Kontinuerligt omrørte tankreaktorer omrørt med ultralyd

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 power-ultralydbehandling. Den intense blanding, omrøring og de sonokemiske virkninger af power-ultralyd acceler reaktionskinetik og forbedrer konverteringsraten betydeligt. Ultralydapparater kan let integreres i CSTR'er af ethvert volumen.

Hvorfor anvende Power-ultralyd på en kontinuerligt omrørt tankreaktor?

En kontinuerligt omrørt tankreaktor (CSTR, eller blot omrørt tankreaktor (STR)) er i sine vigtigste egenskaber meget lig batchreaktoren. Den største vigtige forskel er, at for opsætningen af den kontinuerligt omrørte tankreaktor (CSTR) skal tilførselen af materiale tilvejebringes i kontinuerlig strøm ind og ud af reaktoren. Tilførsel af reaktoren kan opnås ved tyngdekraft eller tvungen cirkulation ved hjælp af en pumpe. CSTR kaldes nogle gange en back-mixed flow-reaktor (BMR).
CSTR'er bruges almindeligvis, når omrøring af to eller flere væsker er påkrævet. CSTR'er kan bruges som en enkelt reaktor eller installeres som en række konfigurationer til forskellige koncentrationsstrømme og reaktionstrin. Udover brugen af en enkelt tankreaktor bruges ofte seriel installation af forskellige tanke (en efter hinanden) eller kaskadeopsætningen.
Hvorfor ultralydbehandling? Ultralydsblanding og omrøring samt de sonokemiske virkninger af ultralyd er velkendte for at bidrage til effektiviteten af kemiske reaktioner. Den forbedrede blanding og reduktion af partikelstørrelse på grund af ultralydsvibrationer og kavitation giver en betydeligt accelereret kinetik og forbedret konverteringshastighed. Sonokemiske effekter kan levere den nødvendige energi til at starte kemiske reaktioner, skifte kemiske veje og give højere udbytter på grund af en mere komplet reaktion.

Ultralydsforstærket CSTR kan bruges til applikationer som:

• Heterogene væske-væske-reaktioner
• Heterogene fast-væske-reaktioner
• Homogene væskefasereaktioner
• Heterogene gas-væske-reaktioner
• Heterogene gas-faststof-væske-reaktioner

Ultralydbehandling som højhastigheds syntetisk kemisk system

Højhastigheds syntetisk kemi er en ny reaktionsteknik, der bruges til at starte og intensivere kemisk syntese. I sammenligning med traditionelle reaktionsveje, som har brug for flere timer eller dage under refluks, kan ultralydsfremmede syntesereaktorer minimere reaktionsvarigheden til et par minutter, hvilket resulterer i en betydelig accelereret syntesereaktion. Ultralydsynteseintensivering er baseret på arbejdsprincippet om akustisk kavitation og dens relaterede kræfter, herunder lokalt begrænset overophedning. Lær mere om ultralyd, akustisk kavitation og sonokemi i næste afsnit.

Ultralydkavitation og dens sonokemiske virkninger

Ultralyd (eller akustisk) kavitation opstår, når ultralyd kobles til væsker eller opslæmninger. Kavitation er overgangen fra en flydende fase til en dampfase, som opstår på grund af et trykfald ned til niveauet for væskens dampspænding.
Ultralydskavitation skaber meget høje forskydningskræfter og væskestråler med op til 1000 m? s. Disse flydende stråler accelererer partikler og forårsager kollisioner mellem partikler og reducerer derved partikelstørrelsen af faste stoffer og dråber. Desuden – lokaliseret inden for og i umiddelbar nærhed af den imploderende kavitationsboble – ekstremt høje tryk i størrelsesordenen hundredvis af atmosfærer og temperaturer i størrelsesordenen tusinder af grader Kelvin genereres.
Although ultrasonication is a purely mechanical processing method, it can produce a locally confined extreme temperature rise. This is due to the intense forces generated within and in close proximity to the collapsing cavitation bubbles, where easily temperatures of several thousands of degrees Celsius can be reached. In the bulk solution, the temperature increase resulting from a single bubble implosion is almost negligible, but the heat dissipation from numerous cavitation bubbles as observed in cavitation hot-spots (as generated by sonication with high-power ultrasound) can finally cause a measurable temperature increases in the bulk temperature. The advantage of ultrasonication and sonochemistry lies in the controllable temperature effects during processing: Temperature control of the bulk solution can be achieved by using tanks with cooling jackets as well as pulsed sonication. Hielscher Ultrasonics’ sophisticated ultrasonicators can pause the the ultrasound when an upper temperature limit is reached and continue with the ultrasonication as soon as the lower value of a set ∆T is reached. This is especially important when heat-sensitive reactants are used.

Sonochemistry forbedrer reaktionskinetik

Da sonikering genererer intense vibrationer og kavitation, påvirkes kemisk kinetik. Kinetik i et kemisk system korrelerer tæt med kavitationsbobleudvidelsen og implosionen, hvorved det påvirker dynamikken i boblebevægelsen betydeligt. Opløste gasser i den kemiske reaktionsopløsning påvirker egenskaberne ved en sonokemisk reaktion via både termiske effekter og kemiske effekter. De termiske effekter påvirker de maksimale temperaturer, der nås under boblekollaps i kavitationshulrummet; De kemiske virkninger 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 forudbestemt til at blive initieret og fremmet gennem power-ultralyd og dens sonokemiske virkninger.
For eksempel til syntese af ferulinsyre gav lavfrekvent (20kHz) sonikering ved en effekt på 180 W et 94% ferulinsyreudbytte ved 60 °C på 3 timer. Disse resultater af Truong et al. (2018) viser, at brugen af lavfrekvent (horntype og højeffektbestråling) forbedrede konverteringsraten betydeligt, hvilket gav udbytter højere end 90%.

Ultralydsintensiveret emulsionskemi

Heterogene reaktioner såsom emulsionkemi drager betydelig fordel af anvendelsen af ultralyd. Ultralydskavitation formindskede og fordelte dråberne i hver fase homogent i hinanden og skabte en sub-mikron eller nano-emulsion. Da dråberne i nanostørrelse giver et drastisk øget overfladeareal til at interagere med forskellige dråber, forbedres masseoverførsel og reaktionshastighed betydeligt. Under sonikering viser reaktioner, der er kendt for deres typisk langsomme kinetik, dramatisk forbedrede konverteringsrater, højere udbytter, mindre biprodukter eller spild og bedre samlet effektivitet. Ultralydsforbedret emulsionskemi anvendes ofte til emulsionspolymerisation, f.eks. til fremstilling af polymerblandinger, vandbårne 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 det optimale kemiske reaktordesign. Hvis din kemiske proces involverer flerfasede, heterogene kemiske reaktioner og har langsom reaktionskinetik, er reaktoromrøring og procesaktivering væsentlige påvirkningsfaktorer for vellykket kemisk konvertering og for økonomiske (driftsmæssige) omkostninger ved den kemiske reaktor.
Ultralydbehandling forbedrer reaktionskinetik af væske-væske og væske-faste kemiske reaktioner i kemiske batch-reaktorer og inline reaktionsbeholdere betydeligt. Derfor kan integrationen af ultralydssonder i en kemisk reaktor reducere reaktoromkostningerne og forbedre den samlede effektivitet og kvaliteten af det endelige produkt.
Meget ofte mangler kemisk reaktorteknik viden om ultralydassisteret procesforbedring. Uden dybtgående viden om indflydelsen af effekt ultralyd, ultralydomrøring, akustisk kavitation og sonokemiske virkninger på kemisk reaktorydelse, kan kemisk reaktoranalyse og konventionelle designfundamenter kun give ringere resultater. Nedenfor får du et overblik over de grundlæggende fordele ved ultralyd til kemisk reaktordesign og optimering.

Fordelene ved ultralydsintensiveret kontinuerlig omrørt tankreaktor (CSTR)

• • Ultralydsforbedrede reaktorer til laboratorier og produktion:
    Nem skalerbarhed: Ultralydsprocessorer er let tilgængelige til laboratoriestørrelse, pilot- og storskalaproduktion
    Reproducerbar? repeterbar resultater på grund af præcist regulerbare ultralydsparametre
    Kapacitet og reaktionshastighed: ultralydsforstærkede reaktioner er hurtigere og dermed mere økonomiske (lavere omkostninger)
  • Sonochemistry er anvendelig til generelle såvel som specielle formål

– tilpasningsevne & alsidighed, f.eks. fleksible installations- og opsætningsmuligheder og tværfaglig brug

• Ultralydbehandling kan bruges i eksplosive miljøer
  – udrensning (f.eks. nitrogentæppe)
  – ingen åben overflade
• Enkel rengøring: selvrensende (CIP – ren-på-stedet)
• Vælg dine foretrukne byggematerialer
  – glas, rustfrit stål, titanium
  – Ingen roterende tætninger
  – Bredt udvalg af fugemasser
• Ultralydapparater kan bruges i en lang række temperaturer
• Ultralydapparater kan bruges ved en bred vifte af tryk
• Synergistisk effekt med andre teknologier, f.eks. elektrokemi (sono-elektrokemi), katalyse (sono-katalyse), krystallisation (sono-krystallisation) osv.
• Sonikering er ideel til at forbedre bioreaktorer, f.eks. Fermentering.
• Opløsning? opløsning: I opløsningsprocesser passerer partikler fra den ene fase til den anden, f.eks. når faste partikler opløses i en væske. Det er fundet, at graden af omrøring påvirker processens hastighed. Mange små krystaller opløses meget hurtigere under ultralydskavitation end en i konventionelt omrørte batchreaktorer. Også her ligger årsagen til forskellige hastigheder i de forskellige masseoverførselshastigheder på partikeloverflader. For eksempel anvendes ultralydbehandling med succes til at skabe overmættede opløsninger, f.eks. i krystallisationsprocesser (sono-krystallisation).
• Ultralydsfremmet kemisk ekstraktion:
  – Flydende-fast stof, f.eks. botanisk ekstraktion, kemisk ekstraktion
  – Væske-væske: Når ultralyd påføres et væske-væske-ekstraktionssystem, skabes en emulsion af en af faserne i den anden. Denne dannelse af emulsion fører til øgede grænsefladeområder mellem de to ikke-blandbare faser, hvilket resulterer i en forbedret masseoverførselsflux mellem faserne.

Hvordan forbedrer sonikering kemiske reaktioner i omrørte tankreaktorer?

• Større kontaktflade: I reaktioner mellem reaktanter i heterogene faser er det kun de partikler, der kolliderer med hinanden ved grænsefladen, der kan reagere. Jo større grænsefladen er, jo flere kollisioner kan der forekomme. Når en flydende eller fast del af et stof brydes i mindre dråber eller faste partikler suspenderet i en kontinuerlig fasevæske, øges overfladearealet af dette stof. Som følge af størrelsesreduktionen øges antallet af partikler, og derfor falder den gennemsnitlige afstand mellem disse partikler. Dette forbedrer eksponeringen af den kontinuerlige fase for den dispergerede fase. Derfor stiger reaktionshastigheden med graden af fragmentering af dispersionsfasen. Mange kemiske reaktioner i dispersioner eller emulsioner viser drastiske forbedringer i reaktionshastigheden som følge af reduktion af ultralydspartikelstørrelse.
• Katalyse (aktiveringsenergi): Katalysatorer er af stor betydning i mange kemiske reaktioner, i laboratorieudvikling og i industriel produktion. Ofte er katalysatorer i fast eller flydende fase og kan ikke blandes med en reaktant eller alle reaktanter. Derfor er katalyse oftere end ikke en heterogen kemisk reaktion. I produktionen af de vigtigste basiske kemikalier som svovlsyre, ammoniak, salpetersyre, ethen og methanol spiller katalysatorer en vigtig rolle. Store områder inden for miljøteknologi er baseret på katalytiske processer. En kollision af partikler fører kun til en kemisk reaktion, dvs. en omgruppering af atomer, hvis partiklerne kolliderer med tilstrækkelig kinetisk energi. Ultralydbehandling er et yderst effektivt middel til at øge kinetik i kemiske reaktorer. I en heterogen katalyseproces kan tilføjelsen af ultralyd til et kemisk reaktordesign sænke behovet for en katalysator. Dette kan resultere i brugen af mindre katalysatorer eller ringere, mindre ædle katalysatorer.
• Højere kontaktfrekvens? Forbedret masseoverførsel: Ultralydsblanding og omrøring er en meget effektiv metode til at generere små dråber og partikler (dvs. submikron og nano-partikler), som tilbyder en højere aktiv overflade til reaktioner. Under den ekstra intense omrøring og mikrobevægelse forårsaget af power-ultralyd øges frekvensen af inter-partikelkontakt drastisk, hvilket resulterer i en betydeligt forbedret konverteringshastighed.
• Komprimeret plasma: For mange reaktioner får en stigning på 10 Kelvin i reaktortemperaturen reaktionshastigheden til omtrent at fordobles. Ultralydskavitation producerer lokaliserede meget reaktive hotspots på op til 5000K i væsken uden væsentlig opvarmning af det samlede væskevolumen i den kemiske reaktor.
• Varme: Enhver ultralydsenergi, som du tilføjer til et kemisk reaktordesign, vil endelig blive omdannet til termisk energi. Derfor kan du genbruge energien til den kemiske proces. I stedet for en termisk energitilførsel af varmeelementer eller damp, introducerer ultralydbehandling en proces, der aktiverer mekanisk energi ved hjælp af højfrekvente vibrationer. I den kemiske reaktor producerer dette ultralydskavitation, der aktiverede den kemiske proces på flere niveauer. Endelig resulterer den enorme ultralydsforskydning af kemikalierne i omdannelsen til termisk energi, dvs. varme. Du kan bruge kappede batchreaktorer eller inline-reaktorer til køling for at opretholde en konstant procestemperatur for din kemiske reaktion.

Højtydende ultralydapparater til forbedrede kemiske reaktioner i CSTR

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydshomogenisatorer og dispergeringsmidler til integration i kontinuerligt omrørte tankreaktorer (CSTR). Hielscher ultralydapparater bruges over hele verden til at fremme, intensivere, fremskynde og forbedre kemiske reaktioner.
Hielscher Ultrasonics’ Ultralydsprocessorer fås i enhver størrelse fra små laboratorieenheder til store industrielle processorer til flowkemiske applikationer. Præcis justering af ultralydsamplituden (som er den vigtigste parameter) gør det muligt at betjene Hielscher ultralydapparater ved lave til meget høje amplituder og at finjustere amplituden nøjagtigt til de krævede ultralydsprocesbetingelser for det specifikke kemiske reaktionssystem.
Hielscher’s ultrasonic generator feature a smart software with automatic data protocolling. All important processing parameters such as ultrasonic energy, temperature, pressure and time are automatically stored onto a built-in SD-card as soon as the device is switched on.
Procesovervågning og dataregistrering er vigtig for kontinuerlig processtandardisering og produktkvalitet. Ved at få adgang til de automatisk registrerede procesdata kan du revidere tidligere sonikeringskørsler og evaluere resultatet.
En anden brugervenlig funktion er browserfjernbetjeningen til vores digitale ultralydssystemer. Via fjernstyring af browseren kan du starte, stoppe, justere og overvåge din ultralydsprocessor eksternt hvor som helst.
Kontakt os nu for at lære mere om vores højtydende ultralydshomogenisatorer, der kan forbedre din kontinuerligt omrørte tankreaktor (CSTR)!
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: