanismům je sonikace účinným nástrojem pro intenzifikaci chemických reakcí.
Průmyslový význam návrhu sonochemických reaktorů
Průmyslový význam ultrazvukových reaktorů přesahuje pouhé zrychlení míchání. Ultrazvuková technologie umožňuje ovlivňovat reakční podmínky v měřítcích, kterých konvenční zařízení nedokážou snadno dosáhnout.
V chemickém inženýrství vyplývá mnoho omezení reaktorů spíše z transportních jevů než z vlastní rychlosti reakcí. Reaktanty nemusí dosáhnout katalytických míst dostatečně rychle. Nemísitelné kapaliny mohou mít nedostatečnou kontaktní plochu. Pevné látky se mohou shlukovat. Může docházet k zanášení membrán. Povrchy katalyzátorů se mohou ucpat.
Ultrazvuková léčba tyto omezení řeší přímým zlepšením fyzikálních podmínek uvnitř reaktoru. Díky tomu je relevantní pro řadu priorit v oblasti výzkumu i průmyslu:
- ekologičtější chemické zpracování
- nižší spotřeba energie a rozpouštědel
- zvýšená účinnost katalyzátoru
- vyšší selektivita reakce
- rychlejší vývoj procesů
- kontinuální výroba
- vylepšené modulární reaktorové systémy
- syntéza pokročilých materiálů
- udržitelná přeměna biomasy a odpadních toků
Pro vědce představuje sonikace kontrolovanou metodu ke studiu vztahu mezi přívodem akustické energie, kavitačním chováním, zvýšením transportu a chemickou účinností. Pro průmysl představuje praktickou cestu k kompaktním, účinným a škálovatelným reaktorovým systémům.
Ultrazvukový homogenizátor UIP2000hdT pro chemické reakce v průtokovém reaktoru
Výhody sonikace v chemických reaktorech
Začlenění ultrazvuku do konstrukce reaktoru přináší řadu provozních i vědeckých výhod:
- rychlejší reakční rychlosti díky lepšímu přenosu hmoty
- lepší míchání ve vícefázových systémech
- lepší rozptyl pevných částic a kapiček
- lepší využití katalyzátoru
- omezení způsobená sníženou difúzí
- čistší povrchy katalyzátoru a membrány
- lepší reprodukovatelnost procesů v průtokových systémech
- možné snížení teploty, tlaku nebo reakční doby
- kompatibilita s dávkovým i kontinuálním provozem
- velký význam pro heterogenní katalýzu a dvoufázové reakce
Díky těmto výhodám je technologie ultrazvukových reaktorů obzvláště atraktivní pro oblast jemné chemie, speciálních chemikálií, katalýzy, nanomateriálů, zelené chemie a intenzifikace procesů.
Ultrazvuková skleněná průtoková buňka
Zvyšte výkon svého chemického reaktoru pomocí ultrazvukových zařízení Hielscher!
Ultrazvukové přístroje Hielscher se výborně hodí pro integraci na míru do chemických reaktorů, protože jsou k dispozici jako robustní, vysoce výkonné ultrazvukové systémy s přizpůsobitelnými sonotrodami, průtokovými komorami, reaktorovými vložkami a příslušenstvím specifickým pro daný proces. V závislosti na uspořádání reakce lze ultrazvukové procesory Hielscher instalovat do šaržových reaktorů, reaktorů s nepřetržitým mícháním, průtokových reaktorů, recirkulačních smyček, tlakových systémů a pilotních nebo výrobních zařízení. Díky této flexibilitě lze ultrazvuk aplikovat přesně tam, kde je kavitace nejúčinnější: na rozhraní kapalina–pevná látka, kapalina–kapalina nebo kapalina–plyn. Společnost Hielscher Ultrasonics rovněž nabízí různé typy ultrazvukových šaržových a průtokových reaktorů, které umožňují řízené sonochemické zpracování, emulgaci, disperzi, aktivaci katalyzátorů, čištění povrchů, intenzifikaci přenosu hmoty a urychlení reakcí. Díky přesné regulaci amplitudy, příkonu, teploty, tlaku, průtoku a doby zdržení lze sonikátory společnosti Hielscher přizpůsobit konkrétním požadavkům laboratorního výzkumu, vývoje procesů, škálování a průmyslové chemické výroby.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000hdT |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000hdT |
Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany
Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.
Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Ultrazvukový homogenizátor UIP1500hdT s průtokovým reaktorem vybaveným chladicím pláštěm pro regulaci teploty procesu během sonikace.
Nejčastější dotazy
Co jsou chemické reaktory?
Chemické reaktory jsou speciálně konstruované nádoby nebo systémy, v nichž probíhají chemické reakce za kontrolovaných podmínek, jako jsou teplota, tlak, míchání, doba zdržení a koncentrace reaktantů. Jejich účelem je přeměnit suroviny na požadované produkty s definovaným výtěžkem, selektivitou a účinností procesu.
Jaké jsou hlavní typy chemických reaktorů?
Mezi hlavní typy chemických reaktorů patří šaržové reaktory, reaktory s kontinuálním mícháním, reaktory s plnicím tokem, reaktory s pevným ložem, reaktory s fluidním ložem, reaktory se suspenzí, membránové reaktory a fotochemické či elektrochemické reaktory. Každý typ reaktoru se liší chováním toku, režimem míchání, charakteristikami přenosu tepla a hmoty a vhodností pro homogenní nebo heterogenní reakce.
Jaký je rozdíl mezi reaktorem s fluidním ložem a reaktorem s pevným ložem?
V reaktoru s pevným ložem zůstávají částice pevného katalyzátoru nehybné, zatímco reaktanty proudí skrz naplněné katalytické lože. V reaktoru s fluidním ložem vzhůru proudící tekutina udržuje pevné částice v suspenzi a pohybuje s nimi, čímž vytváří dynamické lože se silným mícháním, lepším přenosem tepla a lepším kontaktem mezi částicemi a tekutinou. Pevná lože jsou jednodušší a mechanicky stabilnější, zatímco fluidní lože poskytují vyšší účinnost míchání a přenosu tepla, ale vyžadují složitější řízení proudění.
Co je to katalytické lože?
Katalyzátorové lože je definovaný objem pevných katalytických částic uspořádaných uvnitř reaktoru. Poskytuje aktivní povrch, na kterém probíhají chemické reakce. Katalyzátorová lože mohou být stacionární, jako v reaktorech s pevným ložem, nebo dynamicky suspendovaná, jako v reaktorech s fluidním ložem. Jejich výkon závisí na aktivitě katalyzátoru, velikosti částic, pórovitosti, povrchové ploše, rozložení proudění, přenosu tepla a přenosu hmoty.
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.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.