Ultraheliga segatavad pidevsegamisega mahutreaktorid

Pidevsegamisega mahutreaktoreid (CSTR) kasutatakse laialdaselt mitmesuguste keemiliste reaktsioonide jaoks, sealhulgas katalüüsis, emulsioonikeemias, polümerisatsioonis, sünteesis, ekstraheerimisel ja kristallisatsioonil. Aeglane reaktsioonikineetika on CSTR-idel levinud probleem, mille saab võimsa ultraheli rakendamisega hõlpsasti lahendada. Võimsa ultraheli intensiivne segamine, agiteerimine ja sonokeemilised toimed kiirendavad reaktsioonikineetikat ning parandavad konversioonimäära märkimisväärselt. Ultrahelisonikaatoreid saab hõlpsasti integreerida mis tahes mahuga CSTR-idesse.

Miks rakendada võimsat ultraheli pidevsegamisega mahutreaktoris?

Pidevsegamisega mahutreaktor (CSTR ehk lihtsalt segamisega mahutreaktor (STR)) on oma põhiomadustelt üsna sarnane perioodilise reaktoriga. Oluline erinevus seisneb selles, et pidevsegamisega mahutreaktori (CSTR) puhul tuleb materjali sööt tagada pideva vooluna reaktorisse ja reaktorist välja. Reaktori toitmine võib toimuda raskusjõuvooluna või pumba abil sundringlusvooluna. CSTR-i nimetatakse mõnikord ka tagasisegamisega voolureaktoriks (BMR).
CSTR-e kasutatakse tavaliselt siis, kui on vaja segada kahte või enamat vedelikku. CSTR-e saab kasutada üksikreaktorina või paigaldada mitme reaktori jadana, mis on mõeldud erinevate kontsentratsiooniga voogude ja reaktsioonietappide jaoks. Lisaks ühe mahutreaktori kasutamisele kasutatakse tavaliselt mitme mahuti järjestikust paigaldust (üksteise järel) või kaskaadpaigaldust.
Miks ultraheli töötlus? Ultraheliga segamine ja agiteerimine ning võimsa ultraheli sonokeemilised toimed aitavad tuntud viisil kaasa keemiliste reaktsioonide tõhususele. Ultraheli vibratsioonist ja kavitatsioonist tingitud parem segunemine ning osakeste suuruse vähenemine kiirendavad kineetikat märkimisväärselt ja suurendavad konversioonimäära. Sonokeemilised toimed võivad anda keemiliste reaktsioonide käivitamiseks vajaliku energia, muuta keemilisi reaktsiooniteid ning anda täielikuma reaktsiooni tõttu suurema saagise.

Ultraheliga intensiivistatud CSTR-i saab kasutada näiteks järgmisteks rakendusteks:

• Heterogeensed vedelik-vedelik-reaktsioonid
• Heterogeensed tahke aine ja vedeliku reaktsioonid
• Homogeensed vedelfaasi reaktsioonid
• Heterogeensed gaasi ja vedeliku reaktsioonid
• Heterogeensed gaasi, tahke aine ja vedeliku reaktsioonid

Ultraheli töötlus kui kiire sünteesikeemia süsteem

Kiire sünteesikeemia on uudne reaktsioonitehnika, mida kasutatakse keemilise sünteesi käivitamiseks ja intensiivistamiseks. Võrreldes traditsiooniliste reaktsiooniteedega, mis nõuavad tagasivoolu all mitu tundi või päeva, saavad ultraheliga soodustatud sünteesireaktorid lühendada reaktsiooni kestust mõne minutini, mille tulemusena sünteesireaktsioon kiireneb märkimisväärselt. Ultraheliga sünteesi intensiivistamine põhineb akustilise kavitatsiooni toimeprintsiibil ja sellega seotud jõududel, sealhulgas lokaalselt piiratud ülekuumenemisel. Lisateavet ultraheli, akustilise kavitatsiooni ja sonokeemia kohta leiate järgmisest jaotisest.

Ultraheli kavitatsioon ja selle sonokeemilised toimed

Ultraheli- (ehk akustiline) kavitatsioon tekib siis, kui võimas ultraheli juhitakse vedelikesse või suspensioonidesse. Kavitatsioon on üleminek vedelfaasist aurufaasi, mis toimub rõhu langemisel vedeliku aururõhu tasemeni.
Ultraheli kavitatsioon tekitab väga suuri nihkejõude ja vedelikujugasid kiirusega kuni 1000m/s. Need vedelikujoad kiirendavad osakesi ja põhjustavad osakestevahelisi kokkupõrkeid, vähendades seeläbi tahkete osakeste ja tilkade suurust. Lisaks tekivad kokkuvarisevas kavitatsioonimullis ja selle vahetus läheduses äärmiselt kõrged rõhud suurusjärgus sadu atmosfääre ning temperatuurid suurusjärgus tuhandeid kraade Kelvinit.
Kuigi ultraheli töötlus on puhtmehaaniline töötlusmeetod, võib see tekitada lokaalselt piiratud äärmusliku temperatuuritõusu. See tuleneb intensiivsetest jõududest, mis tekivad kokkuvarisevates kavitatsioonimullides ja nende vahetus läheduses, kus on kergesti saavutatavad mitme tuhande kraadi Celsiuse järgi temperatuurid. Lahuse põhimassis on ühe mulli kokkuvarisemisest tulenev temperatuuritõus peaaegu tähtsusetu, kuid arvukatest kavitatsioonimullidest tulenev soojuse hajumine, nagu on täheldatud kavitatsiooni kuumades kolletes (mida tekitab sonikeerimine suure võimsusega ultraheliga), võib lõpuks põhjustada põhimassi temperatuuri mõõdetavat tõusu. Ultraheli töötluse ja sonokeemia eeliseks on töötlemise ajal kontrollitavad temperatuuriefektid: põhimassi temperatuuri saab reguleerida jahutusvahenditega paakide ning impulssrežiimis sonikeerimise abil. Hielscher Ultrasonicsi keerukad sonikaatorid suudavad ultraheli peatada, kui saavutatakse ülemine temperatuuripiir, ning jätkata ultraheli töötlust niipea, kui jõutakse seatud ∆T madalama väärtuseni. See on eriti oluline soojustundlike reagentide kasutamisel.

Sonokeemia parandab reaktsioonikineetikat

Kuna sonikeerimine tekitab intensiivseid vibratsioone ja kavitatsiooni, mõjutab see keemilist kineetikat. Keemilise süsteemi kineetika korreleerub tihedalt kavitatsioonimulli paisumise ja kokkuvarisemisega, mõjutades seeläbi oluliselt mullide liikumise dünaamikat. Keemilise reaktsiooni lahuses lahustunud gaasid mõjutavad sonokeemilise reaktsiooni omadusi nii termiliste kui ka keemiliste mõjude kaudu. Termilised mõjud mõjutavad tipptemperatuure, mis saavutatakse mulli kokkuvarisemise ajal kavitatsiooniõõnes; keemilised mõjud muudavad nende gaaside toimet, mis osalevad reaktsioonis otseselt.
Heterogeensed ja homogeensed aeglase reaktsioonikineetikaga reaktsioonid, sealhulgas Suzuki sidumisreaktsioonid, sadestumine, kristallimine ja emulsioonikeemia, sobivad eriti hästi võimsa ultraheli ja selle sonokeemiliste mõjude abil alustamiseks ja kiirendamiseks.
Näiteks ferulhappe sünteesil andis madalsagedusliku (20kHz) ultraheliga töötlus võimsusel 180 W ferulhappe saagise 94% temperatuuril 60°C 3 h jooksul. Truong et al. (2018) tulemused näitavad, et madala sageduse kasutamine (sondtüüpi ja suure võimsusega kiiritus) parandas konversioonimäära oluliselt, andes üle 90% saagised.

Ultraheliga intensiivistatud emulsioonikeemia

Heterogeensed reaktsioonid, näiteks emulsioonikeemia, saavad ultraheli kasutamisest märkimisväärset kasu. Ultraheli kavitatsioon peenestab iga faasi tilgad ja jaotab need homogeenselt üksteise sees, luues submikromeetrilise emulsiooni või nanoemulsiooni. Kuna nanosuuruses tilgad pakuvad drastiliselt suurenenud pindala vastasmõjuks erinevate tilkadega, paranevad massiülekanne ja reaktsioonikiirus märkimisväärselt. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) korral näitavad reaktsioonid, mis on tuntud oma tavaliselt aeglase kineetika poolest, dramaatiliselt paranenud konversioonimäärasid, suuremat saagist, vähem kõrvalsaadusi või jäätmeid ja paremat üldist tõhusust. Ultrahelil põhinevalt täiustatud emulsioonikeemiat kasutatakse sageli emulsioonpolümerisatsioonis, nt polümeersegude, veepõhiste liimide ja eripolümeeride tootmiseks.

10 asja, mida peaksite teadma enne keemilise reaktori ostmist

Keemilise protsessi jaoks keemilist reaktorit valides mõjutavad optimaalset keemilise reaktori disaini paljud tegurid. Kui teie keemiline protsess hõlmab mitmefaasilisi heterogeenseid keemilisi reaktsioone ja selle reaktsioonikineetika on aeglane, on reaktori segamine ja protsessi aktiveerimine olulised tegurid, mis mõjutavad edukat keemilist konversiooni ning keemilise reaktori ökonoomseid (tegevus)kulusid.
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) parandab märkimisväärselt vedelik-vedelik- ja vedelik-tahke aine keemiliste reaktsioonide reaktsioonikineetikat keemilistes perioodreaktorites ja läbivoolureaktsiooni anumates. Seetõttu võib ultraheli sondide integreerimine keemilisse reaktorisse vähendada reaktori kulusid ning parandada üldist tõhusust ja lõpptoote kvaliteeti.
Keemiliste reaktorite projekteerimisel puudub väga sageli teadmine ultraheli abil toimuvast protsessi täiustamisest. Ilma põhjalike teadmisteta võimsa ultraheli, ultraheli segamise, akustilise kavitatsiooni ja sonokeemiliste efektide mõjust keemilise reaktori jõudlusele võivad keemilise reaktori analüüs ja tavapärased disainipõhimõtted anda ainult kehvemaid tulemusi. Allpool leiate ülevaate ultraheli põhilistest eelistest keemilise reaktori disaini ja optimeerimise jaoks.

Ultrahelil põhinevalt intensiivistatud pidevalt segatava mahutiga reaktori (CSTR) eelised

• • Ultrahelil põhinevalt täiustatud reaktorid laboris ja tootmises:
    Lihtne skaleeritavus: Ultraheli protsessorid on kergesti saadaval laboris, pilootmahus ja suuremahuliseks tootmiseks
    Reprodutseeritavad / korratavad tulemused tänu täpselt kontrollitavatele ultraheli parameetritele
    Võimsus ja reaktsioonikiirus: ultrahelil põhinevalt intensiivistatud reaktsioonid on kiiremad ja seetõttu ökonoomsemad (madalamad kulud)
  • Sonokeemia on rakendatav nii üldistel kui ka erieesmärkidel

– kohandatavus ja mitmekülgsus, nt paindlikud paigaldus- ja seadistusvõimalused ning valdkondadeülene kasutus

• Ultraheli töötlust (sonikeerimist) saab kasutada plahvatusohtlikes keskkondades
  – läbipuhumine (nt lämmastikukate)
  – puudub avatud pind
• Lihtne puhastamine: isepuhastuv (CIP – kohapealne puhastus)
• Valige oma eelistatud konstruktsioonimaterjalid
  – klaas, roostevaba teras, titaan
  – pöörlevaid tihendeid pole
  – lai tihendusmaterjalide valik
• Ultrasonikaatoreid saab kasutada laias temperatuurivahemikus
• Ultrasonikaatoreid saab kasutada laias rõhuvahemikus
• Sünergiline toime teiste tehnoloogiatega, nt elektrokeemia (sonoelektrokeemia), katalüüs (sonokatalüüs), kristallimine (sonokristallimine) jne.
• Ultraheli töötlus (sonikeerimine) sobib ideaalselt bioreaktorite, nt kääritamise, täiustamiseks.
• Lahustumine / lahustamine: Lahustumisprotsessides lähevad osakesed ühest faasist teise, nt kui tahked osakesed lahustuvad vedelikus. On leitud, et segamise aste mõjutab protsessi kiirust. Paljud väikesed kristallid lahustuvad ultraheli kavitatsiooni mõjul palju kiiremini kui üks kristall tavapäraselt segatavates perioodreaktorites. Ka siin seisneb kiiruste erinevuse põhjus erinevates massiülekande kiirustes osakeste pindadel. Näiteks kasutatakse ultraheli töötlust (sonikeerimist) edukalt üleküllastunud lahuste loomiseks, nt kristallimisprotsessides (sonokristallimine).
• Ultraheliga soodustatud keemiline ekstraheerimine:
  – vedelik–tahke aine, nt botaaniline ekstraheerimine, keemiline ekstraheerimine
  – vedelik–vedelik: kui ultraheli rakendatakse vedelik–vedelik ekstraheerimissüsteemile, tekib ühe faasi emulsioon teises faasis. See emulsiooni teke suurendab kahe omavahel mittesegunevate faasi vahelist faasidevahelist pindala, mille tulemuseks on faaside vahelise massiülekande voo suurenemine.

Kuidas ultraheli töötlus (sonikeerimine) parandab keemilisi reaktsioone segatavates mahutreaktorites?

• Suurem kokkupuutepindala: Heterogeensetes faasides olevate reagentide vahelistes reaktsioonides saavad reageerida ainult need osakesed, mis põrkuvad omavahel faasipiiril. Mida suurem on faasipiir, seda rohkem põrkumisi võib toimuda. Kui aine vedel või tahke osa lõhutakse väiksemateks tilkadeks või tahketeks osakesteks, mis on suspendeeritud pideva faasi vedelikus, siis selle aine pindala suureneb. Lisaks suureneb osakeste suuruse vähenemise tõttu osakeste arv ja seetõttu väheneb nende osakeste keskmine vahekaugus. See parandab pideva faasi kokkupuudet dispergeeritud faasiga. Seetõttu suureneb reaktsioonikiirus koos dispergeeritud faasi killustatuse astmega. Paljudes dispersioonides või emulsioonides toimuvates keemilistes reaktsioonides paraneb reaktsioonikiirus ultraheli abil toimuva osakeste suuruse vähendamise tulemusel järsult.
• Katalüüs (aktivatsioonienergia): Katalüsaatoritel on suur tähtsus paljudes keemilistes reaktsioonides, laboriarenduses ja tööstuslikus tootmises. Sageli on katalüsaatorid tahkes või vedelas faasis ning ei segune ühe reagendi või kõigi reagentidega. Seetõttu on katalüüs sagedamini kui mitte heterogeenne keemiline reaktsioon. Katalüsaatoritel on võtmeroll kõige tähtsamate baaskemikaalide, nagu väävelhape, ammoniaak, lämmastikhape, eteen ja metanool, tootmises. Suured keskkonnatehnoloogia valdkonnad põhinevad katalüütilistel protsessidel. Osakeste kokkupõrge viib keemilise reaktsiooni ehk aatomite ümberrühmitumiseni ainult siis, kui osakesed põrkuvad piisava kineetilise energiaga. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on väga tõhus vahend keemiliste reaktorite kineetika kiirendamiseks. Heterogeenses katalüüsiprotsessis võib ultraheli lisamine keemilise reaktori konstruktsioonile vähendada katalüsaatori vajadust. See võib tuua kaasa väiksema koguse katalüsaatori või madalama kvaliteediga, vähem väärisaine-katalüsaatorite kasutamise.
• Sagedasem kokkupuude / parem massiülekanne: Ultraheliga segamine ja agiteerimine on väga tõhus meetod väikseimate tilkade ja osakeste (st submikroni- ja nanoosakeste) tekitamiseks, mis pakuvad reaktsioonideks suuremat aktiivset pinda. Võimsa ultraheli tekitatava täiendava intensiivse segamise ja mikroliikumise toimel suureneb osakestevaheliste kokkupuudete sagedus drastiliselt, mille tulemuseks on oluliselt parem konversioonimäär.
• Kokkusurutud plasma: Paljude reaktsioonide puhul põhjustab reaktori temperatuuri tõus 10 Kelvini võrra reaktsioonikiiruse ligikaudu kahekordistumise. Ultraheli kavitatsioon tekitab vedelikus lokaalseid väga reaktiivseid kuumi punkte kuni 5000K, ilma et keemilises reaktoris oleva vedeliku kogumaht oluliselt kuumeneks.
• Soojusenergia: Iga ultraheli energia, mille keemilise reaktori konstruktsiooni lisate, muundub lõpuks soojusenergiaks. Seetõttu saate selle energia keemilises protsessis uuesti kasutada. Kütteelementide või auru abil toimuva soojusenergia sisendi asemel toob ultraheli töötlus (sonikeerimine) kõrgsageduslike vibratsioonide abil sisse protsessi aktiveeriva mehaanilise energia. Keemilises reaktoris tekitab see ultraheli kavitatsiooni, mis aktiveerib keemilist protsessi mitmel tasandil. Lõpuks toob kemikaalide tohutu ultraheliline nihe kaasa muundumise soojusenergiaks ehk soojuseks. Keemilise reaktsiooni püsiva protsessitemperatuuri hoidmiseks saate jahutamiseks kasutada mantliga mahutreaktoreid või läbivoolureaktoreid.

Suure jõudlusega sonikaatorid keemiliste reaktsioonide parandamiseks CSTR-is

Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja turustab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid ja dispergaatoreid, mis on mõeldud integreerimiseks pideva segamisega mahutreaktoritesse (CSTR). Hielscheri ultraheliseadmeid kasutatakse kogu maailmas keemiliste reaktsioonide soodustamiseks, intensiivistamiseks, kiirendamiseks ja parandamiseks.
Hielscher Ultrasonicsi ultraheliprotsessorid on saadaval igas suuruses – väikestest laboriseadmetest suurte tööstuslike protsessoriteni läbivoolukeemia rakenduste jaoks. Ultraheli amplituudi (mis on kõige olulisem parameeter) täpne reguleerimine võimaldab Hielscheri ultraheliseadmeid kasutada madalatel kuni väga kõrgetel amplituudidel ning häälestada amplituud täpselt vastavalt konkreetse keemilise reaktsioonisüsteemi nõutavatele ultraheli protsessitingimustele.
Hielscheri ultraheligeneraatoril on nutikas tarkvara automaatse andmete protokollimisega. Kõik olulised töötlusparameetrid, nagu ultraheli energia, temperatuur, rõhk ja aeg, salvestatakse automaatselt sisseehitatud SD-kaardile niipea, kui seade sisse lülitatakse.
Protsessi jälgimine ja andmete salvestamine on olulised pideva protsessi standardimise ja toote kvaliteedi tagamiseks. Automaatselt salvestatud protsessiandmetele juurdepääsu abil saate üle vaadata varasemad ultraheli töötluse käigud ja hinnata tulemust.
Veel üks kasutajasõbralik funktsioon on meie digitaalsete ultraheli süsteemide kaugjuhtimine brauseri kaudu. Brauseri kaugjuhtimise abil saate oma ultraheliprotsessorit kaugelt käivitada, peatada, reguleerida ja jälgida kõikjalt.
Võtke meiega kohe ühendust, et saada lisateavet selle kohta, kuidas meie suure jõudlusega ultraheli homogenisaatorid saavad teie pideva segamisega mahutreaktorit (CSTR) parandada!
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest: