Kontinuálně míchané reaktory v nádrži promíchávané ultrazvukem

Kontinuálně míchané tankové reaktory (CSTR) jsou široce používány pro různé chemické reakce včetně katalýzy, emulzní chemie, polymerace, syntézy, extrakce a krystalizace. Kinetika pomalé reakce je častým problémem v CSTR, který lze snadno překonat použitím ultrazvuku energie. Intenzivní míchání, míchání a sonochemické účinky výkonového ultrazvuku urychlují kinetiku reakce a výrazně zlepšují konverzní poměr. Ultrasonicators lze snadno integrovat do CSTR libovolného objemu.

Proč aplikovat výkonový ultrazvuk na kontinuálně míchaný tankový reaktor?

Kontinuálně míchaný tankový reaktor (CSTR nebo jednoduše míchaný tankový reaktor (STR)) je ve svých hlavních charakteristikách velmi podobný vsádkovému reaktoru. Hlavní důležitý rozdíl spočívá v tom, že pro nastavení kontinuálního míchaného reaktoru (CSTR) musí být přívod materiálu zajištěn kontinuálním průtokem do a z reaktoru. Napájení reaktoru může být dosaženo gravitačním průtokem nebo nuceným cirkulačním průtokem pomocí čerpadla. CSTR se někdy nazývá zpětně smíšený průtokový reaktor (BMR).
CSTR se běžně používají, když je vyžadováno míchání dvou nebo více kapalin. CSTR mohou být použity jako samostatný reaktor nebo mohou být instalovány jako řada konfigurací pro různé koncentrační proudy a reakční kroky. Kromě použití reaktoru s jednou nádrží se běžně používá sériová instalace různých nádrží (jedna za druhou) nebo kaskádové uspořádání.
Proč ultrazvuku? Je dobře známo, že ultrazvukové míchání a míchání, stejně jako sonochemické účinky výkonového ultrazvuku, přispívají k účinnosti chemických reakcí. Vylepšené míchání a zmenšení velikosti částic v důsledku ultrazvukových vibrací a kavitace poskytuje výrazně zrychlenou kinetiku a zvýšený konverzní poměr. Sonochemické účinky mohou dodat potřebnou energii k zahájení chemických reakcí, přepnutí chemických drah a poskytnutí vyšších výnosů díky úplnější reakci.

Ultrazvukem zesílený CSTR lze použít pro aplikace, jako jsou:

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

Ultrazvuku jako vysokorychlostní syntetický chemický systém

Vysokorychlostní syntetická chemie je nová reakční technika používaná k zahájení a zesílení chemické syntézy. Ve srovnání s tradičními reakčními cestami, které vyžadují několik hodin nebo dní pod refluxem, mohou ultrazvukem podporované syntetické reaktory minimalizovat dobu trvání reakce na několik minut, což vede k významné zrychlené syntetické reakci. Intenzifikace ultrazvukové syntézy je založena na pracovním principu akustické kavitace a s ní souvisejících sil, včetně lokálně omezeného přehřátí. Další informace o ultrazvuku, akustické kavitaci a sonochemii najdete v další části.

Ultrazvuková kavitace a její sonochemické účinky

K ultrazvukové (nebo akustické) kavitaci dochází, když je výkonový ultrazvuk spojen s kapalinami nebo kaly. Kavitace je přechod z kapalné fáze do parní fáze, ke kterému dochází v důsledku poklesu tlaku až na úroveň napětí par v kapalině.
Ultrazvuková kavitace vytváří velmi vysoké smykové síly a trysky kapaliny až 1000 m/s. Tyto kapalné trysky urychlují částice a způsobují srážky mezi částicemi, čímž snižují velikost částic pevných látek a kapiček. Dodatečně – lokalizované uvnitř a v těsné blízkosti implodující kavitační bubliny – vznikají extrémně vysoké tlaky v řádu stovek atmosfér a teploty v řádu tisíců stupňů Kelvina.
Ačkoli ultrazvuku je čistě mechanická metoda zpracování, může způsobit lokálně omezený extrémní nárůst teploty. To je způsobeno intenzivními silami generovanými uvnitř a v těsné blízkosti hroutících se kavitačních bublin, kde lze snadno dosáhnout teploty několika tisíc stupňů Celsia. V sypkém roztoku je zvýšení teploty v důsledku imploze jedné bubliny téměř zanedbatelné, ale odvod tepla z četných kavitačních bublin, jak je pozorován v kavitačních horkých místech (jak je generováno sonikací s vysoce výkonným ultrazvukem) může nakonec způsobit měřitelné zvýšení teploty objemu. Výhoda ultrazvuku a sonochemie spočívá v kontrolovatelných teplotních účincích během zpracování: Regulace teploty sypkého roztoku lze dosáhnout použitím nádrží s chladicími plášti, stejně jako pulzní sonikací. Hielscher Ultrasonics' sofistikované ultrasonicators mohou pozastavit ultrazvuk, když je dosaženo horního teplotního limitu a pokračovat v ultrazvuku, jakmile je dosaženo dolní hodnoty nastaveného ∆T. To je zvláště důležité, když se používají reaktanty citlivé na teplo.

Sonochemie zlepšuje reakční kinetiku

Vzhledem k tomu, že sonikace generuje intenzivní vibrace a kavitaci, je ovlivněna chemická kinetika. Kinetika chemického systému úzce koreluje s expanzí a implozí kavitační bubliny, čímž významně ovlivňuje dynamiku pohybu bublin. Rozpuštěné plyny v chemickém reakčním roztoku ovlivňují vlastnosti sonochemické reakce jak tepelnými účinky, tak chemickými účinky. Tepelné účinky ovlivňují maximální teploty, kterých je dosaženo během kolapsu bublin v kavitační dutině; Chemické účinky modifikují účinky plynů, které se přímo podílejí na reakci.
Heterogenní a homogenní reakce s pomalou reakční kinetikou, včetně Suzukiho vazebních reakcí, precipitace, krystalizace a emulzní chemie, jsou předurčeny k tomu, aby byly iniciovány a podporovány prostřednictvím výkonového ultrazvuku a jeho sonochemických účinků.
Například pro syntézu kyseliny ferulové poskytla nízkofrekvenční (20kHz) sonikace při výkonu 180 W 94% výtěžek kyseliny ferulové při 60 °C za 3 hodiny. Tyto výsledky Truonga a kol. (2018) ukazují, že použití nízké frekvence (typ rohu a ozařování s vysokým výkonem) výrazně zlepšilo konverzní poměr, což vedlo k výnosům vyšším než 90 %.

Ultrazvukem zesílená emulzní chemie

Heterogenní reakce, jako je emulzní chemie, významně těží z aplikace výkonového ultrazvuku. Ultrazvuková kavitace zmenšila a rovnoměrně rozdělila kapičky každé fáze v sobě a vytvořila submikronovou nebo nanoemulzi. Vzhledem k tomu, že nanokapky nabízejí drasticky zvětšený povrch pro interakci s různými kapičkami, přenos hmoty a reakční rychlost se výrazně zlepšují. Při sonikaci, reakce známé pro jejich obvykle pomalou kinetiku ukazují dramaticky zlepšené konverzní poměry, vyšší výnosy, méně vedlejších produktů nebo odpadu a lepší celkovou účinnost. Ultrazvukem vylepšená emulzní chemie se často používá pro polymeraci emulzí, např. k výrobě polymerních směsí, vodou ředitelných lepidel a speciálních polymerů.

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

Když si vyberete chemický reaktor pro chemický proces, existuje mnoho faktorů, které ovlivňují optimální návrh chemického reaktoru. Pokud váš chemický proces zahrnuje vícefázové, heterogenní chemické reakce a má pomalou reakční kinetiku, míchání reaktoru a aktivace procesu jsou zásadními ovlivňujícími faktory pro úspěšnou chemickou přeměnu a pro ekonomické (provozní) náklady chemického reaktoru.
Ultrazvuku významně zlepšuje reakční kinetiku chemických reakcí kapalina-kapalina a kapalina-pevná látka v chemických šaržových reaktorech a inline reakčních nádobách. Integrace ultrazvukových sond do chemického reaktoru tedy může snížit náklady na reaktor a zlepšit celkovou účinnost a kvalitu konečného produktu.
Inženýrství chemických reaktorů velmi často postrádá znalosti o ultrazvukem asistovaném zlepšování procesů. Bez hlubokých znalostí o vlivu výkonového ultrazvuku, ultrazvukového míchání, akustické kavitace a sonochemických účinků na výkon chemického reaktoru může analýza chemického reaktoru a základy konvenčního návrhu přinést pouze horší výsledky. Níže získáte přehled o základních výhodách ultrazvuku pro návrh a optimalizaci chemických reaktorů.

Výhody ultrazvukem zesíleného kontinuálního míchaného tankového reaktoru (CSTR)

• • Ultrazvukem vylepšené reaktory pro laboratoř a výrobu:
    Snadná škálovatelnost: Ultrazvukové procesory jsou snadno dostupné pro laboratorní velikost, pilotní a velkosériovou výrobu
    Reprodukovatelné / opakovatelné Výsledky díky přesně regulovatelným ultrazvukovým parametrům
    Kapacita a reakční rychlost: ultrazvukem zesílené reakce jsou rychlejší a tím i ekonomičtější (nižší náklady)
  • Sonochemie je použitelná pro všeobecné i speciální účely

– přizpůsobivost & univerzálnost, např. flexibilní možnosti instalace a nastavení a mezioborové použití

• Ultrazvuku lze použít ve výbušném prostředí
  – Proplachování (např. dusíková přikrývka)
  – Žádný otevřený povrch
• Jednoduché čištění: samočistící (CIP – čištění na místě)
• Vyberte si preferované konstrukční materiály
  – sklo, nerezová ocel, titan
  – bez rotačních těsnění
  – Široký výběr tmelů
• Ultrasonicators lze použít v širokém rozsahu teplot
• Ultrasonikators mohou být použity v širokém rozsahu tlaků
• Synergický efekt s dalšími technologiemi, např. elektrochemií (sono-elektrochemie), katalýzou (sono-katalýza), krystalizací (sono-krystalizace) atd.
• Sonikace je ideální pro zlepšení bioreaktorů, např. fermentace.
• Rozpouštění / rozpouštění: V procesech rozpouštění částice přecházejí z jedné fáze do druhé, např. když se pevné částice rozpouštějí v kapalině. Bylo zjištěno, že stupeň míchání ovlivňuje rychlost procesu. Mnoho malých krystalů se při ultrazvukové kavitaci rozpouští mnohem rychleji než v konvenčně míchaných vsádkových reaktorech. I zde spočívá příčina rozdílných rychlostí v rozdílných rychlostech přenosu hmoty na povrchu částic. Například ultrazvuku se úspěšně používá k vytváření přesycených roztoků, např. v krystalizačních procesech (sono-krystalizace).
• Ultrazvukem podporovaná chemická extrakce:
  – Kapalina-pevná látka, např. botanická extrakce, chemická extrakce
  – Kapalina-kapalina: Když je ultrazvuk aplikován na extrakční systém kapalina-kapalina, vytvoří se emulze jedné z fází v druhé. Tato tvorba emulze vede ke zvětšeným mezifázovým oblastem mezi dvěma nemísitelnými fázemi, což má za následek zvýšený tok přenosu hmoty mezi fázemi.

Jak sonikace zlepšuje chemické reakce v míchaných reaktorech v nádrži?

• Větší kontaktní plocha: Při reakcích mezi reaktanty v heterogenních fázích mohou reagovat pouze částice, které se navzájem srážejí na rozhraní. Čím větší je rozhraní, tím více kolizí může nastat. Když se kapalná nebo pevná část látky rozpadne na menší kapičky nebo pevné částice suspendované v kapalině kontinuální fáze, zvětšuje se povrch této látky. Navíc v důsledku zmenšení velikosti se zvyšuje počet částic, a proto se průměrná vzdálenost mezi těmito částicemi zmenšuje. Tím se zlepšuje expozice kontinuální fáze dispergované fázi. Proto se reakční rychlost zvyšuje se stupněm fragmentace disperzní fáze. Mnoho chemických reakcí v disperzích nebo emulzích vykazuje drastické zlepšení reakční rychlosti v důsledku ultrazvukového snížení velikosti částic.
• Katalýza (aktivační energie): Katalyzátory mají velký význam v mnoha chemických reakcích, při laboratorním vývoji a v průmyslové výrobě. Katalyzátory jsou často v pevné nebo kapalné fázi a jsou nemísitelné s jedním reaktantem nebo všemi reaktanty. Katalýza je tedy častěji heterogenní chemická reakce. Při výrobě nejdůležitějších základních chemikálií, jako je kyselina sírová, amoniak, kyselina dusičná, ethan a metanol, hrají katalyzátory důležitou roli. Velké oblasti environmentálních technologií jsou založeny na katalytických procesech. Srážka částic vede k chemické reakci, tj. přeskupení atomů, pouze pokud se částice srazí s dostatečnou kinetickou energií. Ultrazvuku je vysoce účinný prostředek ke zvýšení kinetiky v chemických reaktorech. V heterogenním procesu katalýzy může přidání ultrazvuku do návrhu chemického reaktoru snížit požadavky na katalyzátor. To může mít za následek použití menšího množství katalyzátorů nebo podřadných, méně ušlechtilých katalyzátorů.
• Vyšší frekvence kontaktu / Vylepšený přenos hmoty: Ultrazvukové míchání a míchání je vysoce účinná metoda generování drobných kapiček a částic (tj. submikronových a nanočástic), které nabízejí vyšší aktivní povrch pro reakce. Při dodatečném intenzivním míchání a mikropohybu způsobeném výkonovým ultrazvukem se frekvence kontaktu mezi částicemi drasticky zvyšuje, což vede k výrazně lepšímu konverznímu poměru.
• Komprimovaná plazma: U mnoha reakcí zvýšení teploty reaktoru o 10 Kelvinů způsobí zhruba zdvojnásobení reakční rychlosti. Ultrazvuková kavitace vytváří lokalizované vysoce reaktivní hotspoty až do 5000 K v kapalině, aniž by došlo k podstatnému zahřátí celkového objemu kapaliny v chemickém reaktoru.
• Teplo: Jakákoli ultrazvuková energie, kterou přidáte do návrhu chemického reaktoru, bude nakonec přeměněna na tepelnou energii. Proto můžete energii znovu použít pro chemický proces. Namísto vstupu tepelné energie topnými tělesy nebo párou zavádí ultrazvuku proces aktivace mechanické energie pomocí vysokofrekvenčních vibrací. V chemickém reaktoru to vytváří ultrazvukovou kavitaci, která aktivovala chemický proces na více úrovních. A konečně, obrovské ultrazvukové stříhání chemikálií má za následek přeměnu na tepelnou energii, tj. teplo. Pro chlazení můžete použít vsádkové reaktory s pláštěm nebo inline reaktory, abyste udrželi konstantní procesní teplotu pro vaši chemickou reakci.

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro zlepšení chemických reakcí v CSTR

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory a dispergátory pro integraci do kontinuálních míchaných reaktorů (CSTR). Hielscher ultrasonicators se používají po celém světě k podpoře, zesílení, urychlení a zlepšení chemických reakcí.
Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvukové procesory jsou k dispozici v jakékoli velikosti, od malých laboratorních zařízení až po velké průmyslové procesory pro aplikace průtokové chemie. Přesné nastavení ultrazvukové amplitudy (což je nejdůležitější parametr) umožňuje provozovat Hielscher ultrasonicators při nízkých až velmi vysokých amplitudách a jemně doladit amplitudu přesně na požadované podmínky ultrazvukového procesu specifického chemického reakčního systému.
Hielscherův ultrazvukový generátor je vybaven inteligentním softwarem s automatickým protokolováním dat. Všechny důležité parametry zpracování, jako je ultrazvuková energie, teplota, tlak a čas, se automaticky ukládají na vestavěnou SD kartu, jakmile je přístroj zapnutý.
Monitorování procesů a záznam dat jsou důležité pro průběžnou standardizaci procesů a kvalitu výrobků. Přístupem k automaticky zaznamenaným procesním datům můžete revidovat předchozí běhy sonikace a vyhodnotit výsledek.
Další uživatelsky přívětivou funkcí je dálkové ovládání našich digitálních ultrazvukových systémů pomocí prohlížeče. Prostřednictvím dálkového ovládání prohlížeče můžete spouštět, zastavovat, nastavovat a sledovat ultrazvukový procesor na dálku odkudkoli.
Kontaktujte nás nyní, abyste se dozvěděli více o našich vysoce výkonných ultrazvukových homogenizátorech, které mohou zlepšit váš kontinuálně míchaný tankový reaktor (CSTR)!
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: