Kontinuerligt omrørte tankreaktorer med ultralydsomrøring

Kontinuerligt omrørte tankreaktorer (CSTR) anvendes i vid udstrækning til forskellige kemiske reaktioner, herunder katalyse, emulsionskemi, polymerisation, syntese, ekstraktion og krystallisation. Langsom reaktionskinetik er et almindeligt problem i CSTR, som let kan overvindes ved anvendelse af højintensiv sonikering. Den intense blanding og omrøring samt de sonokemiske effekter af højintensiv ultralyd accelererer reaktionskinetikken og forbedrer omdannelsesgraden betydeligt. Ultralydsapparater kan nemt integreres i CSTR med enhver volumen.

Hvorfor anvende højintensiv ultralyd i en kontinuerligt omrørt tankreaktor?

En kontinuerligt omrørt tankreaktor (CSTR, eller blot en omrørt tankreaktor (STR)) minder i sine grundlæggende egenskaber meget om en batchreaktor. Den væsentligste forskel er, at materialet i en kontinuerligt omrørt tankreaktor (CSTR) skal tilføres og bortledes i en kontinuerlig strøm. Tilførslen til reaktoren kan ske ved strømning drevet af tyngdekraften eller ved tvungen cirkulation ved hjælp af en pumpe. En CSTR kaldes undertiden en tilbageblandet gennemstrømningsreaktor (BMR).
CSTR anvendes almindeligvis, når omrøring af to eller flere væsker er nødvendig. CSTR kan anvendes som en enkelt reaktor eller installeres i en række konfigurationer til strømme med forskellige koncentrationer og forskellige reaktionstrin. Ud over anvendelsen af en enkelt tankreaktor er serieinstallation af flere tanke (en efter en anden) eller en kaskadeopstilling almindeligt anvendt.
Hvorfor sonikering? Blanding og omrøring med ultralyd samt de sonokemiske effekter af højintensiv ultralyd er velkendte for at bidrage til effektiviteten af kemiske reaktioner. Den forbedrede blanding og reduktion af partikelstørrelsen som følge af ultralydsvibrationer og kavitation giver en betydeligt accelereret kinetik og en forbedret omdannelsesgrad. Sonokemiske effekter kan levere den nødvendige energi til at igangsætte kemiske reaktioner, ændre kemiske reaktionsveje og give højere udbytter som følge af en mere fuldstændig reaktion.

CSTR med ultralydsintensivering kan anvendes til formål såsom:

• Heterogene væske–væske-reaktioner
• Heterogene faststof–væske-reaktioner
• Homogene reaktioner i væskefasen
• Heterogene gas–væske-reaktioner
• Heterogene gas–faststof–væske-reaktioner

Sonikering som system til kemisk syntese ved høj hastighed

Kemisk syntese ved høj hastighed er en ny reaktionsteknik, der anvendes til at igangsætte og intensivere kemisk syntese. Sammenlignet med traditionelle reaktionsveje, som kræver flere timer eller dage under tilbagesvaling, kan syntesereaktorer med ultralyd reducere reaktionstiden til få minutter, hvilket resulterer i en betydeligt accelereret syntesereaktion. Intensivering af syntese med ultralyd er baseret på virkemåden for akustisk kavitation og de tilknyttede kræfter, herunder lokalt afgrænset overophedning. Læs mere om ultralyd, akustisk kavitation og sonokemi i næste afsnit.

Ultralydskavitation og dens sonokemiske effekter

Ultralydskavitation (eller akustisk kavitation) opstår, når højintensiv ultralyd kobles ind i væsker eller opslæmninger. Kavitation er overgangen fra en væskefase til en dampfase, som opstår som følge af et trykfald ned til væskens damptryk.
Ultralydskavitation skaber meget høje forskydningskræfter og væskestråler med hastigheder på op til 1000m/s. Disse væskestråler accelererer partikler og forårsager kollisioner mellem partiklerne, hvorved partikelstørrelsen af faste stoffer og dråber reduceres. Desuden dannes der – lokalt inde i og i umiddelbar nærhed af den imploderende kavitationsboble – ekstremt høje tryk i størrelsesordenen hundredvis af atmosfærer og temperaturer i størrelsesordenen tusindvis af grader kelvin.
Selvom sonikering er en rent mekanisk behandlingsmetode, kan den frembringe en lokalt afgrænset, ekstrem temperaturstigning. Dette skyldes de intense kræfter, der opstår inde i og i umiddelbar nærhed af de kollapsende kavitationsbobler, hvor temperaturer på flere tusinde grader Celsius let kan nås. I opløsningen som helhed er temperaturstigningen som følge af en enkelt bobleimplosion næsten ubetydelig, men varmeafgivelsen fra talrige kavitationsbobler, som observeres i kavitationens varme punkter (dannet ved sonikering med højintensiv ultralyd), kan i sidste ende forårsage en målbar temperaturstigning i opløsningen som helhed. Fordelen ved sonikering og sonokemi ligger i de kontrollerbare temperatureffekter under behandlingen: Temperaturen i opløsningen som helhed kan styres ved hjælp af tanke med kølekapper samt pulseret sonikering. Hielscher Ultrasonics’ avancerede ultralydsapparater kan sætte ultralyden på pause, når en øvre temperaturgrænse nås, og fortsætte sonikeringen, så snart den nedre værdi af et indstillet ∆T nås. Dette er især vigtigt, når der anvendes varmefølsomme reaktanter.

Sonokemi forbedrer reaktionskinetikken

Da sonikering frembringer intense vibrationer og kavitation, påvirkes den kemiske kinetik. Kinetikken i et kemisk system korrelerer tæt med kavitationsboblens udvidelse og implosion og påvirker dermed dynamikken i boblens bevægelse betydeligt. Opløste gasser i den kemiske reaktionsopløsning påvirker egenskaberne ved en sonokemisk reaktion gennem både termiske og kemiske effekter. De termiske effekter påvirker de maksimale temperaturer, der nås under boblekollapset i kavitationshulrummet; de kemiske effekter ændrer virkningerne af gasser, som er direkte involveret i en reaktion.
Heterogene og homogene reaktioner med langsom reaktionskinetik, herunder Suzuki-koblingsreaktioner, udfældning, krystallisation og emulsionskemi, er særligt egnede til at blive igangsat og fremmet gennem højintensiv ultralyd og dens sonokemiske effekter.
Ved syntese af ferulasyre gav lavfrekvent (20kHz) sonikering med en effekt på 180 W eksempelvis et ferulasyreudbytte på 94% ved 60°C på 3 h. Disse resultater fra Truong et al. (2018) viser, at anvendelsen af lav frekvens (horntype og ultralydsbestråling med høj effekt) forbedrede omdannelsesgraden betydeligt og gav udbytter på over 90%.

Ultralydsintensiveret emulsionskemi

Heterogene reaktioner såsom emulsionskemi har betydelig gavn af anvendelsen af højintensiv ultralyd. Ultralydskavitation reducerer størrelsen af dråberne i hver fase og fordeler dem homogent i hinanden, hvorved der dannes en submikron- eller nanoemulsion. Da dråberne i nanostørrelse giver et drastisk øget overfladeareal til interaktion med andre dråber, forbedres masseoverførslen og reaktionshastigheden betydeligt. Under sonikering udviser reaktioner, der er kendt for deres typisk langsomme kinetik, markant forbedrede omdannelsesgrader, højere udbytter, færre biprodukter eller mindre affald og bedre samlet effektivitet. Emulsionskemi forbedret med ultralyd anvendes ofte til emulsionspolymerisation, f.eks. til fremstilling af polymerblandinger, vandbaserede klæbemidler og specialpolymerer.

10 ting, du bør vide, før du køber en kemisk reaktor

Når du vælger en kemisk reaktor til en kemisk proces, er der mange faktorer, der påvirker den optimale udformning af den kemiske reaktor. Hvis din kemiske proces omfatter heterogene kemiske reaktioner med flere faser og har langsom reaktionskinetik, er reaktoromrøring og procesaktivering afgørende faktorer for vellykket kemisk omdannelse og for lave omkostninger ved driften af den kemiske reaktor.
Sonikering forbedrer reaktionskinetikken for kemiske væske–væske- og væske–faststof-reaktioner i kemiske batchreaktorer og inline-reaktionsbeholdere betydeligt. Derfor kan integration af ultralydssonder i en kemisk reaktor reducere reaktoromkostningerne og forbedre den samlede effektivitet og slutproduktets kvalitet.
Ved konstruktion af kemiske reaktorer mangler der meget ofte viden om ultralydsassisteret procesforbedring. Uden indgående viden om indflydelsen af højintensiv ultralyd, ultralydsomrøring, akustisk kavitation og sonokemiske effekter på kemiske reaktorers ydeevne kan analyse af kemiske reaktorer og konventionelle konstruktionsprincipper kun give ringere resultater. Nedenfor får du et overblik over de grundlæggende fordele ved ultralyd til udformning og optimering af kemiske reaktorer.

Fordelene ved en ultralydsintensiveret kontinuerligt omrørt tankreaktor (CSTR)

• • Reaktorer forbedret med ultralyd til laboratoriebrug og produktion:
    Nem skalering: Ultralydsprocessorer er let tilgængelige i laboratoriestørrelse samt til pilotproduktion og produktion i stor skala
    Reproducerbare / gentagelige resultater takket være præcist styrbare ultralydsparametre
    Kapacitet og reaktionshastighed: ultralydsintensiverede reaktioner er hurtigere og dermed mere økonomiske (lavere omkostninger)
  • Sonokemi kan anvendes til både generelle og særlige formål

– tilpasningsevne og alsidighed, f.eks. fleksible installations- og opstillingsmuligheder samt tværfaglig anvendelse

• Sonikering kan anvendes i eksplosionsfarlige miljøer
  – gennemskylning med gas (f.eks. et kvælstofdække)
  – ingen åben overflade
• Enkel rengøring: selvrensning (CIP – rengøring på stedet)
• Vælg dine foretrukne konstruktionsmaterialer
  – glas, rustfrit stål, titanium
  – ingen roterende tætninger
  – stort udvalg af tætningsmaterialer
• Ultralydsapparater kan anvendes over et bredt temperaturområde
• Ultralydsapparater kan anvendes over et bredt trykområde
• Synergistisk effekt med andre teknologier, f.eks. elektrokemi (sonoelektrokemi), katalyse (sonokatalyse), krystallisation (sonokrystallisation) osv.
• Sonikering er ideel til at forbedre bioreaktorer, f.eks. ved fermentering.
• Opløsning / opløsning af stoffer: I opløsningsprocesser går partikler fra en fase til en anden, f.eks. når faste partikler opløses i en væske. Det er konstateret, at graden af omrøring påvirker processens hastighed. Mange små krystaller opløses meget hurtigere under ultralydskavitation end én krystal i konventionelt omrørte batchreaktorer. Også her skyldes de forskellige hastigheder de forskellige masseoverførselshastigheder ved partikeloverfladerne. Sonikering anvendes eksempelvis med succes til at skabe overmættede opløsninger, f.eks. i krystallisationsprocesser (sonokrystallisation).
• Kemisk ekstraktion fremmet med ultralyd:
  – Væske–faststof, f.eks. ekstraktion fra plantemateriale, kemisk ekstraktion
  – Væske–væske: Når ultralyd anvendes i et væske–væske-ekstraktionssystem, dannes der en emulsion af den ene fase i den anden. Denne emulsionsdannelse medfører større grænsefladearealer mellem de to ikke-blandbare faser, hvilket resulterer i en øget masseoverførselsflux mellem faserne.

Hvordan forbedrer sonikering kemiske reaktioner i omrørte tankreaktorer?

• Større kontaktfladeareal: I reaktioner mellem reaktanter i heterogene faser kan kun de partikler, der kolliderer med hinanden ved grænsefladen, reagere. Jo større grænsefladen er, desto flere kollisioner kan forekomme. Når en flydende eller fast del af et stof opdeles i mindre dråber eller faste partikler, som er suspenderet i en kontinuerlig væskefase, øges stoffets overfladeareal. Desuden øges antallet af partikler som følge af størrelsesreduktionen, og dermed mindskes den gennemsnitlige afstand mellem disse partikler. Dette forbedrer den kontinuerlige fases kontakt med den dispergerede fase. Derfor øges reaktionshastigheden med graden af fragmentering af den dispergerede fase. Mange kemiske reaktioner i dispersioner eller emulsioner udviser drastiske forbedringer af reaktionshastigheden som følge af reduktion af partikelstørrelsen med ultralyd.
• Katalyse (aktiveringsenergi): Katalysatorer har stor betydning i mange kemiske reaktioner, i udviklingsarbejde i laboratoriet og i industriel produktion. Katalysatorer er ofte i fast fase eller væskefase og ikke blandbare med én reaktant eller alle reaktanter. Derfor er katalyse oftest en heterogen kemisk reaktion. Ved fremstilling af de vigtigste basiskemikalier såsom svovlsyre, ammoniak, salpetersyre, ethen og methanol spiller katalysatorer en vigtig rolle. Store dele af miljøteknologien er baseret på katalytiske processer. En kollision mellem partikler fører kun til en kemisk reaktion, dvs. en omgruppering af atomer, hvis partiklerne kolliderer med tilstrækkelig kinetisk energi. Sonikering er et yderst effektivt middel til at accelerere kinetikken i kemiske reaktorer. I en heterogen katalyseproces kan integration af ultralyd i en kemisk reaktors udformning mindske behovet for en katalysator. Dette kan resultere i anvendelse af mindre katalysator eller ringere, mindre ædle katalysatorer.
• Højere kontaktfrekvens / forbedret masseoverførsel: Blanding og omrøring med ultralyd er en yderst effektiv metode til at danne meget små dråber og partikler (dvs. submikron- og nanopartikler), som giver en større aktiv overflade til reaktioner. Med den yderligere intense omrøring og mikrobevægelse, som højintensiv ultralyd forårsager, øges kontaktfrekvensen mellem partiklerne drastisk, hvilket resulterer i en betydeligt forbedret omdannelsesgrad.
• Komprimeret plasma: For mange reaktioner medfører en stigning i reaktortemperaturen på 10 kelvin, at reaktionshastigheden omtrent fordobles. Ultralydskavitation frembringer lokale, stærkt reaktive varme punkter med temperaturer på op til 5000K i væsken uden væsentlig opvarmning af det samlede væskevolumen i den kemiske reaktor.
• Termisk energi: Al ultralydsenergi, som du tilfører gennem en kemisk reaktors udformning, vil i sidste ende blive omdannet til termisk energi. Derfor kan du genbruge energien til den kemiske proces. I stedet for tilførsel af termisk energi via varmeelementer eller damp tilfører sonikering mekanisk energi, der aktiverer processen, ved hjælp af højfrekvente vibrationer. I den kemiske reaktor frembringer dette ultralydskavitation, som aktiverer den kemiske proces på flere niveauer. I sidste ende medfører de meget kraftige forskydningspåvirkninger af kemikalierne fra ultralyden en omdannelse til termisk energi, dvs. varme. Du kan anvende batchreaktorer med kappe eller inline-reaktorer til køling for at opretholde en konstant procestemperatur for din kemiske reaktion.

Højtydende ultralydsapparater til forbedring af kemiske reaktioner i CSTR

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydshomogenisatorer og dispergeringsapparater til integration i kontinuerligt omrørte tankreaktorer (CSTR). Hielscher ultralydsapparater anvendes over hele verden til at fremme, intensivere, accelerere og forbedre kemiske reaktioner.
Hielscher Ultrasonics’ ultralydsprocessorer fås i enhver størrelse fra små laboratorieapparater til store industrielle processorer til anvendelser inden for flowkemi. Præcis justering af ultralydsamplituden (som er den vigtigste parameter) gør det muligt at anvende Hielscher ultralydsapparater ved lave til meget høje amplituder og at finjustere amplituden nøjagtigt til de ultralydsprocesbetingelser, der kræves i det specifikke kemiske reaktionssystem.
Hielschers ultralydsgenerator har intelligent software med automatisk datalogning. Alle vigtige behandlingsparametre såsom ultralydsenergi, temperatur, tryk og tid gemmes automatisk på et indbygget SD-kort, så snart apparatet tændes.
Procesovervågning og dataregistrering er vigtige for løbende processtandardisering og produktkvalitet. Ved at tilgå de automatisk registrerede procesdata kan du gennemgå tidligere sonikeringsforløb og evaluere resultatet.
En anden brugervenlig funktion er fjernstyring af vores digitale ultralydssystemer via browser. Med fjernstyring via browser kan du starte, stoppe, justere og overvåge din ultralydsprocessor på afstand fra ethvert sted.
Kontakt os nu for at få mere at vide om, hvordan vores højtydende ultralydshomogenisatorer kan forbedre din kontinuerligt omrørte tankreaktor (CSTR)!
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: