Kontinuální míchané reaktory agitované ultrazvukem

Kontinuální míchané reaktory (CSTR) se široce používají pro různé chemické reakce včetně katalýzy, emulzní chemie, polymerace, syntézy, extrakce a krystalizace. Pomalá reakční kinetika je u CSTR běžným problémem, který lze snadno překonat použitím výkonové ultrazvukové sonikace. Intenzivní míchání, agitace a sonochemické účinky výkonového ultrazvuku urychlují reakční kinetiku a výrazně zlepšují míru konverze. Sonikátory lze snadno integrovat do CSTR libovolného objemu.

Proč použít výkonový ultrazvuk v kontinuálním míchaném reaktoru?

Kontinuální míchaný reaktor (CSTR, nebo jednoduše míchaný reaktor (STR)) je svými základními vlastnostmi velmi podobný vsádkovému reaktoru. Hlavní podstatný rozdíl spočívá v tom, že u uspořádání kontinuálního míchaného reaktoru (CSTR) musí být přívod materiálu do reaktoru a jeho odvod z reaktoru zajištěn kontinuálním průtokem. Plnění reaktoru lze zajistit gravitačním průtokem nebo nuceným oběhem pomocí čerpadla. CSTR se někdy nazývá reaktor se zpětným mícháním (BMR).
CSTR se běžně používají tam, kde je nutná agitace dvou nebo více kapalin. CSTR lze používat jako jednotlivý reaktor nebo je instalovat v sériových konfiguracích pro různé koncentrační proudy a reakční kroky. Kromě použití jediného nádržového reaktoru se běžně používá sériová instalace několika nádrží (jedna za druhou) nebo kaskádové uspořádání.
Proč sonikace? O ultrazvukovém míchání a agitaci i o sonochemických účincích výkonového ultrazvuku je dobře známo, že přispívají k účinnosti chemických reakcí. Zlepšené míchání a zmenšení velikosti částic díky ultrazvukovým vibracím a kavitaci zajišťují výrazně zrychlenou kinetiku a zvýšenou míru konverze. Sonochemické účinky mohou dodat energii potřebnou k iniciaci chemických reakcí, změnit chemické reakční cesty a díky úplnějšímu průběhu reakce přinést vyšší výtěžky.

Ultrazvukem intenzifikovaný CSTR lze použít například pro tyto aplikace:

• Heterogenní reakce kapalina-kapalina
• Heterogenní reakce pevná látka-kapalina
• Homogenní reakce v kapalné fázi
• Heterogenní reakce plyn-kapalina
• Heterogenní reakce plyn-pevná látka-kapalina

Sonikace jako vysokorychlostní systém pro syntetickou chemii

Vysokorychlostní syntetická chemie je nová reakční technika používaná k iniciaci a intenzifikaci chemické syntézy. Ve srovnání s tradičními reakčními postupy, které vyžadují několik hodin nebo dní za refluxu, mohou ultrazvukem podporované syntézní reaktory zkrátit dobu reakce na několik minut, což vede k výrazně zrychlené syntézní reakci. Ultrazvuková intenzifikace syntézy je založena na principu akustické kavitace a s ní souvisejících sil včetně lokálně omezeného přehřátí. Více o ultrazvuku, akustické kavitaci a sonochemii se dozvíte v následující části.

Ultrazvuková kavitace a její sonochemické účinky

Ultrazvuková (neboli akustická) kavitace vzniká, když je výkonový ultrazvuk přenášen do kapalin nebo suspenzí. Kavitace je přechod z kapalné fáze do parní fáze, ke kterému dochází v důsledku poklesu tlaku až na úroveň tenze par kapaliny.
Ultrazvuková kavitace vytváří velmi vysoké smykové síly a kapalinové proudy s rychlostí až 1000m/s. Tyto kapalinové proudy urychlují částice a způsobují srážky mezi částicemi, čímž zmenšují velikost částic pevných látek a kapiček. Navíc – lokálně uvnitř implodující kavitační bubliny a v její těsné blízkosti – vznikají extrémně vysoké tlaky v řádu stovek atmosfér a teploty v řádu tisíců stupňů Kelvina.
Přestože je sonikace čistě mechanickou metodou zpracování, může vyvolat lokálně omezený extrémní nárůst teploty. To je způsobeno intenzivními silami vznikajícími uvnitř kolabujících kavitačních bublin a v jejich těsné blízkosti, kde lze snadno dosáhnout teplot několika tisíc stupňů Celsia. V objemu roztoku je nárůst teploty vyvolaný implozí jediné bubliny téměř zanedbatelný, ale odvod tepla z četných kavitačních bublin, jaký je pozorován v kavitačních hot-spotech (vytvářených sonikací vysoce výkonným ultrazvukem), může nakonec způsobit měřitelné zvýšení teploty celého objemu. Výhoda sonikace a sonochemie spočívá v řiditelných teplotních účincích během zpracování: regulace teploty v objemu roztoku lze dosáhnout použitím nádrží s chladicími plášti a také pulzní sonikací. Pokročilé sonikátory Hielscher Ultrasonics mohou ultrazvuk pozastavit při dosažení horní teplotní meze a pokračovat v sonikaci, jakmile je dosaženo nižší hodnoty nastaveného ∆T. To je zvláště důležité při použití tepelně citlivých reaktantů.

Sonochemie zlepšuje reakční kinetiku

Protože sonikace vytváří intenzivní vibrace a kavitaci, je ovlivněna chemická kinetika. Kinetika chemického systému úzce koreluje s expanzí a implozí kavitačních bublin, čímž výrazně ovlivňuje dynamiku pohybu bublin. Rozpuštěné plyny v roztoku chemické reakce ovlivňují charakteristiky sonochemické reakce jak tepelnými, tak chemickými účinky. Tepelné účinky ovlivňují špičkové teploty dosahované během kolapsu bubliny uvnitř kavitační dutiny; chemické účinky modifikují účinky plynů, které se přímo účastní reakce.
Heterogenní a homogenní reakce s pomalou reakční kinetikou, včetně Suzukiho kaplinkových reakcí, srážení, krystalizace a emulzní chemie, jsou předurčeny k tomu, aby byly iniciovány a podporovány výkonovým ultrazvukem a jeho sonochemickými účinky.
Například při syntéze kyseliny ferulové poskytla nízkofrekvenční (20kHz) sonikace při výkonu 180 W výtěžek kyseliny ferulové 94% při 60°C za 3 h. Tyto výsledky Truonga et al. (2018) ukazují, že použití nízké frekvence (sonotrodového typu a vysoce výkonového ozařování) výrazně zlepšilo míru konverze a přineslo výtěžky vyšší než 90%.

Ultrazvukem intenzifikovaná emulzní chemie

Heterogenní reakce, jako je emulzní chemie, mají z použití výkonového ultrazvuku značný prospěch. Ultrazvuková kavitace zmenšuje kapičky každé fáze a homogenně je rozptyluje jednu v druhé, čímž vzniká submikronová emulze nebo nanoemulze. Protože kapičky nanometrové velikosti nabízejí drasticky zvětšený povrch pro interakci s jinými kapičkami, výrazně se zlepšuje přenos hmoty a rychlost reakce. Při sonikaci vykazují reakce známé svou typicky pomalou kinetikou dramaticky zlepšenou míru konverze, vyšší výtěžky, méně vedlejších produktů nebo odpadu a lepší celkovou účinnost. Ultrazvukem vylepšená emulzní chemie se často používá pro emulzní polymeraci, např. k výrobě polymerních směsí, vodou ředitelných lepidel a speciálních polymerů.

10 věcí, které byste měli vědět, než si koupíte chemický reaktor

Při výběru chemického reaktoru pro chemický proces existuje mnoho faktorů, které ovlivňují optimální konstrukci chemického reaktoru. Pokud váš chemický proces zahrnuje vícefázové heterogenní chemické reakce a má pomalou reakční kinetiku, jsou agitace v reaktoru a aktivace procesu zásadními ovlivňujícími faktory pro úspěšnou chemickou konverzi a pro ekonomické (provozní) náklady chemického reaktoru.
Sonikace výrazně zlepšuje reakční kinetiku chemických reakcí kapalina-kapalina a kapalina-pevná látka ve vsádkových chemických reaktorech a v průtočných (inline) reakčních nádobách. Integrace ultrazvukových sond do chemického reaktoru proto může snížit náklady na reaktor a zlepšit celkovou účinnost i kvalitu konečného produktu.
V oblasti konstrukce chemických reaktorů velmi často chybí znalosti o ultrazvukem podporovaném zlepšování procesů. Bez hlubokých znalostí o vlivu výkonového ultrazvuku, ultrazvukové agitace, akustické kavitace a sonochemických účinků na výkon chemického reaktoru mohou analýza chemického reaktoru a konvenční konstrukční zásady přinést pouze podřadné výsledky. Níže získáte přehled o základních výhodách ultrazvuku pro návrh a optimalizaci chemických reaktorů.

Výhody ultrazvukem intenzifikovaného kontinuálního míchaného reaktoru (CSTR)

• • Ultrazvukem vylepšené reaktory pro laboratoř a výrobu:
    Snadná škálovatelnost: Ultrazvukové procesory jsou snadno dostupné pro laboratorní, pilotní i velkovýrobní měřítko
    Reprodukovatelné / opakovatelné výsledky díky přesně řiditelným parametrům ultrazvuku
    Kapacita a rychlost reakce: ultrazvukem intenzifikované reakce jsou rychlejší, a tím i ekonomičtější (nižší náklady)
  • Sonochemii lze použít pro obecné i speciální účely

– přizpůsobivost & všestrannost, např. flexibilní možnosti instalace a uspořádání a interdisciplinární využití

• Sonikaci lze používat ve výbušném prostředí
  – proplachování (např. dusíkový polštář)
  – žádný otevřený povrch
• Jednoduché čištění: samočištění (CIP – clean-in-place)
• Zvolte si preferované konstrukční materiály
  – sklo, nerezová ocel, titan
  – žádná rotační těsnění
  – široký výběr těsnicích materiálů
• Sonikátory lze používat v širokém rozsahu teplot
• Sonikátory lze používat v širokém rozsahu tlaků
• Synergický účinek s dalšími technologiemi, např. elektrochemií (sonoelektrochemie), katalýzou (sonokatalýza), krystalizací (sonokrystalizace) atd.
• Sonikace je ideální pro zlepšení bioreaktorů, např. fermentace.
• Rozpouštění / rozpuštění: Při procesech rozpouštění přecházejí částice z jedné fáze do druhé, např. když se pevné částice rozpouštějí v kapalině. Bylo zjištěno, že stupeň agitace ovlivňuje rychlost procesu. Mnoho malých krystalů se při ultrazvukové kavitaci rozpouští mnohem rychleji než jeden krystal v konvenčně míchaných vsádkových reaktorech. I zde spočívá důvod rozdílných rychlostí v rozdílných rychlostech přenosu hmoty na površích částic. Například sonikace se úspěšně používá k vytváření přesycených roztoků, např. v krystalizačních procesech (sonokrystalizace).
• Ultrazvukem podporovaná chemická extrakce:
  – kapalina-pevná látka, např. extrakce z rostlin, chemická extrakce
  – kapalina-kapalina: Při aplikaci ultrazvuku na extrakční systém kapalina–kapalina vzniká emulze jedné z fází v druhé. Tato tvorba emulze vede ke zvětšení mezifázových ploch mezi oběma nemísitelnými fázemi, což má za následek zvýšený tok přenosu hmoty mezi fázemi.

Jak sonikace zlepšuje chemické reakce v míchaných reaktorech?

• Větší kontaktní povrch: Při reakcích mezi reaktanty v heterogenních fázích mohou reagovat pouze částice, které se vzájemně srazí na rozhraní. Čím větší je rozhraní, tím více srážek může nastat. Když se kapalný nebo pevný podíl látky rozbije na menší kapičky nebo pevné částice suspendované v kapalině kontinuální fáze, povrch této látky se zvětší. Navíc se v důsledku zmenšení velikosti zvyšuje počet částic, a proto se zmenšuje průměrná vzdálenost mezi nimi. Tím se zlepšuje expozice kontinuální fáze vůči dispergované fázi. Rychlost reakce proto roste se stupněm fragmentace dispergované fáze. Mnoho chemických reakcí v disperzích nebo emulzích vykazuje v důsledku ultrazvukového zmenšení velikosti částic drastické zlepšení rychlosti reakce.
• Katalýza (aktivační energie): Katalyzátory mají velký význam v mnoha chemických reakcích, při laboratorním vývoji i v průmyslové výrobě. Katalyzátory jsou často v pevné nebo kapalné fázi a nemísitelné s jedním nebo se všemi reaktanty. Katalýza je proto ve většině případů heterogenní chemickou reakcí. Při výrobě nejdůležitějších základních chemikálií, jako je kyselina sírová, amoniak, kyselina dusičná, ethen a methanol, jsou katalyzátory klíčové. Velké oblasti environmentálních technologií jsou založeny na katalytických procesech. Srážka částic vede k chemické reakci, tj. k přeskupení atomů, pouze tehdy, srazí-li se částice s dostatečnou kinetickou energií. Sonikace je vysoce účinným prostředkem ke zvýšení kinetiky v chemických reaktorech. V heterogenním katalytickém procesu může doplnění ultrazvuku do konstrukce chemického reaktoru snížit potřebu katalyzátoru. To může vést k použití menšího množství katalyzátoru nebo méně kvalitních, méně ušlechtilých katalyzátorů.
• Vyšší frekvence kontaktů / zlepšený přenos hmoty: Ultrazvukové míchání a agitace jsou vysoce účinnou metodou k vytváření drobných kapiček a částic (tj. submikronových částic a nanočástic), které nabízejí větší aktivní povrch pro reakce. Při dodatečné intenzivní agitaci a mikropohybu způsobeném výkonovým ultrazvukem se frekvence kontaktů mezi částicemi drasticky zvyšuje, což vede k výrazně zlepšené míře konverze.
• Stlačená plazma: U mnoha reakcí způsobí zvýšení teploty v reaktoru o 10 Kelvinů zhruba zdvojnásobení rychlosti reakce. Ultrazvuková kavitace vytváří v kapalině lokalizované vysoce reaktivní hotspoty o teplotě až 5000K, aniž by došlo k podstatnému zahřátí celkového objemu kapaliny v chemickém reaktoru.
• Tepelná energie: Veškerá ultrazvuková energie, kterou do konstrukce chemického reaktoru přidáte, se nakonec přemění na tepelnou energii. Tuto energii proto můžete znovu využít pro chemický proces. Namísto přívodu tepelné energie topnými tělesy nebo párou přivádí sonikace mechanickou energii aktivující proces prostřednictvím vysokofrekvenčních vibrací. V chemickém reaktoru tak vzniká ultrazvuková kavitace, která aktivuje chemický proces na více úrovních. Obrovské ultrazvukové smykové namáhání chemikálií nakonec vede k přeměně na tepelnou energii, tj. teplo. Pro chlazení můžete použít vsádkové reaktory s pláštěm nebo průtočné (inline) reaktory, abyste pro svou chemickou reakci udrželi konstantní procesní teplotu.

Vysoce výkonné sonikátory pro lepší chemické reakce v CSTR

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory a dispergátory pro integraci do kontinuálních míchaných reaktorů (CSTR). Sonikátory Hielscher se po celém světě používají k podpoře, intenzifikaci, urychlení a zlepšení chemických reakcí.
Ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics jsou k dispozici v libovolné velikosti, od malých laboratorních přístrojů až po velké průmyslové procesory pro aplikace průtokové chemie. Přesné nastavení ultrazvukové amplitudy (která je nejdůležitějším parametrem) umožňuje provozovat sonikátory Hielscher při nízkých až velmi vysokých amplitudách a amplitudu přesně vyladit na požadované ultrazvukové procesní podmínky konkrétního chemického reakčního systému.
Ultrazvukový generátor Hielscher je vybaven inteligentním softwarem s automatickým protokolováním dat. Všechny důležité procesní parametry, jako je ultrazvuková energie, teplota, tlak a čas, se automaticky ukládají na vestavěnou SD kartu, jakmile je přístroj zapnut.
Monitorování procesu a záznam dat jsou důležité pro průběžnou standardizaci procesu a kvalitu produktu. Díky přístupu k automaticky zaznamenaným procesním datům můžete revidovat předchozí sonikační cykly a vyhodnotit jejich výsledky.
Další uživatelsky přívětivou funkcí je vzdálené ovládání našich digitálních ultrazvukových systémů přes prohlížeč. Prostřednictvím vzdáleného ovládání přes prohlížeč můžete svůj ultrazvukový procesor spouštět, zastavovat, nastavovat a monitorovat na dálku odkudkoli.
Kontaktujte nás nyní a zjistěte více o tom, jak mohou naše vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory zlepšit váš kontinuální míchaný reaktor (CSTR)!
Následující tabulka uvádí orientační přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich sonikátorů: