Reactores de tanque de agitación continua agitados con ultrasonidos

Los reactores de tanque de agitación continua (CSTR) se aplican ampliamente a diversas reacciones químicas, como la catálisis, la química de emulsión, la polimerización, la síntesis, la extracción y la cristalización. La cinética de reacción lenta es un problema común en los CSTR, que puede superarse fácilmente mediante la aplicación de la ultrasonicación. La mezcla intensa, la agitación y los efectos sonoquímicos de la ultrasonidos de potencia aceleran la cinética de la reacción y mejoran la tasa de conversión de forma significativa. Los ultrasonidos pueden integrarse fácilmente en los CSTR de cualquier volumen.

¿Por qué aplicar el ultrasonido de potencia a un reactor de tanque de agitación continua?

Ultrasonically intensified CSTR: Power-ultrasound prootes chemical reactions by intense agitation.Un reactor de tanque agitado continuo (CSTR, o simplemente reactor de tanque agitado (STR)) es, en sus características principales, bastante similar al reactor discontinuo. La principal diferencia es que, para la configuración del reactor de tanque agitado continuo (CSTR), la alimentación de material debe proporcionarse en flujo continuo dentro y fuera del reactor. La alimentación del reactor puede realizarse por gravedad o por circulación forzada mediante una bomba. El CSTR se denomina a veces reactor de flujo retro-mezclado (BMR).
Los CSTR se utilizan habitualmente cuando se requiere la agitación de dos o más líquidos. Los CSTR pueden utilizarse como reactor único o instalarse como una serie de configuraciones para diferentes flujos de concentración y pasos de reacción. Además del uso de un reactor de un solo tanque, se suele utilizar la instalación en serie de varios tanques (uno tras otro) o la configuración en cascada.
¿Por qué la ultrasonicación? Es bien sabido que el mezclado y la agitación por ultrasonidos, así como los efectos sonoquímicos de los ultrasonidos de potencia, contribuyen a la eficacia de las reacciones químicas. La mejora de la mezcla y la reducción del tamaño de las partículas debido a las vibraciones ultrasónicas y la cavitación proporcionan una cinética significativamente acelerada y una mayor tasa de conversión. Los efectos sonoquímicos pueden suministrar la energía necesaria para iniciar las reacciones químicas, cambiar las vías químicas y proporcionar mayores rendimientos debido a una reacción más completa.

El CSTR intensificado por ultrasonidos puede utilizarse para aplicaciones como:

  • Reacciones heterogéneas líquido-líquido
  • Reacciones heterogéneas sólido-líquido
  • Reacciones homogéneas en fase líquida
  • Reacciones heterogéneas gas-líquido
  • Reacciones heterogéneas gas-sólido-líquido

Solicitar información




Observe nuestro Política de privacidad.


The ultrasonicator UP200St in a stirred vessel for emulsification of reactants

Reactor de tanque de agitación continua (CSTR) con ultrasonidos UP200St para la intensificación del proceso

La ultrasonicación como sistema químico sintético de alta velocidad

La química sintética de alta velocidad es una novedosa técnica de reacción utilizada para iniciar e intensificar la síntesis química. En comparación con las vías de reacción tradicionales, que necesitan varias horas o días bajo reflujo, los reactores de síntesis promovidos por ultrasonidos pueden minimizar la duración de la reacción a unos pocos minutos, lo que resulta en una reacción de síntesis acelerada significativa. La intensificación de la síntesis por ultrasonidos se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica y sus fuerzas relacionadas, incluido el recalentamiento confinado localmente. Obtenga más información sobre los ultrasonidos, la cavitación acústica y la sonoquímica en la siguiente sección.

Cavitación ultrasónica y sus efectos sonoquímicos

La cavitación ultrasónica (o acústica) se produce cuando se acoplan ultrasonidos de potencia en líquidos o lodos. La cavitación es la transición de una fase líquida a una fase de vapor, que se produce debido a una caída de presión hasta el nivel de la tensión de vapor del fluido.
La cavitación ultrasónica crea fuerzas de cizallamiento muy elevadas y chorros de líquido de hasta 1000 m/s. Estos chorros de líquido aceleran las partículas y provocan colisiones entre ellas, reduciendo así el tamaño de las partículas de los sólidos y las gotas. Además – localizado dentro y en la proximidad de la burbuja de cavitación implosiva – se generan presiones extremadamente altas del orden de cientos de atmósferas y temperaturas del orden de miles de grados Kelvin.
Aunque la ultrasonicación es un método de procesamiento puramente mecánico, puede producir un aumento extremo de la temperatura a nivel local. Esto se debe a las intensas fuerzas generadas en el interior y en la proximidad de las burbujas de cavitación que colapsan, donde fácilmente se pueden alcanzar temperaturas de varios miles de grados centígrados. En la solución a granel, el aumento de temperatura resultante de la implosión de una sola burbuja es casi insignificante, pero la disipación de calor de numerosas burbujas de cavitación, como se observa en los puntos calientes de cavitación (como los generados por la sonicación con ultrasonidos de alta potencia), puede finalmente causar un aumento medible de la temperatura a granel. La ventaja de la ultrasonicación y la sonoquímica radica en los efectos controlables de la temperatura durante el procesamiento: El control de la temperatura de la solución a granel puede lograrse mediante el uso de tanques con camisas de refrigeración, así como la sonicación pulsada. Los sofisticados ultrasonidos de Hielscher Ultrasonics pueden detener el ultrasonido cuando se alcanza un límite superior de temperatura y continuar con la ultrasonicación tan pronto como se alcanza el valor inferior de una ∆T establecida. Esto es especialmente importante cuando se utilizan reactivos sensibles al calor.

La sonoquímica mejora la cinética de las reacciones

Ultasonically intendified Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR) are widely used in flow  chemistry. Ultrasonication improves amss transfer, accelerates slow reaction kinetics and promotes conversion rates and yields.Dado que la sonicación genera intensas vibraciones y cavitación, la cinética química se ve afectada. La cinética de un sistema químico está estrechamente correlacionada con la expansión e implosión de las burbujas de cavitación, lo que influye significativamente en la dinámica del movimiento de las burbujas. Los gases disueltos en la solución de la reacción química afectan a las características de una reacción sonoquímica a través de efectos térmicos y químicos. Los efectos térmicos influyen en las temperaturas máximas que se alcanzan durante el colapso de las burbujas dentro del vacío de cavitación; los efectos químicos modifican los efectos de los gases que participan directamente en la reacción.
Las reacciones heterogéneas y homogéneas con cinética de reacción lenta, incluidas las reacciones de acoplamiento Suzuki, la precipitación, la cristalización y la química de emulsión, están predestinadas a iniciarse y promoverse a través del ultrasonido de potencia y sus efectos sonoquímicos.
Por ejemplo, para la síntesis de ácido ferúlico, la sonicación de baja frecuencia (20kHz) a una potencia de 180 W dio un rendimiento del 94% de ácido ferúlico a 60°C en 3 h. Estos resultados de Truong et al. (2018) demuestran que el uso de baja frecuencia (tipo cuerno e irradiación de alta potencia) mejoró la tasa de conversión significativamente dando rendimientos superiores al 90%.

Solicitar información




Observe nuestro Política de privacidad.


Continuously Stirred Tank Reactors (CSTR) can be significantly improved by the application of power ultrasound. Ultrasonic agitation and sonochemical effects accelerate slow reaction kinetics and promote chemical conversion rates.

Reactor de tanque de agitación continua (CSTR) con ultrasonido integrado UIP2000hdT (2kW, 20kHz) para mejorar la cinética y las tasas de conversión.

Química de la emulsión intensificada por ultrasonidos

Las reacciones heterogéneas, como la química de las emulsiones, se benefician considerablemente de la aplicación de ultrasonidos de potencia. La cavitación ultrasónica disminuye y distribuye las gotitas de cada fase de forma homogénea entre sí, creando una emulsión submicrónica o nano. Dado que las gotas de tamaño nanométrico ofrecen una superficie drásticamente mayor para interactuar con las diferentes gotas, la transferencia de masa y la velocidad de reacción mejoran considerablemente. Bajo la sonicación, las reacciones conocidas por su cinética típicamente lenta muestran tasas de conversión dramáticamente mejoradas, mayores rendimientos, menos subproductos o residuos y una mejor eficiencia general. La química de emulsión mejorada por ultrasonidos se aplica a menudo para la polimerización de emulsiones, por ejemplo, para producir mezclas de polímeros, adhesivos de base acuosa y polímeros especiales.

10 cosas que debe saber antes de comprar un reactor químico

Cuando se elige un reactor químico para un proceso químico hay muchos factores que influyen en el diseño óptimo del reactor químico. Si su proceso químico implica reacciones químicas multifásicas y heterogéneas y tiene una cinética de reacción lenta, la agitación del reactor y la activación del proceso son factores esenciales que influyen en el éxito de la conversión química y en los costes económicos (operativos) del reactor químico.
La ultrasonicación mejora considerablemente la cinética de reacción de las reacciones químicas líquido-líquido y líquido-sólido en los reactores químicos discontinuos y en los recipientes de reacción en línea. Por lo tanto, la integración de sondas ultrasónicas en un reactor químico puede reducir los costes del reactor y mejorar la eficiencia general y la calidad del producto final.
Muy a menudo, la ingeniería de reactores químicos carece de conocimientos sobre la mejora del proceso asistida por ultrasonidos. Sin un conocimiento profundo sobre la influencia de los ultrasonidos de potencia, la agitación ultrasónica, la cavitación acústica y los efectos sonoquímicos en el rendimiento del reactor químico, el análisis del reactor químico y los fundamentos de diseño convencionales sólo pueden producir resultados inferiores. A continuación, obtendrá una visión general de las ventajas fundamentales de los ultrasonidos para el diseño y la optimización de los reactores químicos.

Las ventajas del reactor de tanque agitado continuo intensificado por ultrasonidos (CSTR)

  • Reactores mejorados por ultrasonidos para laboratorio y producción:
    Fácil escalabilidad: Los procesadores ultrasónicos están disponibles para la producción en laboratorio, piloto y a gran escala
    Reproducible / repetible resultados gracias a los parámetros ultrasónicos controlables con precisión
    Capacidad y velocidad de reacciónLas reacciones intensificadas por ultrasonidos son más rápidas y, por tanto, más económicas (menores costes)
  • La sonoquímica es aplicable tanto para fines generales como especiales
  • – adaptabilidad & versatilidad, por ejemplo, opciones de instalación y configuración flexibles y uso interdisciplinario

  • La ultrasonicación puede utilizarse en entornos explosivos
    – purga (por ejemplo, manta de nitrógeno)
    – sin superficie abierta
  • Limpieza sencilla: autolimpieza (CIP – limpieza en el lugar)
  • Elija los materiales de construcción que prefiera
    – vidrio, acero inoxidable, titanio
    – sin juntas rotativas
    – amplia gama de selladores
  • Los ultrasonidos pueden utilizarse en una amplia gama de temperaturas
  • Los ultrasonidos pueden utilizarse en una amplia gama de presiones
  • Efecto sinérgico con otras tecnologías, por ejemplo, electroquímica (sono-electroquímica), catálisis (sono-catálisis), cristalización (sono-cristalización), etc.
  • La sonicación es ideal para mejorar los biorreactores, por ejemplo, la fermentación.
  • Disolución / Disolución: En los procesos de disolución, las partículas pasan de una fase a otra, por ejemplo, cuando las partículas sólidas se disuelven en un líquido. Se ha comprobado que el grado de agitación influye en la velocidad del proceso. Muchos cristales pequeños se disuelven mucho más rápido bajo la cavitación ultrasónica que en los reactores discontinuos con agitación convencional. También en este caso, la razón de las diferentes velocidades radica en las diferentes tasas de transferencia de masa en las superficies de las partículas. Por ejemplo, la ultrasonicación se aplica con éxito para crear soluciones sobresaturadas, por ejemplo, en procesos de cristalización (sonocristalización).
  • Extracción química promovida por ultrasonidos:
    – Líquido-sólido, por ejemplo, extracción botánica, extracción química
    – Líquido-líquido: Cuando se aplica el ultrasonido a un sistema de extracción líquido-líquido, se crea una emulsión de una de las fases en la otra. Esta formación de emulsión conduce a un aumento de las áreas interfaciales entre las dos fases inmiscibles, lo que da lugar a un mayor flujo de transferencia de masa entre las fases.

¿Cómo mejora la sonicación las reacciones químicas en los reactores de tanque agitado?

  • Mayor superficie de contacto: En las reacciones entre reactivos en fases heterogéneas, sólo pueden reaccionar las partículas que chocan entre sí en la interfase. Cuanto mayor sea la interfase, más colisiones pueden producirse. A medida que una porción líquida o sólida de una sustancia se rompe en gotas más pequeñas o en partículas sólidas suspendidas en un líquido en fase continua, la superficie de esta sustancia aumenta. Además, como resultado de la reducción de tamaño, el número de partículas aumenta y, por tanto, la distancia media entre estas partículas disminuye. Esto mejora la exposición de la fase continua a la fase dispersa. Por lo tanto, la velocidad de reacción aumenta con el grado de fragmentación de la fase dispersa. Muchas reacciones químicas en dispersiones o emulsiones muestran mejoras drásticas en la velocidad de reacción como resultado de la reducción ultrasónica del tamaño de las partículas.
  • Catálisis (energía de activación): Los catalizadores son de gran importancia en muchas reacciones químicas, tanto en el desarrollo en el laboratorio como en la producción industrial. A menudo, los catalizadores se encuentran en fase sólida o líquida y son inmiscibles con uno o todos los reactivos. Por ello, la mayoría de las veces, la catálisis es una reacción química heterogénea. En la producción de los productos químicos básicos más importantes, como el ácido sulfúrico, el amoníaco, el ácido nítrico, el eteno y el metanol, los catalizadores desempeñan un papel importante. Grandes áreas de la tecnología medioambiental se basan en procesos catalíticos. Una colisión de partículas conduce a una reacción química, es decir, a una reagrupación de átomos, sólo si las partículas chocan con suficiente energía cinética. La ultrasonicación es un medio muy eficaz para aumentar la cinética en los reactores químicos. En un proceso de catálisis heterogénea, la adición de ultrasonidos al diseño de un reactor químico puede reducir la necesidad de un catalizador. Esto puede dar lugar al uso de menos catalizador o de catalizadores inferiores y menos nobles.
  • Mayor frecuencia de contacto / Mejora de la transferencia de masa: La mezcla y agitación por ultrasonidos es un método muy eficaz para generar gotas y partículas diminutas (es decir, submicrónicas y nanopartículas), que ofrecen una mayor superficie activa para las reacciones. Gracias a la intensa agitación y al micromovimiento adicionales provocados por los ultrasonidos de potencia, la frecuencia de contacto entre las partículas aumenta drásticamente, lo que da lugar a una tasa de conversión significativamente mejorada.
  • Plasma comprimido: Para muchas reacciones, un aumento de 10 Kelvin en la temperatura del reactor hace que la velocidad de reacción se duplique aproximadamente. La cavitación ultrasónica produce puntos calientes localizados altamente reactivos de hasta 5000K dentro del líquido, sin que se produzca un calentamiento sustancial del volumen total de líquido en el reactor químico.
  • Energía térmica: Cualquier energía ultrasónica que se añada al diseño de un reactor químico, se convertirá finalmente en energía térmica. Por lo tanto, se puede reutilizar la energía para el proceso químico. En lugar de un aporte de energía térmica mediante elementos calefactores o vapor, la ultrasonicación introduce un proceso que activa la energía mecánica mediante vibraciones de alta frecuencia. En el reactor químico, esto produce una cavitación ultrasónica que activa el proceso químico en múltiples niveles. Finalmente, el inmenso cizallamiento ultrasónico de los productos químicos da lugar a la conversión en energía térmica, es decir, en calor. Puede utilizar reactores discontinuos encamisados o reactores en línea para la refrigeración con el fin de mantener una temperatura de proceso constante para su reacción química.

Ultrasonidos de alto rendimiento para mejorar las reacciones químicas en los CSTR

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye homogeneizadores y dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para su integración en reactores de tanque agitado continuo (CSTR). Los ultrasonidos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para promover, intensificar, acelerar y mejorar las reacciones químicas.
Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores de ultrasonidos están disponibles en cualquier tamaño, desde pequeños dispositivos de laboratorio hasta grandes procesadores industriales para aplicaciones de química de flujo. El ajuste preciso de la amplitud de los ultrasonidos (que es el parámetro más importante) permite operar los ultrasonidos de Hielscher con amplitudes bajas o muy altas y ajustar la amplitud exactamente a las condiciones de proceso de ultrasonidos requeridas del sistema de reacción química específico.
Los generadores de ultrasonidos de Hielscher disponen de un software inteligente con protocolling automático de datos. Todos los parámetros de procesamiento importantes, como la energía ultrasónica, la temperatura, la presión y el tiempo, se almacenan automáticamente en una tarjeta SD integrada en cuanto se enciende el dispositivo.
La supervisión del proceso y el registro de datos son importantes para la estandarización continua del proceso y la calidad del producto. Al acceder a los datos del proceso registrados automáticamente, puede revisar las ejecuciones de sonicación anteriores y evaluar el resultado.
Otra función de fácil manejo es el control remoto por navegador de nuestros sistemas digitales de ultrasonidos. A través del control remoto del navegador puede iniciar, detener, ajustar y supervisar su procesador de ultrasonidos a distancia desde cualquier lugar.
Póngase en contacto con nosotros para obtener más información sobre nuestros homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento que pueden mejorar su reactor de tanque de agitación continua (CSTR).
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

Póngase en contacto con nosotros/Envíenos su pregunta

Solicite más información

Por favor, utilice el siguiente formulario para solicitar información adicional sobre los procesadores ultrasónicos, aplicaciones y precio. Estaremos encantados de discutir su proceso con usted y ofrecerle un sistema de ultrasonidos que cumpla con sus requisitos!









Por favor, tenga en cuenta Política de privacidad.


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

Literatura / Referencias



Información interesante

La agitación ultrasónica en los reactores químicos produce mejores resultados que un reactor de tanque agitado continuo convencional o un reactor de mezcla por lotes. La agitación ultrasónica produce más cizallamiento y resultados más reproducibles que los reactores de agitación por chorro, debido a una mejor mezcla y procesamiento de líquidos en el tanque del reactor o en el reactor de flujo.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.