Reactores de tanque de agitación continua con ultrasonidos

Los reactores de tanque agitado continuo (CSTR) se utilizan ampliamente en diversas reacciones químicas, como la catálisis, la química de emulsiones, la polimerización, la síntesis, la extracción y la cristalización. La lentitud de la cinética de reacción es un problema común en los CSTR, que puede superarse fácilmente mediante la aplicación de ultrasonidos. La mezcla intensa, la agitación y los efectos sonoquímicos de la ultrasonidos de potencia aceleran la cinética de reacción y mejoran significativamente la tasa de conversión. Los ultrasonicadores pueden integrarse fácilmente en CSTR de cualquier volumen.

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

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 radica en 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 retromezclado (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 etapas de reacción. Además de la utilización de un reactor de tanque único, se suele recurrir a la instalación en serie de varios tanques (uno detrás de otro) o a la configuración en cascada.
¿Por qué ultrasonidos? Es bien sabido que la mezcla y la agitación ultrasónicas, 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 tasa de conversión mejorada. Los efectos sonoquímicos pueden suministrar la energía necesaria para iniciar reacciones químicas, conmutar vías químicas y proporcionar mayores rendimientos gracias 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

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 afines, incluido el recalentamiento localmente confinado. 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 al acoplar 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 sólidos y gotas. Además – localizada en el interior y en las proximidades 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 localmente confinado. Esto se debe a las intensas fuerzas generadas en el interior y en las proximidades de las burbujas de cavitación en colapso, donde fácilmente pueden alcanzarse 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 reside en los efectos controlables de la temperatura durante el procesamiento: El control de la temperatura de la solución a granel se puede lograr mediante el uso de tanques con camisas de refrigeración, así como la sonicación pulsada. Los sofisticados ultrasonicadores 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

Dado que la sonicación genera vibraciones intensas 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 afecta significativamente a la dinámica del movimiento de las burbujas. Los gases disueltos en la solución de 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 la burbuja dentro del vacío de cavitación; los efectos químicos modifican los efectos de los gases que intervienen 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 las emulsiones, están predestinadas a iniciarse y promoverse mediante ultrasonidos 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 de ácido ferúlico del 94% 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 significativamente la tasa de conversión dando rendimientos superiores al 90%.

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 homogéneamente las gotitas de cada fase entre sí, creando una emulsión submicrométrica o nanométrica. Dado que las gotas de tamaño nanométrico ofrecen una superficie drásticamente mayor para interactuar con las distintas gotas, la transferencia de masa y la velocidad de reacción mejoran considerablemente. Bajo sonicación, las reacciones conocidas por su cinética típicamente lenta muestran tasas de conversión espectacularmente mejoradas, mayores rendimientos, menos subproductos o residuos y una mayor eficiencia general. La química de emulsiones mejorada por ultrasonidos se aplica a menudo a la polimerización de emulsiones, por ejemplo, para producir mezclas de polímeros, adhesivos acuosos 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 notablemente la cinética de reacción de las reacciones químicas líquido-líquido y líquido-sólido en reactores químicos discontinuos y recipientes de reacción en línea. Por tanto, la integración de sondas ultrasónicas en un reactor químico puede reducir los costes del reactor y mejorar la eficiencia global y la calidad del producto final.
Muy a menudo, la ingeniería de reactores químicos carece de conocimientos sobre la mejora de procesos 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 de los reactores químicos, el análisis de los reactores químicos 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 reactores químicos.

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 parámetros ultrasónicos controlables con precisión
    Capacidad y velocidad de reacciónlas reacciones intensificadas por ultrasonidos son más rápidas y, por tanto, más económicas (costes más bajos)
  • La sonoquímica es aplicable tanto para fines generales como especiales

– adaptabilidad & versatilidad, por ejemplo, opciones flexibles de instalación y configuración y uso interdisciplinario

• La ultrasonicación puede utilizarse en entornos explosivos
  – purga (por ejemplo, manta de nitrógeno)
  – sin superficie abierta
• Limpieza sencilla: autolimpieza (CIP – limpieza in situ)
• Elija los materiales de construcción que prefiera
  – vidrio, acero inoxidable, titanio
  – sin juntas rotativas
  – amplia gama de sellantes
• Los ultrasonidos pueden utilizarse en una amplia gama de temperaturas
• Los ultrasonidos pueden utilizarse con una amplia gama de presiones
• Efecto sinérgico con otras tecnologías, por ejemplo, electroquímica (sonoelectroquímica), catálisis (sonocatálisis), cristalización (sonocristalización), etc.
• La sonicación es ideal para mejorar los biorreactores, por ejemplo, de fermentación.
• Disolución / Disolver: 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 cavitación ultrasónica que en 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 (sono-cristalización).
• Extracción química por ultrasonidos:
  – Líquido-sólido, por ejemplo, extracción botánica, extracción química
  – Líquido-líquido: Cuando se aplican ultrasonidos 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 resulta en 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 colisionan entre sí en la interfase. Cuanto mayor es la interfase, más colisiones pueden producirse. A medida que una porción líquida o sólida de una sustancia se rompe en gotas más pequeñas o partículas sólidas suspendidas en un líquido en fase continua, aumenta la superficie de esta sustancia. Además, como resultado de la reducción de tamaño, aumenta el número de partículas y, por tanto, disminuye la distancia media entre estas partículas. 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 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 reactantes. De ahí que, la mayoría de las veces, la catálisis sea 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. La colisión de partículas provoca una reacción química, es decir, 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 resultar en el uso de menos catalizador o catalizadores inferiores, menos nobles.
• Mayor frecuencia de contacto / Mejor transferencia de masa: La mezcla y agitación por ultrasonidos es un método muy eficaz para generar gotitas y partículas diminutas (es decir, submicrónicas y nanopartículas), que ofrecen una mayor superficie activa para las reacciones. Gracias a la intensa agitación adicional y al micromovimiento provocado por los ultrasonidos potentes, la frecuencia de contacto entre partículas aumenta drásticamente, lo que se traduce en 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 calentamiento sustancial del volumen total de líquido en el reactor químico.
• Energía térmica: Cualquier energía ultrasónica que añada al diseño de un reactor químico, se convertirá finalmente en energía térmica. Por lo tanto, 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, 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 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 ultrasónicos 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 ultrasónica (que es el parámetro más importante) permite operar los ultrasonicadores Hielscher con amplitudes bajas a muy altas y ajustar con precisión la amplitud exactamente a las condiciones de proceso ultrasónico requeridas del sistema de reacción química específico.
Los generadores de ultrasonidos de Hielscher disponen de un software inteligente con protocolización automática 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 ultrasónicos digitales. Mediante el control remoto por navegador, puede iniciar, detener, ajustar y supervisar su procesador ultrasónico a distancia desde cualquier lugar.
Póngase en contacto con nosotros para obtener más información sobre cómo nuestros homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento 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: