Reactores de tanque agitado continuo con agitación ultrasónica

Los reactores de tanque agitado continuo (CSTR) se utilizan ampliamente para diversas reacciones químicas, como catálisis, química de emulsiones, polimerización, síntesis, extracción y cristalización. La cinética de reacción lenta es un problema habitual en los CSTR, que puede superarse fácilmente mediante la aplicación de ultrasonicación de potencia. La mezcla y la agitación intensas, junto con los efectos sonoquímicos de los 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 agitado continuo?

Un reactor de tanque agitado continuo (CSTR, o simplemente reactor de tanque agitado (STR)) es bastante similar al reactor por lotes en sus características principales. La diferencia fundamental es que, en la configuración del reactor de tanque agitado continuo (CSTR), el material debe entrar y salir del reactor en un flujo continuo. La alimentación del reactor puede realizarse mediante flujo por gravedad o mediante flujo de circulación forzada con una bomba. El CSTR también se denomina a veces reactor de flujo con retromezcla (BMR).
Los CSTR se utilizan habitualmente cuando se requiere la agitación de dos o más líquidos. Pueden utilizarse como reactor único o instalarse en una serie de configuraciones para corrientes de distinta concentración y distintas etapas de reacción. Además de utilizar un único reactor de tanque, es habitual instalar varios tanques en serie (uno tras otro) o en cascada.
¿Por qué utilizar la ultrasonicación? Es bien sabido que la mezcla y la agitación ultrasónicas, así como los efectos sonoquímicos de los ultrasonidos de potencia, contribuyen a la eficiencia de las reacciones químicas. La mejora de la mezcla y la reducción del tamaño de las partículas debidas a las vibraciones ultrasónicas y a la cavitación aceleran significativamente la cinética y mejoran la tasa de conversión. Los efectos sonoquímicos pueden aportar la energía necesaria para iniciar reacciones químicas, modificar las rutas de reacción y obtener mayores rendimientos gracias a una reacción más completa.

Los CSTR intensificados por ultrasonidos pueden 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 de síntesis química de alta velocidad

La química de síntesis de alta velocidad es una novedosa técnica de reacción utilizada para iniciar e intensificar la síntesis química. En comparación con las rutas de reacción tradicionales, que requieren varias horas o días a reflujo, los reactores de síntesis asistida por ultrasonidos pueden reducir la duración de la reacción a unos pocos minutos, lo que acelera significativamente la reacción de síntesis. La intensificación ultrasónica de la síntesis se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica y en las fuerzas asociadas a ella, incluido el sobrecalentamiento localizado. En la siguiente sección encontrará más información sobre los ultrasonidos, la cavitación acústica y la sonoquímica.

Cavitación ultrasónica y sus efectos sonoquímicos

La cavitación ultrasónica (o acústica) se produce cuando los ultrasonidos de potencia se acoplan a líquidos o suspensiones. 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 presión de vapor del fluido.
La cavitación ultrasónica genera fuerzas de cizallamiento muy elevadas y chorros de líquido con velocidades de hasta 1000 m/s. Estos chorros de líquido aceleran las partículas y provocan colisiones entre ellas, reduciendo así el tamaño de las partículas sólidas y de las gotas. Además, se generan presiones extremadamente altas, del orden de cientos de atmósferas, y temperaturas del orden de miles de grados Kelvin, localizadas en el interior de la burbuja de cavitación que implosiona y en sus proximidades inmediatas.
Aunque la ultrasonicación es un método de procesamiento puramente mecánico, puede producir un aumento extremo y localizado de la temperatura. Esto se debe a las intensas fuerzas generadas en el interior y en las proximidades inmediatas de las burbujas de cavitación que colapsan, donde pueden alcanzarse fácilmente temperaturas de varios miles de grados Celsius. En el conjunto de la solución, el aumento de temperatura resultante de la implosión de una sola burbuja es prácticamente insignificante, pero la disipación de calor de numerosas burbujas de cavitación, como se observa en los puntos calientes de cavitación (generados por la sonicación con ultrasonidos de alta potencia), puede acabar provocando un aumento medible de la temperatura global. La ventaja de la ultrasonicación y la sonoquímica reside en la posibilidad de controlar los efectos térmicos durante el procesamiento: la temperatura del conjunto de la solución puede controlarse mediante tanques con camisas de refrigeración y sonicación pulsada. Los sofisticados ultrasonicadores de Hielscher Ultrasonics pueden interrumpir los ultrasonidos cuando se alcanza un límite superior de temperatura y reanudar la ultrasonicación en cuanto se alcanza el valor inferior del ∆T establecido. Esto es especialmente importante cuando se utilizan reactivos sensibles al calor.

La sonoquímica mejora la cinética de reacción

Dado que la sonicación genera vibraciones intensas y cavitación, influye en la cinética química. La cinética de un sistema químico está estrechamente relacionada con la expansión y la implosión de las burbujas de cavitación, lo que influye significativamente en la dinámica de su movimiento. Los gases disueltos en la solución de reacción química afectan a las características de una reacción sonoquímica tanto mediante efectos térmicos como químicos. Los efectos térmicos influyen en las temperaturas máximas alcanzadas durante el colapso de la burbuja dentro de la cavidad de cavitación; los efectos químicos modifican los efectos de los gases que intervienen directamente en una reacción.
Las reacciones heterogéneas y homogéneas con cinética de reacción lenta, incluidas las reacciones de acoplamiento de Suzuki, la precipitación, la cristalización y la química de emulsiones, son especialmente adecuadas para su iniciación y aceleración mediante ultrasonidos de potencia y sus efectos sonoquímicos.
Por ejemplo, en la síntesis de ácido ferúlico, la sonicación de baja frecuencia (20 kHz) con una potencia de 180 W proporcionó 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 (sonotrodo de tipo bocina e irradiación de alta potencia) mejoró significativamente la tasa de conversión, con rendimientos superiores al 90%.

Química de emulsiones intensificada por ultrasonidos

Las reacciones heterogéneas, como las de la química de emulsiones, se benefician significativamente de la aplicación de ultrasonidos de potencia. La cavitación ultrasónica reduce el tamaño de las gotas de cada fase y las distribuye homogéneamente unas en otras, creando una emulsión submicrométrica o una nanoemulsión. Dado que las gotas de tamaño nanométrico ofrecen una superficie mucho mayor para interactuar con otras gotas, la transferencia de masa y la velocidad de reacción mejoran significativamente. Bajo sonicación, las reacciones conocidas por su cinética típicamente lenta muestran una mejora drástica de las tasas de conversión, mayores rendimientos, menos subproductos o residuos y una mayor eficiencia global. La química de emulsiones mejorada por ultrasonidos se aplica a menudo a la polimerización en emulsión, 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

Al elegir un reactor químico para un proceso químico, hay muchos factores que influyen en su diseño óptimo. Si su proceso químico implica reacciones químicas heterogéneas con varias fases y presenta una cinética de reacción lenta, la agitación del reactor y la activación del proceso son factores esenciales para lograr una conversión química satisfactoria y unos costes (operativos) económicos del reactor químico.
La ultrasonicación mejora significativamente la cinética de las reacciones químicas líquido–líquido y líquido–sólido en reactores químicos por lotes y 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 global y la calidad del producto final.
Con mucha frecuencia, la ingeniería de reactores químicos carece de conocimientos sobre la mejora de procesos asistida por ultrasonidos. Sin un conocimiento profundo de la influencia de los ultrasonidos de potencia, la agitación ultrasónica, la cavitación acústica y los efectos sonoquímicos en el funcionamiento del reactor químico, el análisis de reactores químicos y los fundamentos de diseño convencionales solo pueden proporcionar resultados inferiores. A continuación encontrará una descripción general de las ventajas fundamentales de los ultrasonidos para el diseño y la optimización de reactores químicos.

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

• • Reactores mejorados por ultrasonidos para laboratorio y producción:
    Escalado sencillo: Los procesadores ultrasónicos están disponibles para laboratorio, planta piloto y producción a gran escala
    Resultados reproducibles / repetibles gracias a parámetros ultrasónicos que pueden controlarse con precisión
    Capacidad y velocidad de reacción: las reacciones intensificadas por ultrasonidos son más rápidas y, por tanto, más económicas (menores costes)
  • La sonoquímica puede aplicarse tanto a fines generales como específicos

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

• La ultrasonicación puede utilizarse en atmósferas explosivas
  – purga (por ejemplo, atmósfera protectora 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 selección de sellantes
• Los ultrasonicadores pueden utilizarse en un amplio intervalo de temperaturas
• Los ultrasonicadores pueden utilizarse en un amplio intervalo 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, en la 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 constatado que el grado de agitación influye en la velocidad del proceso. Muchos cristales pequeños se disuelven mucho más rápido bajo cavitación ultrasónica que un solo cristal en reactores por lotes con agitación convencional. También en este caso, las distintas velocidades se deben a 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, entre otros casos, en procesos de cristalización (sonocristalización).
• Extracción química favorecida por ultrasonidos:
  – Líquido–sólido, por ejemplo, extracción botánica y 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 aumenta las áreas interfaciales entre las dos fases inmiscibles, lo que incrementa el flujo de transferencia de masa entre ellas.

¿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, solo pueden reaccionar las partículas que colisionan entre sí en la interfase. Cuanto mayor sea la interfase, más colisiones podrán producirse. Cuando una porción líquida o sólida de una sustancia se divide en gotas o partículas sólidas más pequeñas suspendidas en una fase líquida continua, aumenta la superficie de esta sustancia. Además, como consecuencia de la reducción del tamaño, aumenta el número de partículas y, por tanto, disminuye la distancia media entre ellas. 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 tienen gran importancia en muchas reacciones químicas, en el desarrollo en laboratorio y 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 catálisis suele ser una reacción química heterogénea. Los catalizadores desempeñan un papel importante en la producción de los productos químicos básicos más importantes, como el ácido sulfúrico, el amoníaco, el ácido nítrico, el eteno y el metanol. Amplios ámbitos de la tecnología ambiental se basan en procesos catalíticos. Una colisión de partículas solo da lugar a una reacción química, es decir, a una reorganización de los átomos, si las partículas colisionan con suficiente energía cinética. La ultrasonicación es un medio muy eficiente para acelerar la cinética en los reactores químicos. En un proceso de catálisis heterogénea, la incorporación de ultrasonidos al diseño de un reactor químico puede reducir la cantidad de catalizador necesaria. Esto puede permitir utilizar menos catalizador o catalizadores de menor calidad y menos nobles.
• Mayor frecuencia de contacto / mejor transferencia de masa: La mezcla y la agitación ultrasónicas constituyen un método muy eficaz para generar gotas y partículas diminutas (es decir, partículas submicrométricas y nanopartículas), que ofrecen una mayor superficie activa para las reacciones. Con la agitación intensa y el micromovimiento adicionales causados por los ultrasonidos de potencia, la frecuencia de contacto entre partículas aumenta drásticamente, lo que mejora significativamente la tasa de conversión.
• Plasma comprimido: En 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 y altamente reactivos de hasta 5000K dentro del líquido, sin calentar sustancialmente el volumen total de líquido del reactor químico.
• Energía térmica: Toda la energía ultrasónica que se incorpore al diseño de un reactor químico acabará convirtiéndose en energía térmica. Por lo tanto, puede reutilizar esa energía para el proceso químico. En lugar de aportar energía térmica mediante elementos calefactores o vapor, la ultrasonicación introduce energía mecánica que activa el proceso mediante vibraciones de alta frecuencia. En el reactor químico, esto produce cavitación ultrasónica que activa el proceso químico en varios niveles. Finalmente, el intenso cizallamiento ultrasónico de las sustancias químicas da lugar a la conversión en energía térmica, es decir, calor. Puede utilizar reactores por lotes con camisa o reactores en línea para la refrigeración, a fin de mantener una temperatura de proceso constante para su reacción química.

Ultrasonicadores 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 ultrasonicadores de Hielscher se utilizan en todo el mundo para favorecer, intensificar, acelerar y mejorar las reacciones químicas.
Los procesadores ultrasónicos de Hielscher Ultrasonics están disponibles en todos los tamaños, desde pequeños equipos 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 utilizar los ultrasonicadores de Hielscher con amplitudes desde bajas hasta muy altas y ajustar la amplitud exactamente a las condiciones de procesamiento ultrasónico requeridas por cada sistema de reacción química.
Los generadores ultrasónicos de Hielscher incorporan un software inteligente con registro automático de datos. Todos los parámetros importantes del procesamiento, como la energía ultrasónica, la temperatura, la presión y el tiempo, se almacenan automáticamente en una tarjeta SD integrada en cuanto se enciende el equipo.
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 anteriores de sonicación y evaluar los resultados.
Otra característica que facilita el uso es el control remoto de nuestros sistemas ultrasónicos digitales mediante navegador. Con el control remoto mediante navegador puede iniciar, detener, ajustar y supervisar su procesador ultrasónico a distancia desde cualquier lugar.
¡Póngase en contacto con nosotros ahora para saber cómo nuestros homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento pueden mejorar su reactor de tanque agitado continuo (CSTR)!
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores: