Kontinuierlich gerührte Tankreaktoren mittels Ultraschall intensivieren

Kontinuierlich gerührte Tankreaktoren (engl. continuously stirred tank reactor, abbrev. CSTR) sind in der Chemie und der chemischen Industrie für verschiedene chemische Reaktionen wie Katalyse, Emulsionschemie, Polymerisation, Synthese, Extraktion und Kristallisation weit verbereitet. Die langsame Reaktionskinetik ist ein häufiges Problem in CSTR, welches durch den Einsatz von Hochleistungs-Ultraschall leicht überwunden werden kann. Die intensive Durchmischung, Agitation sowie die sonochemischen Effekte des Power-Ultraschalls beschleunigen die Reaktionskinetik und verbessern die Umwandlungsraten chemischer Reaktionen erheblich. Ultraschallgeräte können problemlos in CSTRs mit jedem beliebigem Volumen integriert werden.

Weshalb Power-Ultraschall für kontinuierlich gerührte Tankreaktoren?

Ein kontinuierlich gerührter Tankreaktor (CSTR, oder auch Rührkesselreaktor (STR)) ist in seinen grundsätzlichen Eigenschaften dem Chargen- / Batchreaktor sehr ähnlich. Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass beim kontinuierlichen Rührkesselreaktor (CSTR) die Materialzufuhr in einem kontinuierlichen Fluss in und aus dem Reaktor erfolgt. Die Beschickung des Reaktors kann durch Schwerkraft oder durch Zwangszirkulation mittels einer Pumpe erfolgen. Der CSTR wird manchmal auch als Back-Mix Flow Reactor (BMR) bezeichnet.
CSTRs werden üblicherweise eingesetzt, wenn die Bewegung von zwei oder mehr Flüssigkeiten erforderlich ist. CSTRs können als Einzelreaktor verwendet werden oder als Konfigurationen mehrerer in Reihe geschalteter Reaktoren für unterschiedliche Konzentrationsströme und Reaktionsschritte installiert werden. Neben der Verwendung eines Einzeltankreaktors sind die serielle Installation verschiedener Tanks (hintereinander) oder der Kaskadenaufbau gebräuchlich.
Warum Mischen mit Hochleistungs-Ultraschall? Das Mischen und Rühren mit Ultraschall sowie die sonochemischen Effekte von Leistungsultraschall tragen bekanntermaßen zur Effizienz chemischer Reaktionen bei. Die verbesserte Durchmischung und Partikelzerkleinerung aufgrund von Ultraschallschwingungen und Kavitation sorgen für eine deutlich beschleunigte Kinetik und eine erhöhte Umwandlungsrate. Sonochemische Effekte können die notwendige Energie liefern, um chemische Reaktionen zu initiieren, chemische Wege zu ändern und höhere Ausbeuten durch eine vollständigere Reaktion zu erzielen.

Der ultraschall-intensivierte CSTR kann z.B. für folgende Anwendungen eingesetzt werden:

• Heterogene Flüssig-Flüssig-Reaktionen
• Heterogene Fest-Flüssig-Reaktionen
• Homogene Reaktionen in flüssiger Phase
• Heterogene Gas-Flüssig-Reaktionen
• Heterogene Gas-Fest-Flüssig-Reaktionen

Ultraschall als Hochgeschwindigkeits-System für die chemische Synthese

Die Hochgeschwindigkeitssynthese ist eine neuartige Reaktionstechnik, die zur Initiierung und Intensivierung chemischer Synthesen eingesetzt wird. Im Vergleich zu traditionellen Reaktionswegen, die mehrere Stunden oder Tage unter Reflux benötigen, können ultraschall-gestützte Synthesereaktoren die Reaktionsdauer auf wenige Minuten minimieren, da die Synthesereaktion deutlich beschleunigt wird. Die Ultraschall-Synthese-Intensivierung basiert auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation und den damit verbundenen Kräften einschließlich der lokal begrenzten Erhitzung. Erfahren Sie mehr über Ultraschall, akustische Kavitation und Sonochemie im nächsten Abschnitt.

Ultraschall-Kavitation und ihre sonochemischen Effekte

Ultraschall (oder akustische) Kavitation tritt auf, wenn Hochleistungsultraschall in Flüssigkeiten oder Slurries eingekoppelt wird. Kavitation ist der Übergang von einer flüssigen in eine dampfförmige Phase, welcher durch einen Druckabfall bis auf das Niveau der Dampfspannung der Flüssigkeit erfolgt.
Die Ultraschallkavitation erzeugt sehr hohe Scherkräfte und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 1000m/s. Diese Flüssigkeitsstrahlen beschleunigen die Partikel und verursachen Kollisionen zwischen den Partikeln, wodurch die Partikelgröße von Feststoffen und Tröpfchen verringert wird. Zusätzlich – lokalisiert 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 von Grad Kelvin auf.
Obwohl es sich bei der Ultraschallbehandlung um ein rein mechanisches Verfahren handelt, kann es zu einem lokal begrenzten extremen Temperaturanstieg kommen. Dies ist auf die intensiven Kräfte zurückzuführen, die innerhalb und in unmittelbarer Nähe der kollabierenden Kavitationsblasen entstehen, wo leicht Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius erreicht werden können. In der Gesamtlösung ist der Temperaturanstieg infolge der Implosion einer einzelnen Blase fast vernachlässigbar, aber die Wärmeabgabe zahlreicher Kavitationsblasen, wie sie in Kavitations-Hotspots (wie sie bei der Beschallung mit Hochleistungsultraschall entstehen) zu beobachten ist, kann schließlich einen messbaren Temperaturanstieg in der Gesamtlösung verursachen. Der Vorteil der Ultraschallbehandlung und Sonochemie liegt in den kontrollierbaren Temperatureffekten während der Verarbeitung: Durch den Einsatz von Tanks mit Kühlmänteln sowie die gepulste Beschallung kann die Temperatur der Bulk-Lösung gesteuert werden. Die hochentwickelten Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics können den Ultraschall bei Erreichen einer oberen Temperaturgrenze unterbrechen und die Beschallung fortsetzen, sobald der untere Wert eines eingestellten ∆T erreicht ist. Dies ist besonders wichtig, wenn wärmeempfindliche Reaktanten verwendet werden.

Sonochemie verbessert die Reaktionskinetik

Da die Beschallung starke Vibrationen und Kavitation erzeugt, wird die chemische Kinetik beeinflusst. Die Kinetik eines chemischen Systems korreliert eng mit der Expansion und Implosion von Kavitationsblasen, wodurch die Dynamik der Blasenbewegung erheblich beeinflusst wird. Gelöste Gase in der chemischen Reaktionslösung beeinflussen die Eigenschaften einer sonochemischen Reaktion sowohl durch thermische als auch durch chemische Wirkungen. Die thermischen Effekte beeinflussen die Spitzentemperaturen, die während des Kollapses der Blasen im Kavitationshohlraum erreicht werden; die chemischen Effekte verändern die Wirkungen der Gase, die direkt an einer Reaktion beteiligt sind.
Heterogene und homogene Reaktionen mit langsamer Reaktionskinetik einschließlich Suzuki-Kopplungsreaktionen, Fällungsreaktionen, Kristallisationen und Emulsionschemie sind prädestiniert, durch Leistungsultraschall und seine sonochemischen Effekte initiiert und intenisviert zu werden.
Bei der Synthese von Ferulasäure beispielsweise führte die Beschallung mit niedriger Frequenz (20 kHz) bei einer Leistung von 180 W zu einer 94 %igen Ausbeute an Ferulasäure bei 60 °C in 3 h. Diese Ergebnisse von Truong et al. (2018) zeigen, dass die Verwendung niedriger Frequenzen (Horntyp und Hochleistungsbestrahlung) die Umwandlungsrate erheblich verbessert und zu Ausbeuten von mehr als 90 % führt.

Ultraschall-intensivierte Emulsionschemie

Heterogene Reaktionen wie die Emulsionschemie profitieren erheblich von der Anwendung von Leistungsultraschall. Durch die Ultraschallkavitation werden die Tröpfchen der verschiedenen Phasen zerkleinert und homogen ineinander verteilt, wodurch eine Submikron- oder Nano-Emulsion entsteht. Da die Tröpfchen in Nanogröße eine drastisch vergrößerte Oberfläche bieten und dadurch deutlich stärker mit anderen Tröpfchen interagieren, werden durch Ultraschall Stofftransport und Reaktionsgeschwindigkeit deutlich verbessert. Unter Beschallung zeigen Reaktionen, welche für ihre typischerweise langsame Kinetik bekannt sind, dramatisch verbesserte Umsatzraten, höhere Ausbeuten, weniger Neben- bzw. Abfallprodukte und eine bessere Gesamteffizienz. Die mit Ultraschall verbesserte Emulsionschemie wird häufig für die Emulsionspolymerisation eingesetzt, z.B. zur Herstellung von Polymermischungen, wasserbasierten Klebstoffen und Spezialpolymeren.

10 Dinge, die Sie wissen sollten, bevor Sie einen chemischen Reaktor kaufen

Wenn Sie einen chemischen Reaktor für einen chemischen Prozess auswählen, gibt es viele Faktoren, die für das optimale Design des chemischen Reaktors ausschlaggebend sind. Wenn Ihr chemischer Prozess mehrphasige, heterogene chemische Reaktionen beinhaltet und eine langsame Reaktionskinetik aufweist, sind die Reaktorbewegung und die Prozessaktivierung wesentliche Einflussfaktoren für eine erfolgreiche chemische Umwandlung sowie für die wirtschaftlichen (Betriebs-)Kosten des chemischen Reaktors.
Ultraschall verbessert die Reaktionskinetik von Flüssig-Flüssig- und Flüssig-Fest-Reaktionen in chemischen Batch-und Inline-Reaktoren erheblich. Daher kann die Integration von Ultraschallsonotroden in einen chemischen Reaktor die Reaktorkosten reduzieren und die Gesamteffizienz sowie die Qualität des Endprodukts verbessern.
Sehr oft fehlt in der chemischen Reaktortechnik das Wissen um die ultraschall-gestützte Prozessverbesserung. Ohne fundierte Kenntnisse über den Einfluss von Leistungsultraschall, Ultraschallagitation, akustischer Kavitation und sonochemischen Effekten auf die Leistung chemischer Reaktoren können die Analyse chemischer Reaktoren und konventionelle Konstruktionsgrundlagen nur minderwertige Ergebnisse liefern. Im Folgenden erhalten Sie einen Überblick über die grundlegenden Vorteile von Ultraschall für die Auslegung und Optimierung von chemischen Reaktoren.

Die Vorteile des ultraschall-intensivierten kontinuierlichen Rührkesselreaktors (CSTR)

• • Ultraschallverstärkte Reaktoren für Labor und industrielle Produktion:
    Einfache Skalierbarkeit: Ultraschallprozessoren sind für die Labor-, Pilot- und Großserienproduktion verfügbar
    Reproduzierbare / wiederholbare Ergebnisse durch präzise steuerbare Ultraschallparameter
    Kapazität und Reaktionsgeschwindigkeit: ultraschall-intensivierte Reaktionen sind schneller und damit wirtschaftlicher (geringere Kosten)
  • Die Sonochemie ist sowohl für generelle als auch für spezielle Reaktionen anwendbar.

– individuell anpassbar & Vielseitigkeit, z. B. flexible Installations- und Aufstellmöglichkeiten sowie interdisziplinärer Einsatz

• Ultraschall kann in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden
  – kontinuierlicher Spülung mittels konstanter Stickstoffzufuhr
  – geschlossener Reaktor: keine offene Flächen
• Einfache Reinigung: Selbstreinigung (CIP – Clean-in-Place)
• Wählen Sie Ihre bevorzugten Sonotroden- und Reaktormaterialien
  – Glas, Edelstahl, Titan
  – keine Rotationsdichtungen
  – große Auswahl an Dichtungsmaterialien
• Ultraschallgeräte können in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden
• Ultraschallgeräte können in einem weiten Druckbereich eingesetzt werden
• Synergieeffekt mit anderen Technologien, z.B. Elektrochemie (Sono-Elektrochemie), Katalyse (Sono-Katalyse), Kristallisation (Sono-Kristallisation) etc.
• Die Sonifizierung ist ideal zur Verbesserung von Bioreaktoren, z.B. bei der Fermentation.
• Lösen: Bei Lösungsprozessen gehen Teilchen von einer Phase in die andere über, z.B. wenn sich feste Teilchen in einer Flüssigkeit auflösen. Es hat sich gezeigt, dass der Grad und die Intensität der Rührung die Geschwindigkeit des Prozesses beeinflusst. Viele kleine Kristalle lösen sich unter Ultraschallkavitation viel schneller auf als in konventionell gerührten Batch-Reaktoren. Auch hier liegt der Grund für die unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den unterschiedlichen Stoffübertragungsraten an den Partikeloberflächen. Daher wird die Ultraschallkavitation erfolgreich eingesetzt, um übersättigte Lösungen zu erzeugen, z.B. bei Kristallisationsprozessen (Sonokristallisation).
• Ultraschall-gestützte chemische Extraktion:
  – Flüssig-Fest, z.B. botanische Extraktion, chemische Extraktion
  – Flüssig-Flüssig: Wenn Ultraschall auf ein Flüssig-Flüssig-Extraktionssystem angewendet wird, entsteht eine Emulsion. Diese Emulsionsbildung führt zu einer Vergrößerung der Grenzflächen zwischen den beiden nicht-mischbaren Phasen, was zu einem erhöhten Stoffaustauschfluss zwischen den Phasen führt.

Wie verbessert Ultraschall chemischen Reaktionen in Rührkesselreaktoren?

• Größere Kontaktfläche: Bei Reaktionen zwischen Reaktanten in heterogenen Phasen können nur die Teilchen reagieren, die an den Grenzoberflächen miteinander kollidieren. Je größer die Grenzfläche ist, desto mehr interpartikulärer Kontakt entsteht. Wenn der flüssige bzw. feste Phase einer Substanz in kleinere Tröpfchen oder Feststoffpartikel zerkleinert wird, die in einer Flüssigkeit mit kontinuierlicher Phase suspendiert sind, vergrößert sich die Oberfläche dieser Substanz. Außerdem erhöht sich durch die Größenreduktion die Anzahl der Partikel und somit verringert sich der durchschnittliche Abstand zwischen diesen Partikeln. Dadurch wird der Kontakt der kontinuierlichen Phase mit der dispergierten Phase verbessert. Daher steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit dem Grad der Fragmentierung der dispersen Phase. Viele chemische Reaktionen in Dispersionen oder Emulsionen zeigen drastische Verbesserungen der Reaktionsgeschwindigkeit als Folge der Partikelzerkleinerung mittels Ultraschall.
• Katalyse (Aktivierungsenergie): Katalysatoren sind bei vielen chemischen Reaktionen - im Labor, R&D und in der industriellen Produktion - von großer Bedeutung. Oft liegen Katalysatoren in fester oder flüssiger Phase vor und sind mit einem oder mehreren Reaktanten nicht mischbar. Daher handelt es sich bei der Katalyse meist um 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. Ein Zusammenstoß von Teilchen führt nur dann zu einer chemischen Reaktion, d.h. zu einer Umgruppierung von Atomen, wenn die Teilchen mit ausreichender kinetischer Energie aufeinander treffen. Die Ultraschallbehandlung ist ein hocheffizientes Mittel zur Erhöhung der Kinetik in chemischen Reaktoren. In einem heterogenen Katalyseprozess kann die Integration von Ultraschall in ein chemisches Reaktordesign den Katalysatorbedarf senken. Dadurch kann entweder weniger Katalysator oder ein minderwertige, weniger edler Katalysator verwendet werden.
• Höhere Kontakthäufigkeit / Verbesserter Stoffaustausch: Das Mischen und Rühren mit Ultraschall ist eine hochwirksame Methode zur Erzeugung kleinster Tröpfchen und Partikel (d.h. Submikron- und Nanopartikel), welche eine größere aktive Oberfläche für Reaktionen bieten. Unter der zusätzlichen intensiven Agitation und Mikrobewegung, die durch Leistungsultraschall verursacht wird, wird die Häufigkeit des Kontakts zwischen den Partikeln drastisch erhöht, was zu einer deutlich verbesserten Umwandlungsrate führt.
• Komprimiertes Plasma: Bei vielen Reaktionen führt eine Erhöhung der Reaktortemperatur um 10 Kelvin zu einer ungefähren Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit. Die Ultraschallkavitation erzeugt lokalisierte hochreaktive Hotspots von bis zu 5000K innerhalb der Flüssigkeit, ohne eine wesentliche Erwärmung des gesamten Flüssigkeitsvolumens im chemischen Reaktor zu erzeugen.
• Thermische Energie: Jede Ultraschallenergie, die einem chemischen Reaktordesign hinzugefügt wird, wird letztendlich in Wärmeenergie umgewandelt. Dementsprechend kann diese Energie für den chemischen Prozess wiederverwendt werden. Anstelle eines thermischen Energieeintrags durch Heizelemente oder Dampf wird bei der Beschallung ein Prozess aktiviert, bei dem mechanische Energie durch hochfrequente Schwingungen eingebracht wird. Im chemischen Reaktor entsteht dadurch Ultraschallkavitation, welche den chemischen Prozess auf mehreren Ebenen aktiviert. Die immense Ultraschallscherung und die daraus resultierende Agitation der Chemikalien führt schließlich zur Umwandlung in thermische Energie, d.h. in Wärme. Zur Kühlung können Sie ummantelte Batchreaktoren oder Inline-Reaktoren einsetzen, um die Prozesstemperatur für Ihre chemische Reaktion konstant zu halten.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für verbesserte chemische Reaktionen in CSTR

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren und -Dispergierer für die Integration in kontinuierliche Rührkesselreaktoren (CSTR). Hielscher Ultraschallgeräte werden weltweit eingesetzt, um chemische Reaktionen zu initiieren, zu intensivieren, zu beschleunigen und die Gesamteffizient zu verbessern.
Hielscher Ultrasonics‘ Ultraschallprozessoren sind in jeder Größe erhältlich, von kleinen Laborgeräten bis hin zu großen Industrieprozessoren für Anwendungen in der Flow-Chemistry. Die präzise Einstellung der Ultraschall-Amplitude (dem wichtigsten Parameter) ermöglicht es, Hielscher Ultraschallgeräte bei niedrigen bis sehr hohen Amplituden zu betreiben und die Amplitude exakt auf die erforderlichen Ultraschall-Prozessbedingungen des jeweiligen chemischen Reaktionssystems abzustimmen.
Die Ultraschall-Generatoren von Hielscher verfügt über eine intelligente Software mit automatischer Datenprotokollierung. Alle wichtigen Verarbeitungsparameter wie Ultraschallenergie, Temperatur, Druck und Zeit werden automatisch auf einer eingebauten SD-Karte gespeichert, sobald das Gerät eingeschaltet wird.
Prozessüberwachung und Datenaufzeichnung sind wichtig für eine kontinuierliche Prozessstandardisierung und Produktqualität. Durch Zugriff auf die automatisch aufgezeichneten Prozessdaten können Sie frühere Beschallungsläufe revidieren und das Ergebnis auswerten.
Ein weiteres benutzerfreundliches Feature ist die Browser-Fernsteuerung unserer digitalen Ultraschallsysteme. Per Browser-Fernsteuerung können Sie Ihren Ultraschallprozessor von überall aus starten, stoppen, einstellen und überwachen.
Kontaktieren Sie uns jetzt, um mehr darüber zu erfahren, wie unsere Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren Ihren kontinuierlich gerührten Tankreaktor (CSTR) verbessern können!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: