Kontinuierliche Rührkesselreaktoren mit Ultraschalldurchmischung

Kontinuierliche Rührkesselreaktoren (CSTR) werden häufig für verschiedene chemische Reaktionen eingesetzt, darunter Katalyse, Emulsionschemie, Polymerisation, Synthese, Extraktion und Kristallisation. Eine langsame Reaktionskinetik ist ein häufiges Problem in CSTR, das sich durch den Einsatz von Leistungsultraschall leicht überwinden lässt. Die intensive Durchmischung, die Flüssigkeitsbewegung und die sonochemischen Effekte des Leistungsultraschalls beschleunigen die Reaktionskinetik und verbessern die Umsatzrate erheblich. Ultraschallgeräte lassen sich problemlos in CSTR beliebigen Volumens integrieren.

Warum Leistungsultraschall in einem kontinuierlichen Rührkesselreaktor einsetzen?

Ein kontinuierlicher Rührkesselreaktor (CSTR, oder einfach Rührkesselreaktor (STR)) ähnelt in seinen wesentlichen Eigenschaften stark einem Batchreaktor. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass beim kontinuierlichen Rührkesselreaktor (CSTR) das Material kontinuierlich in den Reaktor hinein- und aus ihm herausströmen muss. Die Beschickung des Reaktors kann durch Schwerkraft oder durch Zwangszirkulation mittels einer Pumpe erfolgen. Der CSTR wird manchmal auch als rückvermischter Durchflussreaktor (BMR) bezeichnet.
CSTR werden häufig eingesetzt, wenn zwei oder mehr Flüssigkeiten durchmischt werden müssen. Sie können als Einzelreaktor verwendet oder für Stoffströme unterschiedlicher Konzentration und verschiedene Reaktionsschritte in Reihe angeordnet werden. Neben dem Einsatz eines einzelnen Rührkesselreaktors sind die Reihenschaltung mehrerer Kessel hintereinander und die Kaskadenanordnung üblich.
Warum Ultraschallbehandlung? Es ist bekannt, dass die Durchmischung und Flüssigkeitsbewegung durch Ultraschall sowie die sonochemischen Effekte des Leistungsultraschalls zur Effizienz chemischer Reaktionen beitragen. Die verbesserte Durchmischung und die Partikelzerkleinerung durch Ultraschallschwingungen und Kavitation führen zu einer deutlich beschleunigten Kinetik und einer höheren Umsatzrate. Sonochemische Effekte können die erforderliche Energie liefern, um chemische Reaktionen einzuleiten, Reaktionswege zu verändern und durch einen vollständigeren Reaktionsablauf höhere Ausbeuten zu erzielen.

Ultraschallintensivierte CSTR können unter anderem für folgende Anwendungen eingesetzt werden:

• Heterogene Flüssig-Flüssig-Reaktionen
• Heterogene Fest-Flüssig-Reaktionen
• Homogene Flüssigphasenreaktionen
• Heterogene Gas-Flüssig-Reaktionen
• Heterogene Gas-Fest-Flüssig-Reaktionen

Ultraschallbehandlung als System für die chemische Hochgeschwindigkeitssynthese

Die chemische Hochgeschwindigkeitssynthese ist eine neuartige Reaktionstechnik zur Einleitung und Intensivierung chemischer Synthesen. Im Vergleich zu herkömmlichen Reaktionswegen, die mehrere Stunden oder Tage unter Rückfluss erfordern, können ultraschallunterstützte Synthesereaktoren die Reaktionsdauer auf wenige Minuten verkürzen und so die Synthesereaktion erheblich beschleunigen. Die Intensivierung der Synthese durch Ultraschall beruht auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation und den damit verbundenen Kräften einschließlich lokal begrenzter Überhitzung. Im nächsten Abschnitt erfahren Sie mehr über Ultraschall, akustische Kavitation und Sonochemie.

Ultraschallkavitation und ihre sonochemischen Effekte

Ultraschallkavitation (oder akustische Kavitation) tritt auf, wenn Leistungsultraschall in Flüssigkeiten oder Suspensionen eingekoppelt wird. Kavitation ist der Übergang von einer flüssigen Phase in eine Dampfphase, der durch einen Druckabfall bis auf den Dampfdruck der Flüssigkeit entsteht.
Ultraschallkavitation erzeugt sehr hohe Scherkräfte und Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000m/s. Diese Flüssigkeitsstrahlen beschleunigen Partikel und verursachen Kollisionen zwischen ihnen, wodurch Feststoffpartikel und Tröpfchen zerkleinert werden. Zusätzlich entstehen – lokal begrenzt innerhalb und in unmittelbarer Nähe der implodierenden Kavitationsblase – extrem hohe Drücke in der Größenordnung von Hunderten von Atmosphären und Temperaturen in der Größenordnung von Tausenden Kelvin.
Obwohl die Ultraschallbehandlung ein rein mechanisches Verfahren ist, kann sie einen lokal begrenzten extremen Temperaturanstieg bewirken. Dies liegt an den intensiven Kräften, die innerhalb und in unmittelbarer Nähe der kollabierenden Kavitationsblasen entstehen, wo leicht Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius erreicht werden können. Im gesamten Lösungsvolumen ist der Temperaturanstieg durch die Implosion einer einzelnen Blase nahezu vernachlässigbar. Die Wärmeabgabe zahlreicher Kavitationsblasen, wie sie in Kavitationshotspots bei der Beschallung mit Leistungsultraschall auftritt, kann jedoch letztlich zu einem messbaren Anstieg der Gesamttemperatur führen. Der Vorteil der Ultraschallbehandlung und der Sonochemie liegt in den kontrollierbaren Temperatureffekten während der Verarbeitung: Die Temperatur des gesamten Lösungsvolumens lässt sich durch Behälter mit Kühlmantel sowie durch gepulste Beschallung regeln. Die ausgereiften Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics können die Beschallung beim Erreichen einer oberen Temperaturgrenze unterbrechen und fortsetzen, sobald der untere Wert eines eingestellten ∆T erreicht ist. Dies ist besonders wichtig, wenn wärmeempfindliche Reaktanten eingesetzt werden.

Sonochemie verbessert die Reaktionskinetik

Da die Beschallung intensive Schwingungen und Kavitation erzeugt, beeinflusst sie die chemische Kinetik. Die Kinetik eines chemischen Systems korreliert eng mit der Expansion und Implosion der Kavitationsblasen und beeinflusst dabei die Dynamik der Blasenbewegung erheblich. In der chemischen Reaktionslösung gelöste Gase beeinflussen die Eigenschaften einer sonochemischen Reaktion sowohl durch thermische als auch durch chemische Effekte. Die thermischen Effekte beeinflussen die Spitzentemperaturen, die beim Blasenkollaps im Kavitationshohlraum erreicht werden; die chemischen Effekte verändern die Wirkung der Gase, die unmittelbar an einer Reaktion beteiligt sind.
Heterogene und homogene Reaktionen mit langsamer Reaktionskinetik, darunter Suzuki-Kupplungsreaktionen, Fällung, Kristallisation und Emulsionschemie, eignen sich besonders dafür, durch Leistungsultraschall und seine sonochemischen Effekte eingeleitet und gefördert zu werden.
Beispielsweise ergab bei der Synthese von Ferulasäure eine niederfrequente Beschallung (20kHz) mit einer Leistung von 180 W bei 60°C innerhalb von 3 h eine Ferulasäureausbeute von 94%. Diese Ergebnisse von Truong et al. (2018) zeigen, dass der Einsatz niedriger Frequenzen mit einer Sonotrode und hoher Beschallungsleistung die Umsatzrate erheblich verbesserte und Ausbeuten von über 90% ermöglichte.

Ultraschallintensivierte Emulsionschemie

Heterogene Reaktionen, beispielsweise in der Emulsionschemie, profitieren erheblich vom Einsatz von Leistungsultraschall. Ultraschallkavitation verkleinert die Tröpfchen der jeweiligen Phase und verteilt sie homogen in der anderen Phase, wodurch eine Submikron- oder Nanoemulsion entsteht. Da die nanoskaligen Tröpfchen eine drastisch vergrößerte Oberfläche für die Wechselwirkung mit anderen Tröpfchen bieten, werden der Stofftransport und die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich verbessert. Unter Beschallung zeigen Reaktionen, die für ihre typischerweise langsame Kinetik bekannt sind, deutlich höhere Umsatzraten, höhere Ausbeuten, weniger Nebenprodukte oder Abfälle und eine bessere Gesamteffizienz. Ultraschallunterstützte Emulsionschemie wird häufig bei der Emulsionspolymerisation eingesetzt, z. B. zur Herstellung von Polymerblends, wasserbasierten Klebstoffen und Spezialpolymeren.

10 Dinge, die Sie vor dem Kauf eines chemischen Reaktors wissen sollten

Bei der Auswahl eines chemischen Reaktors für einen chemischen Prozess beeinflussen viele Faktoren die optimale Reaktorauslegung. Wenn Ihr chemischer Prozess mehrphasige, heterogene chemische Reaktionen umfasst und eine langsame Reaktionskinetik aufweist, sind die Durchmischung im Reaktor und die Prozessaktivierung wesentliche Einflussfaktoren für eine erfolgreiche chemische Umsetzung und wirtschaftliche Betriebskosten des chemischen Reaktors.
Die Ultraschallbehandlung verbessert die Reaktionskinetik chemischer Flüssig-Flüssig- und Flüssig-Fest-Reaktionen in chemischen Batchreaktoren und Inline-Reaktionsbehältern erheblich. Daher kann die Integration von Sonotroden in einen chemischen Reaktor die Reaktorkosten senken sowie die Gesamteffizienz und die Qualität des Endprodukts verbessern.
Sehr häufig fehlt in der chemischen Reaktortechnik das Wissen über die ultraschallunterstützte Prozessverbesserung. Ohne fundierte Kenntnisse über den Einfluss von Leistungsultraschall, ultraschallinduzierter Flüssigkeitsbewegung, akustischer Kavitation und sonochemischen Effekten auf die Leistungsfähigkeit chemischer Reaktoren können die Reaktoranalyse und herkömmliche Auslegungsgrundlagen nur unzureichende Ergebnisse liefern. Nachfolgend erhalten Sie einen Überblick über die grundlegenden Vorteile von Ultraschall bei der Auslegung und Optimierung chemischer Reaktoren.

Die Vorteile ultraschallintensivierter kontinuierlicher Rührkesselreaktoren (CSTR)

• • Ultraschallunterstützte Reaktoren für Labor und Produktion:
    Einfache Skalierbarkeit: Ultraschallprozessoren sind für den Labormaßstab, den Pilotmaßstab und die großtechnische Produktion verfügbar.
    Reproduzierbare / wiederholbare Ergebnisse werden durch präzise steuerbare Ultraschallparameter ermöglicht.
    Kapazität und Reaktionsgeschwindigkeit: Ultraschallintensivierte Reaktionen laufen schneller ab und sind dadurch wirtschaftlicher (geringere Kosten).
  • Sonochemie ist sowohl für allgemeine als auch für spezielle Zwecke einsetzbar

– Anpassungsfähigkeit und Vielseitigkeit, z. B. flexible Installations- und Aufstellmöglichkeiten sowie interdisziplinärer Einsatz

• Ultraschallbehandlung kann in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden
  – Gasspülung (z. B. Stickstoffüberlagerung)
  – keine offene Oberfläche
• Einfache Reinigung: Selbstreinigung (CIP – Clean-in-Place)
• Wählen Sie Ihre bevorzugten Konstruktionswerkstoffe
  – Glas, Edelstahl, Titan
  – keine Rotationsdichtungen
  – große Auswahl an Dichtungsmaterialien
• Ultraschallgeräte können in einem breiten Temperaturbereich eingesetzt werden
• Ultraschallgeräte können in einem breiten Druckbereich eingesetzt werden
• Synergieeffekt mit anderen Technologien, z. B. Elektrochemie (Sonoelektrochemie), Katalyse (Sonokatalyse), Kristallisation (Sonokristallisation) usw.
• Die Beschallung eignet sich ideal zur Verbesserung von Bioreaktorprozessen, z. B. der Fermentation.
• Lösen: Bei Lösevorgängen gehen Partikel von einer Phase in die andere über, z. B. wenn sich Feststoffpartikel in einer Flüssigkeit lösen. Es zeigt sich, dass die Intensität der Flüssigkeitsbewegung die Geschwindigkeit des Prozesses beeinflusst. Viele kleine Kristalle lösen sich unter Ultraschallkavitation viel schneller auf als ein einzelner Kristall in konventionell gerührten Batchreaktoren. Auch hier liegt der Grund für die unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den unterschiedlichen Stofftransportraten an den Partikeloberflächen. Beispielsweise wird Ultraschall erfolgreich zur Herstellung übersättigter Lösungen eingesetzt, z. B. in Kristallisationsprozessen (Sonokristallisation).
• Ultraschallunterstützte chemische Extraktion:
  – Flüssig-Fest, z. B. Pflanzenextraktion, chemische Extraktion
  – Flüssig-Flüssig: Wird Ultraschall in einem Flüssig-Flüssig-Extraktionssystem eingesetzt, entsteht eine Emulsion der einen Phase in der anderen. Diese Emulsionsbildung vergrößert die Grenzflächen zwischen den beiden nicht mischbaren Phasen und führt dadurch zu einem erhöhten Stoffstrom zwischen den Phasen.

Wie verbessert die Beschallung chemische Reaktionen in Rührkesselreaktoren?

• Größere Kontaktfläche: Bei Reaktionen zwischen Reaktanten in heterogenen Phasen können nur die Partikel reagieren, die an der Grenzfläche miteinander kollidieren. Je größer die Grenzfläche ist, desto mehr Kollisionen können stattfinden. Wird ein flüssiger oder fester Anteil eines Stoffes in kleinere Tröpfchen oder Feststoffpartikel zerteilt, die in einer kontinuierlichen Flüssigphase verteilt sind, vergrößert sich die Oberfläche dieses Stoffes. Außerdem steigt durch die Zerkleinerung die Anzahl der Partikel, wodurch der durchschnittliche Abstand zwischen ihnen abnimmt. Dadurch verbessert sich der Kontakt zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt daher mit dem Zerteilungsgrad der dispersen Phase. Viele chemische Reaktionen in Dispersionen oder Emulsionen zeigen infolge der Partikelzerkleinerung durch Ultraschall eine drastische Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit.
• Katalyse (Aktivierungsenergie): Katalysatoren sind bei vielen chemischen Reaktionen, in der Laborentwicklung und in der industriellen Produktion von großer Bedeutung. Häufig liegen Katalysatoren in fester oder flüssiger Phase vor und sind mit einem oder allen Reaktanten nicht mischbar. Daher ist die Katalyse meist eine heterogene chemische Reaktion. Bei der Herstellung der wichtigsten Grundchemikalien wie Schwefelsäure, Ammoniak, Salpetersäure, Ethen und Methanol spielen Katalysatoren eine wichtige Rolle. Große Bereiche der Umwelttechnik beruhen auf katalytischen Prozessen. Eine Kollision von Partikeln führt nur dann zu einer chemischen Reaktion, also einer Umgruppierung von Atomen, wenn die Partikel mit ausreichender kinetischer Energie zusammenstoßen. Die Ultraschallbehandlung ist ein hocheffizientes Mittel zur Beschleunigung der Kinetik in chemischen Reaktoren. Bei einem heterogenen Katalyseprozess kann die Integration von Ultraschall in die Auslegung eines chemischen Reaktors den Katalysatorbedarf senken. Dadurch können geringere Katalysatormengen oder minderwertigere, weniger edle Katalysatoren eingesetzt werden.
• Höhere Kontakthäufigkeit / Verbesserter Stofftransport: Die Durchmischung und Flüssigkeitsbewegung durch Ultraschall sind äußerst wirksame Mittel zur Erzeugung kleinster Tröpfchen und Partikel im Submikron- und Nanobereich, die eine größere aktive Oberfläche für Reaktionen bieten. Durch die zusätzliche intensive Flüssigkeitsbewegung und die Mikrobewegungen des Leistungsultraschalls steigt die Kontakthäufigkeit zwischen den Partikeln drastisch an, was zu einer deutlich verbesserten Umsatzrate führt.
• Komprimiertes Plasma: Bei vielen Reaktionen führt eine Erhöhung der Reaktortemperatur um 10 Kelvin zu einer ungefähren Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit. Ultraschallkavitation erzeugt in der Flüssigkeit lokal begrenzte, hochreaktive Hotspots mit Temperaturen von bis zu 5000K, ohne das gesamte Flüssigkeitsvolumen im chemischen Reaktor wesentlich zu erwärmen.
• Thermische Energie: Jegliche Ultraschallenergie, die Sie in einen chemischen Reaktor einbringen, wird letztlich in thermische Energie umgewandelt. Daher können Sie die Energie für den chemischen Prozess weiter nutzen. Anstelle eines thermischen Energieeintrags durch Heizelemente oder Dampf bringt die Ultraschallbehandlung mittels hochfrequenter Schwingungen mechanische Energie ein, die den Prozess aktiviert. Im chemischen Reaktor erzeugt dies Ultraschallkavitation, die den chemischen Prozess auf mehreren Ebenen aktiviert. Letztlich führt die intensive ultraschallbedingte Scherung der Chemikalien zur Umwandlung in thermische Energie, also Wärme. Zur Kühlung können Sie Batchreaktoren oder Inline-Reaktoren mit Kühlmantel verwenden, um eine konstante Prozesstemperatur für Ihre chemische Reaktion aufrechtzuerhalten.

Hochleistungsultraschallgeräte für verbesserte chemische Reaktionen in CSTR

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren und Dispergiergeräte zur Integration in kontinuierliche Rührkesselreaktoren (CSTR). Ultraschallgeräte von Hielscher werden weltweit eingesetzt, um chemische Reaktionen zu fördern, zu intensivieren, zu beschleunigen und zu verbessern.
Die Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics sind in allen Größen verfügbar, von kleinen Laborgeräten bis hin zu großen Industrieprozessoren für Anwendungen in der Durchflusschemie. Die präzise Einstellung der Ultraschallamplitude, des wichtigsten Parameters, ermöglicht den Betrieb der Ultraschallgeräte von Hielscher mit niedrigen bis sehr hohen Amplituden. Die Amplitude lässt sich dabei exakt auf die erforderlichen Ultraschallprozessbedingungen des jeweiligen chemischen Reaktionssystems abstimmen.
Die Ultraschallgeneratoren von Hielscher verfügen über eine intelligente Software mit automatischer Datenprotokollierung. Alle wichtigen Prozessparameter wie Ultraschallenergie, Temperatur, Druck und Zeit werden automatisch auf einer integrierten SD-Karte gespeichert, sobald das Gerät eingeschaltet wird.
Prozessüberwachung und Datenaufzeichnung sind wichtig für eine kontinuierliche Prozessstandardisierung und die Produktqualität. Durch den Zugriff auf die automatisch aufgezeichneten Prozessdaten können Sie frühere Beschallungsläufe überprüfen und deren Ergebnisse bewerten.
Eine weitere benutzerfreundliche Funktion ist die Browser-Fernsteuerung unserer digitalen Ultraschallsysteme. Über die Browser-Fernsteuerung können Sie Ihren Ultraschallprozessor von überall aus starten, stoppen, einstellen und überwachen.
Kontaktieren Sie uns jetzt und erfahren Sie mehr darüber, wie unsere leistungsstarken Ultraschallhomogenisatoren Ihren kontinuierlichen Rührkesselreaktor (CSTR) verbessern können!
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: