Keemilised reaktorid, mida täiustab ultraheli töötlus – tüübid, konstruktsioonid ja mehhanismid
Keemilised reaktorid on tööstusliku keemia, materjalide sünteesi, peenkemikaalide tootmise, farmaatsiatoodete valmistamise ja keskkonnatöötluse tuum. Kuna tööstusharud otsivad kiiremaid, puhtamaid ja energiatõhusamaid protsesse, on ultraheli töötlus (sonikeerimine), mida tuntakse ka ultraheliprotsessina, muutunud reaktorite intensiivistamisel üha olulisemaks meetodiks. Ultraheli reaktoritehnoloogia muudab keemilist töötlust, parandades segamist, massiülekannet, reaktsioonikineetikat ja heterogeenset katalüüsi nii perioodilistes kui ka pidevates reaktorisüsteemides.
Kuidas ultraheli töötlus keemilisi reaktoreid parandab
Kui keemilisse reaktorisse juhitakse suure võimsusega ultraheli, saavad insenerid tekitada reaktsioonikeskkonnas ultraheli võnkuva voolu segamist ja akustilist kavitatsiooni. Need mehhanismid parandavad reagentide kontakti, kiirendavad massiülekannet ning võivad suurendada reaktsioonikiirust, selektiivsust ja saagist. Ultraheli töötlus on eriti tõhus tahke aine ja vedeliku süsteemides, näiteks heterogeense katalüüsi puhul, ning vedeliku ja vedeliku süsteemides, näiteks emulgeerimisel, ekstraheerimisel ja kahefaasilistes reaktsioonides. Gaasi ja vedeliku segudes kasutatakse seda harvemini, sest akustiline kavitatsioon tekib suure gaasisisaldusega vedelikes vähem tõhusalt.
Kaasaegses sonokeemilise reaktori konstruktsioonis segatakse vedelikke ultraheli võnkumise ja kavitatsiooniga, tavaliselt kasutades amplituude vahemikus 10 kuni 200 µm. See võimaldab võimsaid mikroskoopilisi segamisefekte, mida on tavapärase mehaanilise segamisega üksi raske saavutada.
Inline-sonikaator UIP4000hdT läbivoolukambriga intensiivistatud keemiliste reaktsioonide jaoks
Miks ultraheli töötlus keemilisi reaktoreid intensiivistab
Ultraheli töötluse tööstuslik tähtsus seisneb selle võimes mõjutada keemilisi ja füüsikalisi transpordinähtusi mikro- ja mesoskaalal. Erinevalt tavapärasest segamisest ei liiguta ultraheli pelgalt põhiosa vedelikust. See tekitab survelaineid, võnkuvat liikumist, kavitatsioonimulle ja lokaliseeritud suure energiaga tsoone.
Kui akustilised kavitatsioonimullid tekivad, kasvavad ja kollapseeruvad, loovad need intensiivseid mikrokeskkondi. Need nähtused võivad tekitada:
- suuri kohalikke nihkejõude
- mikrojuge tahkete pindade lähedal
- lööklaineid
- kiiret mikrosegamist
- tõhusamat osakeste dispergeerimist
- paremat faasidevahelist kontakti
- kiirendatud massi- ja soojusülekannet
- pindade puhastamise ja katalüsaatori aktiveerimise efekte
Need nähtused muudavad ultraheli töötluse väga väärtuslikuks protsesside intensiivistamisel, eriti kui reaktsioone piiravad difusioon, halb faaside kontakt, katalüsaatori ummistumine või ebapiisav segamine.
Ultraheli töötlus perioodilistes reaktorites
Perioodilisi reaktoreid kasutatakse laialdaselt laboratooriumides, katsetehastes ja erikemikaalide tootmises. Need on paindlikud, lihtsasti käsitsetavad ning sobivad reaktsioonide sõelumiseks, väikese mahuga sünteesiks ja kõrge väärtusega toodete jaoks.
Kui ultraheli töötlust rakendatakse perioodilistes reaktorites, võib see oluliselt parandada segamist ja reaktsiooni ühtlust. Ultraheli sondid, läbivoolukambrid või väliselt paigaldatud muundurid võivad juhtida akustilist energiat otse reaktsioonikeskkonda.
Perioodilistes süsteemides on ultraheli töötlus eriti kasulik järgmistel juhtudel:
- heterogeenne katalüüs
- nanoosakeste süntees
- kristallisatsiooni kontroll
- emulgeerimine
- ekstraheerimine
- polümerisatsioon
- tahkete ainete lahustamine ja dispergeerimine
Tahke aine ja vedeliku reaktsioonides võib ultraheli takistada osakeste aglomeratsiooni ning parandada juurdepääsu katalüütilistele või reaktiivsetele pindadele. Vedeliku ja vedeliku süsteemides võib ultraheli töötlus tekitada peeneid emulsioone ja suurendada segunematute faaside vahelist faasidevahelist pinda, mis viib sageli kiiremate reaktsioonikiirusteni.
Läbivoolureaktorid pidevaks sonokeemiliseks töötluseks
Läbivoolureaktorid on tööstusliku ultraheli töötluse üks olulisemaid lahendusi. Kindla vedelikumahu töötlemise asemel liigub reaktsioonisegu pidevalt läbi ultraheli reaktorikambri.
See lahendus on skaleerimiseks väga atraktiivne, sest võimaldab inseneridel täpsemalt kontrollida viibeaega, vooluhulka, temperatuuri, rõhku ja ultraheli energiasisendit. Läbivoolu-sonokeemilisi reaktoreid kasutatakse sageli siis, kui on vaja ühtlast tootekvaliteeti ja pidevat tööd.
Ultraheliga töödeldud läbivoolureaktorite peamised eelised on järgmised:
- pideva tootmise võimalus
- parem protsessi korratavus
- parem temperatuuri kontroll
- kontrollitud viibeaja jaotus
- lihtsam integreerimine tööstuslikesse protsessiliinidesse
- skaleeritav reaktoriarhitektuur
Nendes süsteemides võib ultraheli võnkuv voolusegamine tõhustada radiaalset ja aksiaalset segunemist, vähendada kontsentratsioonigradiente ja parandada reagentide vastasmõju. See on eriti väärtuslik protsessides, kus reaktsiooni tulemuslikkus sõltub kiirest faasikontaktist või kiirest dispergeerimisest.
Ultraheli läbivoolukambri lisaseade MultiPhaseCavitator
MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 on Hielscheri ultraheli läbivoolukambriga reaktorite jaoks mõeldud spetsiaalne lisaseade, mis on ette nähtud vedelik/vedelik- ja vedelik/gaas-protsesside intensiivistamiseks otse ultraheli kavitatsioonitsoonis. Süstides teise vedelikufaasi või gaasifaasi 48 peene kanüüli kaudu põhivedelikuvoolu, tekitab MultiPhaseCavitator väga väikesi tilku või gaasimulle, mille eripindala faaside piirpinnal on suur. See muudab selle eriti tõhusaks ultraheliemulgeerimisel, kus segunematud faasid dispergeeritakse peenemulsioonideks, ning katalüütiliste gaasireaktsioonide puhul, kus süstitud gaasifaas dispergeeritakse kiiresti ja viiakse tihedasse kontakti vedela faasi, lahustunud reagentide või suspendeeritud katalüsaatoritega. Tulemuseks olev kavitatsiooniline nihe, mikrosegamine ja tõhustatud massiülekanne võivad parandada reaktsioonikineetikat, faasipiiri kontakti ja protsessi tõhusust pidevas või perioodilises läbivoolurežiimis.
Sonikaator UIP2000hdT keemilise perioodilise reaktoriga
Keemiliste reaktorite konstruktsioonid ja ultraheli töötluse eelised
| Reaktori tüüp | Tüüpiline rakendus | Peamised ultraheli töötluse mõjud | Tehniline tähtsus |
|---|---|---|---|
| Suspensioonreaktorid | Heterogeenne katalüüs vedelas faasis suspendeeritud tahkete katalüsaatoriosakestega; kasutatakse hüdrogeenimisel, oksüdeerimisel, biomassi muundamisel, Fischer-Tropschi-tüüpi protsessides, fotokatalüüsis ja reovee puhastamisel. | Ultraheli töötlus parandab katalüsaatori dispersiooni, osakeste deaglomeratsiooni, piirkihi vähenemist, pinna uuenemist, vedeliku-tahke aine massiülekannet, katalüsaatori pinna puhastamist ja ummistumise vähenemist. | Eriti oluline, sest paljusid suspensioonifaasi katalüütilisi reaktsioone piirab see, kui tõhusalt jõuavad reagendid aktiivsete tsentriteni. Akustiline kavitatsioon tugevdab kontakti katalüsaatori ja vedeliku piirpinnal ning võib parandada reaktsioonikineetikat. |
| Pidevalt segatavad mahutreaktorid (CSTR-id) | Pidevad vedelfaasi reaktsioonid, emulgeerimine, katalüütilised reaktsioonid, sadestamine, kristallimine, polümeeride reaktsioonid ja tahke aine-vedeliku suspensioonid. | Ultraheli tugevdab mikrosegamist, osakeste suspendeerimist, emulgeerimist, dispergeerimist ja lokaalset energiasisendit. Seda saab kombineerida mehaanilise segamisega, et parandada nii makrosegamist kui ka mikrosegamist. | Ultraheliga töödeldud CSTR-id on kasulikud, kui tavapärased tiivikud ei suuda täielikult kõrvaldada surnud tsoone, halba dispersiooni ega lokaalseid massiülekande piiranguid. Ultraheli toetab ühtlasemaid reaktsioonitingimusi ja paremat protsessi intensiivistamist. |
| Fikseeritud kihiga reaktorid | Statsionaarsed katalüsaatorikihid, mida kasutatakse hüdrogeenimisel, oksüdeerimisel, keskkonnakatalüüsis, naftakeemia töötlemisel ja vedelfaasi heterogeenses katalüüsis. | Ultraheli töötlus võib parandada katalüsaatori märgumist, vedeliku liikumist läbi kihi, piirkihi vähenemist, pinna puhastamist, ummistumise leevendamist ja massiülekannet katalüütilistesse tsentritesse. | Fikseeritud kihiga reaktorite jõudlust piiravad sageli kanalduvus, halb märgumine, difusioonitakistus ja setete teke. Ultraheliga protsessi intensiivistamine võib parandada katalüsaatori kasutamist ja reaktsiooni ühtlust. |
| Fluidiseeritud kihiga reaktorid | Dünaamilised hõljuvate osakeste kihid, mida kasutatakse katalüüsis, osakeste töötlemisel, katmisel, polümerisatsioonis, kuivatamisel ja tahke-vedela faasi reaktsioonides. | Ultrahelierutus võib parandada osakeste dispergeerumist, vähendada aglomeratsiooni, tugevdada vedeliku ja tahke aine kokkupuudet, stabiliseerida suspensioone ning parandada katalüsaatori pinna ligipääsetavust. | Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on eriti tõhus vedel-tahke fluidiseeritud kihtides, kus kavitatsiooni on võimalik tõhusalt tekitada. Gaasirikastes süsteemides on kavitatsioon vähem efektiivne, mistõttu sobib ultraheli paremini vedelikupõhiste reaktorite rakendustele. |
| Membraanreaktorid | Integreeritud reaktsiooni- ja lahutussüsteemid, mida kasutatakse produkti selektiivseks eemaldamiseks, reagentide doseerimiseks, katalüütilistes membraanprotsessides ja filtreerimisega toetatud reaktsioonides. | Ultraheli võib vähendada membraani ummistumist, parandada permeaadi voogu, tõhustada pinna puhastamist, vähendada kontsentratsioonipolarisatsiooni ja parandada segunemist membraani piirpinna lähedal. | Ultraheli töötlus (sonikeerimine) seob reaktsioonitehnika lahutusteadusega. See on eriti väärtuslik seal, kus ummistumine, massiülekande takistus või nõrk reaktsiooni ja lahutuse sidumine piirab membraanreaktori jõudlust. |
Ultraheliga reaktori intensiivistamise mehhanismid
Ultraheli töötluse (sonikeerimise) eelised keemilistes reaktorites põhinevad mitmel omavahel toimival mehhanismil.
- Akustiline kavitatsioon on kõige olulisem mehhanism. See hõlmab mikroskoopiliste mullide teket, kasvu ja kollapsit vedelikus, mis on avatud suure intensiivsusega ultrahelile. Mulli kollaps vabastab lokaalselt energiat ja tekitab tugevaid mehaanilisi jõude.
- Akustiline voolamine tekitab ultrahelilainete esilekutsutud ühtlase vedelikuliikumise. See parandab segunemist ja transporti tsoonides, kus mehaaniline segamine võib olla nõrk.
- Võnkuv voolusegamine tekib siis, kui ultrahelivibratsioon põhjustab vedeliku kiiret edasi-tagasi liikumist. Reaktorisüsteemides võivad amplituudid ligikaudu 10 kuni 200 µm tagada väga tõhusa segamise ja parema massiülekande.
- Mikrojugad ja lööklained tekivad kollabeeruvate kavitatsioonimullide lähedal, eriti tahkete pindade läheduses. Need efektid võivad puhastada katalüsaatori pindu, häirida piirkihte ja parandada vedeliku ligipääsu aktiivsetele tsentritele.
- Faasidevahelise pinna suurendamine on eriti oluline vedel-vedel süsteemides. Ultraheli võib tekitada peeneid tilku ja stabiilseid dispersioone, suurendades reaktsiooniks või massiülekandeks kasutatavat pinda.
Koos muudavad need mehhanismid ultraheli töötluse (sonikeerimise) võimsaks vahendiks keemiliste reaktorite intensiivistamisel.
Sonokeemilise reaktori disaini tööstuslik tähtsus
Sonikeeritud reaktorite tööstuslik tähtsus ulatub kiirema segamise kaugemale. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) võimaldab mõjutada reaktsioonikeskkonda mastaapides, milleni tavaseadmed lihtsalt ei ulatu.
Keemiatehnikas tulenevad paljud reaktorite piirangud transpordinähtustest, mitte reaktsiooni sisemisest kiirusest. Reagendid ei pruugi jõuda katalüütiliste tsentriteni piisavalt kiiresti. Segunematel vedelikel võib olla ebapiisav kokkupuutepind. Tahked osakesed võivad aglomereeruda. Membraanid võivad ummistuda. Katalüsaatori pinnad võivad blokeeruda.
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) lahendab need piirangud, parandades otseselt reaktori sees valitsevaid füüsikalisi tingimusi. See muudab selle oluliseks mitmete teadus- ja tööstusprioriteetide jaoks:
- keskkonnasõbralikum keemiline töötlemine
- väiksem energia- ja lahustivajadus
- parem katalüsaatori tõhusus
- suurem reaktsiooni selektiivsus
- kiirem protsessi arendus
- pidev tootmine
- intensiivistatud modulaarsed reaktorisüsteemid
- täiustatud materjalide süntees
- biomassi ja jäävoogude säästev muundamine
Teadlastele pakub ultraheli töötlus (sonikeerimine) kontrollitud meetodit akustilise energia sisendi, kavitatsiooni käitumise, transpordi tõhustamise ja keemilise jõudluse vahelise seose uurimiseks. Tööstusele pakub see praktilist teed kompaktsete, tõhusate ja skaleeritavate reaktorisüsteemideni.
Ultraheli homogenisaator UIP2000hdT keemiliste reaktsioonide jaoks läbivoolureaktoris
Ultraheli töötluse eelised keemilistes reaktorites
Ultraheli integreerimine reaktori konstruktsiooni pakub mitmeid tegevuslikke ja teaduslikke eeliseid:
- kiiremad reaktsioonikiirused tänu paremale massiülekandele
- parem segunemine mitmefaasilistes süsteemides
- tahkete osakeste ja tilkade parem dispergeerimine
- katalüsaatori parem kasutamine
- väiksemad difusioonipiirangud
- puhtamad katalüsaatori- ja membraanipinnad
- parem protsessi korratavus vooluga süsteemides
- võimalik temperatuuri, rõhu või reaktsiooniaja vähendamine
- sobivus nii perioodilisele kui ka pidevale töörežiimile
- suur tähtsus heterogeense katalüüsi ja kahefaasiliste reaktsioonide jaoks
Need eelised muudavad ultraheli reaktoritehnoloogia eriti atraktiivseks peenkemikaalide, eriotstarbeliste kemikaalide, katalüüsi, nanomaterjalide, rohelise keemia ja protsesside intensiivistamise valdkonnas.
Ultraheli klaasist läbivoolukamber
Intensiivistage oma keemilist reaktorit Hielscheri sonikaatoritega!
Hielscheri sonikaatorid sobivad hästi kohandatud integreerimiseks keemilistesse reaktoritesse, kuna need on saadaval töökindlate suure võimsusega ultraheli süsteemidena, millel on kohandatavad sonotroodid, läbivoolukambrid, reaktorisisendid ja protsessispetsiifilised tarvikud. Sõltuvalt reaktsiooni seadistusest saab Hielscheri ultraheli protsessoreid paigaldada perioodilistesse reaktoritesse, pidevalt segatavatesse mahutreaktoritesse, inline-läbivoolureaktoritesse, retsirkulatsioonisilmustesse, surve all töötavatesse süsteemidesse ning pilootmastaabis või tootmismastaabis töötavatesse tehastesse. See paindlikkus võimaldab rakendada ultraheli täpselt seal, kus kavitatsioon on kõige efektiivsem: vedeliku–tahke aine, vedeliku–vedeliku või vedeliku–gaasi faasipiiril. Hielscher Ultrasonics pakub ka mitmesuguseid ultraheli perioodilisi ja inline-reaktoreid, mis võimaldavad kontrollitud sonokeemilist töötlemist, emulgeerimist, dispergeerimist, katalüsaatori aktiveerimist, pindade puhastamist, massiülekande intensiivistamist ja reaktsiooni kiirendamist. Amplituudi, võimsuse sisendi, temperatuuri, rõhu, vooluhulga ja viibeaja täpse juhtimise abil saab Hielscheri sonikaatoreid kohandada laborauuringute, protsessiarenduse, mastaabi suurendamise ja tööstusliku keemiatootmise konkreetsetele nõuetele.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrahelihomogenisaatorite ligikaudsest töötlemismahust:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 mL | 10 kuni 200 mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000 mL | 20 kuni 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20 L | 0,2 kuni 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100 L | 2 kuni 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150 L | 3 kuni 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100 L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000hdT |
Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet
Hielscheri ultrahelihomogenisaatorid on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrahelihomogenisaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrahelihomogenisaatorid tulevad kergesti toime karmide tingimuste ja nõudlike keskkondadega.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultrahelihomogenisaatoritele, mis on varustatud tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkusega. Loomulikult vastavad Hielscheri ultrahelihomogenisaatorid CE nõuetele ning UL-i, CSA ja RoHs nõuetele.
Ultraheli homogenisaator UIP1500hdT koos jahutusmantliga varustatud läbivoolureaktoriga protsessi temperatuuri juhtimiseks ultraheli töötluse ajal.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on keemilised reaktorid?
Keemilised reaktorid on projekteeritud mahutid või süsteemid, milles viiakse läbi keemilisi reaktsioone kontrollitud tingimustel, nagu temperatuur, rõhk, segamine, viibeaeg ja reagentide kontsentratsioon. Nende eesmärk on muuta toormaterjalid soovitud toodeteks kindlaksmääratud saagise, selektiivsuse ja protsessi efektiivsusega.
Millised on keemiliste reaktorite peamised tüübid?
Keemiliste reaktorite peamised tüübid on perioodilised reaktorid, pidevalt segatavad mahutreaktorid, kolbvoolureaktorid, fikseeritud kihiga reaktorid, keevkihtreaktorid, suspensioonreaktorid (slurry-reaktorid), membraanreaktorid ning fotokeemilised või elektrokeemilised reaktorid. Iga reaktoritüüp erineb voolukäitumise, segunemisrežiimi, soojus- ja massiülekande omaduste ning sobivuse poolest homogeensete või heterogeensete reaktsioonide jaoks.
Mis vahe on keevkihtreaktoril ja fikseeritud kihiga reaktoril?
Fikseeritud kihiga reaktoris jäävad tahked katalüsaatoriosakesed paigale, kui reagendid voolavad läbi pakitud katalüsaatorikihi. Keevkihtreaktoris hoiab ülesvoolav vedelik või gaas tahked osakesed hõljuvas olekus ja liigutab neid, luues dünaamilise kihi, kus on tugev segunemine, parem soojusülekanne ja parem osakeste ja voolava keskkonna kontakt. Fikseeritud kihid on lihtsamad ja mehaaniliselt stabiilsed, samas keevkihid tagavad tõhusama segunemise ja soojusülekande, kuid nõuavad keerukamat vooluhulga juhtimist.
Mis on katalüsaatorikiht?
Katalüsaatorikiht on reaktori sees paiknev kindla mahuga tahkete katalüsaatoriosakeste kogum. See pakub aktiivset pinda, millel keemilised reaktsioonid toimuvad. Katalüsaatorikihid võivad olla paigalseisvad, nagu fikseeritud kihiga reaktorites, või dünaamiliselt hõljuvad, nagu keevkihtreaktorites. Nende toimivus sõltub katalüsaatori aktiivsusest, osakeste suurusest, poorsusest, pindalast, voolujaotusest, soojusülekandest ja massiülekandest.
Kirjandus / viited
- Yu, Hang Gao, Jing; Zhong, Qili; Guo, Yahui; Xie, Yunfei; Yao, Weirong; Zhou, Weibiao (2018): Acoustic pressure and temperature distribution in a novel continuous ultrasonic tank reactor: a simulation study. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2018.
- Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
- M. Ajmal, S. Rusli, G. Fieg (2016): Modeling and experimental validation of hydrodynamics in an ultrasonic batch reactor. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 28, 2016. 218-229.
- L. Castrillón, E. Marañón, Y. Fernández-Nava, P. Ormaechea, G. Quiroga (2013): Thermophilic co-digestion of cattle manure and food waste supplemented with crude glycerin in induced bed reactor (IBR). Bioresource Technology, Volume 136, 2013. 73-77.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborimõõtkavast kuni tööstusliku mõõtkavani.