Pidevalt segatud paagiga reaktorid, mida segatakse ultraheliga

Pidevalt segatud paagireaktoreid (CSTR) kasutatakse laialdaselt mitmesuguste keemiliste reaktsioonide, sealhulgas katalüüsi, emulsioonikeemia, polümerisatsiooni, sünteesi, ekstraheerimise ja kristalliseerumise jaoks. Aeglane reaktsioonikineetika on CSTR-is levinud probleem, mida saab kergesti ületada võimsuse-ultraheli rakendamisega. Power-ultraheli intensiivne segamine, segamine ja sonokeemilised mõjud kiirendavad reaktsioonikineetikat ja parandavad oluliselt konversioonimäära. Ultrasonikaatoreid saab hõlpsasti integreerida mis tahes mahuga CSTR-idesse.

Miks rakendada võimsus-ultraheli pidevalt segatud paagireaktorile?

Pidevalt segatud paagireaktor (CSTR või lihtsalt segatud paagireaktor (STR)) on oma põhiomaduste poolest üsna sarnane partiireaktoriga. Peamine oluline erinevus seisneb selles, et pidevseguga paagireaktori (CSTR) seadistamisel peab materjali etteandmine toimuma pidevas voolus reaktorisse ja reaktorist välja. Reaktori toitmine on saavutatav gravitatsioonivoolu või sundringluse voolu abil pumba abil. CSTR-i nimetatakse mõnikord tagasivoolu reaktoriks (BMR).
CSTR-e kasutatakse tavaliselt siis, kui on vaja segada kahte või enamat vedelikku. CSTR-e saab kasutada ühe reaktorina või paigaldada konfiguratsioonide seeriana erinevate kontsentratsioonivoogude ja reaktsioonietappide jaoks. Lisaks ühe paagireaktori kasutamisele kasutatakse tavaliselt erinevate paakide seeriapaigaldust (üksteise järel) või kaskaadi seadistust.
Miks ultraheli? Ultraheli segamine ja agitatsioon, samuti võimsuse ultraheli sonokeemilised mõjud on hästi teada, et need aitavad kaasa keemiliste reaktsioonide tõhususele. Ultraheli vibratsiooni ja kavitatsiooni tõttu paranenud segamine ja osakeste suuruse vähendamine tagavad märkimisväärselt kiirendatud kineetika ja suurema konversioonimäära. Sonokeemilised mõjud võivad anda vajalikku energiat keemiliste reaktsioonide algatamiseks, keemiliste radade vahetamiseks ja täielikuma reaktsiooni tõttu suurema saagise andmiseks.

Ultraheli intensiivistatud CSTR-i saab kasutada sellistes rakendustes nagu:

• Heterogeensed vedeliku-vedeliku reaktsioonid
• Heterogeensed tahke-vedelad reaktsioonid
• Homogeensed vedelfaasi reaktsioonid
• Heterogeensed gaasi-vedeliku reaktsioonid
• Heterogeensed gaasi-tahke-vedeliku reaktsioonid

Ultraheli kui kiire sünteetiline keemiline süsteem

Kiire sünteetiline keemia on uudne reaktsioonitehnika, mida kasutatakse keemilise sünteesi algatamiseks ja intensiivistamiseks. Võrreldes traditsiooniliste reaktsiooniradadega, mis vajavad refluksi all mitu tundi või päeva, võivad ultraheliga edendatavad sünteesireaktorid minimeerida reaktsiooni kestust mõne minutini, mille tulemuseks on märkimisväärne kiirendatud sünteesireaktsioon. Ultraheli sünteesi intensiivistamine põhineb akustilise kavitatsiooni ja sellega seotud jõudude, sealhulgas lokaalselt piiratud ülekuumenemise tööpõhimõttel. Lisateavet ultraheli, akustilise kavitatsiooni ja sonokoomia kohta leiate järgmisest jaotisest.

Ultraheli kavitatsioon ja selle sonokeemilised mõjud

Ultraheli (või akustiline) kavitatsioon toimub siis, kui võimsuse ultraheli on ühendatud vedelike või läga. Kavitatsioon on üleminek vedelast faasist aurufaasi, mis toimub rõhu languse tõttu vedeliku aurupinge tasemeni.
Ultraheli kavitatsioon tekitab väga kõrge nihkejõu ja vedelikujoad kuni 1000m? s. Need vedelikujoad kiirendavad osakesi ja põhjustavad osakestevahelisi kokkupõrkeid, vähendades seeläbi tahkete ainete ja tilkade osakeste suurust. Lisaks – paikneb implodeeriva kavitatsioonimulli sees ja selle vahetus läheduses – tekib äärmiselt kõrge rõhk sadade atmosfääride järjekorras ja temperatuurid suurusjärgus tuhandeid kelvinite kraade.
Although ultrasonication is a purely mechanical processing method, it can produce a locally confined extreme temperature rise. This is due to the intense forces generated within and in close proximity to the collapsing cavitation bubbles, where easily temperatures of several thousands of degrees Celsius can be reached. In the bulk solution, the temperature increase resulting from a single bubble implosion is almost negligible, but the heat dissipation from numerous cavitation bubbles as observed in cavitation hot-spots (as generated by sonication with high-power ultrasound) can finally cause a measurable temperature increases in the bulk temperature. The advantage of ultrasonication and sonochemistry lies in the controllable temperature effects during processing: Temperature control of the bulk solution can be achieved by using tanks with cooling jackets as well as pulsed sonication. Hielscher Ultrasonics’ sophisticated ultrasonicators can pause the the ultrasound when an upper temperature limit is reached and continue with the ultrasonication as soon as the lower value of a set ∆T is reached. This is especially important when heat-sensitive reactants are used.

Sonochemistry parandab reaktsioonikineetikat

Kuna ultrahelitöötlus tekitab intensiivseid vibratsioone ja kavitatsiooni, mõjutab see keemilist kineetikat. Keemilise süsteemi kineetika korreleerub tihedalt kavitatsioonimullide laienemise ja implosiooniga, mõjutades seeläbi oluliselt mullide liikumise dünaamikat. Keemilise reaktsiooni lahuses lahustunud gaasid mõjutavad sonokeemilise reaktsiooni omadusi nii termilise kui ka keemilise mõju kaudu. Termilised mõjud mõjutavad tipptemperatuure, mis saavutatakse mullide kokkuvarisemisel kavitatsioonitühimikus; Keemiline toime muudab reaktsiooniga otseselt seotud gaaside mõju.
Heterogeensed ja homogeensed reaktsioonid aeglase reaktsiooni kineetikaga, sealhulgas Suzuki sidumisreaktsioonid, sademed, kristalliseerumine ja emulsioonikeemia, on ette nähtud algatamiseks ja edendamiseks võimsus-ultraheli ja selle sonokeemiliste mõjude kaudu.
Näiteks feruulhappe sünteesiks andis madala sagedusega (20 kHz) ultrahelitöötlus 180 W võimsusega 94% feruulhappe saagise 60 ° C juures 3 tunni jooksul. Need Truongi jt (2018) tulemused näitavad, et madala sagedusega (sarvetüüp ja suure võimsusega kiiritus) kasutamine parandas konversioonimäära märkimisväärselt, andes saagise üle 90%.

Ultraheli intensiivistunud emulsiooni keemia

Heterogeensed reaktsioonid, nagu emulsioonikeemia, saavad võimsuse ultraheli rakendamisest märkimisväärset kasu. Ultraheli kavitatsioon vähendas ja jaotas iga faasi tilgad homogeenselt üksteise sees, luues sub-mikroni või nano-emulsiooni. Kuna nanosuuruses tilgad pakuvad drastiliselt suurenenud pindala, et suhelda erinevate tilkadega, paraneb oluliselt massiülekanne ja reaktsioonikiirus. Ultrahelitöötluse ajal näitavad reaktsioonid, mis on tuntud oma tüüpiliselt aeglase kineetika poolest, dramaatiliselt paranenud konversioonimäärad, kõrgemad saagised, vähem kõrvalsaadusi või jäätmeid ja parem üldine efektiivsus. Ultraheli täiustatud emulsioonikeemiat kasutatakse sageli emulsioonide polümerisatsiooniks, nt polümeeride segude, veepõhiste liimide ja spetsiaalsete polümeeride tootmiseks.

10 asja, mida peaksite teadma enne keemilise reaktori ostmist

Kui valite keemilise protsessi jaoks keemilise reaktori, on palju tegureid, mis mõjutavad optimaalset keemilise reaktori konstruktsiooni. Kui teie keemiline protsess hõlmab mitmefaasilisi, heterogeenseid keemilisi reaktsioone ja sellel on aeglane reaktsioonikineetika, on reaktori agitatsioon ja protsessi aktiveerimine olulised tegurid keemilise muundamise edukaks muundamiseks ja keemilise reaktori ökonoomsete (tegevus)kulude mõjutamiseks.
Ultraheliuuring parandab oluliselt vedeliku-vedeliku ja vedeliku-tahke keemiliste reaktsioonide reaktsioonikineetikat keemilistes partiireaktorites ja inline reaktsioonianumates. Seega võib ultraheli sondide integreerimine keemilisse reaktorisse vähendada reaktori kulusid ning parandada üldist efektiivsust ja lõpptoote kvaliteeti.
Väga sageli puudub keemilise reaktori inseneril teadmised ultraheli abil protsessi täiustamise kohta. Ilma põhjalike teadmisteta võimsuse ultraheli, ultraheli agitatsiooni, akustilise kavitatsiooni ja sonokeemiliste mõjude mõju kohta keemilise reaktori jõudlusele võivad keemilise reaktori analüüs ja tavapärased disaini põhialused anda ainult halvemaid tulemusi. Allpool saate ülevaate ultraheli põhilistest eelistest keemilise reaktori projekteerimiseks ja optimeerimiseks.

Ultraheli intensiivistunud pideva segamisega paagireaktori (CSTR) eelised

• • Ultraheli täiustatud reaktorid laboris ja tootmises:
    Lihtne skaleeritavus: Ultraheli protsessorid on kergesti kättesaadavad labori suuruse, pilootide ja suuremahulise tootmise jaoks
    Reprodutseeritav? korratav tulemused, mis tulenevad täpselt kontrollitavatest ultraheli parameetritest
    Mahutavus ja reaktsioonikiirus: ultraheli intensiivistunud reaktsioonid on kiiremad ja seeläbi ökonoomsemad (madalamad kulud)
  • Sonochemistry on rakendatav nii üldistel kui ka erieesmärkidel

– Kohanemisvõime & mitmekülgsus, nt paindlikud paigaldus- ja häälestusvõimalused ning interdistsiplinaarne kasutamine

• Ultraheli saab kasutada plahvatusohtlikes keskkondades
  – puhastamine (nt lämmastikutekk)
  – avatud pind puudub
• Lihtne puhastamine: isepuhastuv (CIP – puhas kohapeal)
• Valige oma eelistatud ehitusmaterjalid
  – klaas, roostevaba teras, titaan
  – pöörlevaid tihendeid ei ole
  – lai valik hermeetikuid
• Ultrasonikaatoreid saab kasutada mitmesugustes temperatuurides
• Ultrasonikaatoreid saab kasutada mitmesugustel rõhkudel
• Sünergiline efekt teiste tehnoloogiatega, nt elektrokeemia (sono-elektrokeemia), katalüüs (sono-katalüüs), kristalliseerumine (sonokristallisatsioon) jne.
• Sonikatsioon on ideaalne bioreaktorite parandamiseks, nt kääritamine.
• Lahustumine? lahustamine: Lahustumisprotsessides liiguvad osakesed ühest faasist teise, nt kui tahked osakesed lahustuvad vedelikus. On leitud, et agitatsiooni aste mõjutab protsessi kiirust. Paljud väikesed kristallid lahustuvad ultraheli kavitatsiooni all palju kiiremini kui üks tavapäraselt segatud partii reaktorites. Ka siin peitub erinevate kiiruste põhjus osakeste pindade erinevates massiülekandekiirustes. Näiteks rakendatakse ultraheli edukalt üleküllastunud lahuste loomiseks, nt kristalliseerumisprotsessides (sonokristallisatsioon).
• Ultraheli reklaamitud keemiline ekstraheerimine:
  – Vedel-tahke, nt botaaniline ekstraheerimine, keemiline ekstraheerimine
  – Vedelik-vedelik: Kui ultraheli rakendatakse vedeliku-vedeliku ekstraheerimissüsteemile, luuakse ühe teise faasi emulsioon. See emulsiooni moodustumine põhjustab kahe segunematu faasi vaheliste liidestevaheliste alade suurenemist, mille tulemuseks on suurem massiülekandevoog faaside vahel.

Kuidas ultrahelitöötlus parandab keemilisi reaktsioone segatud paagireaktorites?

• Suurem kontaktpind: Heterogeensetes faasides olevate reaktiivide vahelistes reaktsioonides võivad reageerida ainult need osakesed, mis liideses üksteisega kokku puutuvad. Mida suurem on liides, seda rohkem kokkupõrkeid võib toimuda. Kuna aine vedel või tahke osa purustatakse väiksemateks tilkadeks või tahketeks osakesteks, mis suspendeeritakse pidevas faasivedelikus, suureneb selle aine pindala. Lisaks suureneb suuruse vähendamise tulemusena osakeste arv ja seetõttu väheneb nende osakeste keskmine kaugus. See parandab pideva faasi kokkupuudet dispergeeritud faasiga. Seetõttu suureneb reaktsioonikiirus dispergeeritud faasi killustumise astmega. Paljud keemilised reaktsioonid dispersioonides või emulsioonides näitavad reaktsioonikiiruse drastilist paranemist ultraheli osakeste suuruse vähendamise tulemusena.
• Katalüüs (aktiveerimisenergia): Katalüsaatorid on väga olulised paljudes keemilistes reaktsioonides, laboriarenduses ja tööstuslikus tootmises. Sageli on katalüsaatorid tahkes või vedelas faasis ja segunematud ühe reagendi või kõigi reaktiividega. Seega on katalüüs sagedamini heterogeenne keemiline reaktsioon. Kõige olulisemate põhikemikaalide, nagu väävelhappe, ammoniaagi, lämmastikhappe, eteeni ja metanooli tootmisel on katalüsaatoritel oluline roll. Suured keskkonnatehnoloogia valdkonnad põhinevad katalüütilistel protsessidel. Osakeste kokkupõrge viib keemilise reaktsioonini, s.t. aatomite ümbergrupeerimiseni, ainult siis, kui osakesed põrkuvad piisava kineetilise energiaga. Ultraheli on väga tõhus vahend keemiliste reaktorite kineetika suurendamiseks. Heterogeenses katalüüsiprotsessis võib ultraheli lisamine keemilise reaktori konstruktsioonile vähendada katalüsaatori nõuet. Selle tulemuseks võib olla vähem katalüsaatorite või madalamate, vähem üllaste katalüsaatorite kasutamine.
• Suurem kontaktisagedus? täiustatud massiülekanne: Ultraheli segamine ja segamine on väga tõhus meetod minutiliste tilkade ja osakeste (st sub-mikronite ja nanoosakeste) genereerimiseks, mis pakuvad reaktsioonide jaoks suuremat aktiivset pinda. Võimsuse ultraheli põhjustatud täiendava intensiivse agitatsiooni ja mikroliikumise korral suureneb osakestevahelise kontakti sagedus drastiliselt, mille tulemuseks on oluliselt parem konversioonimäär.
• Kokkusurutud plasma: Paljude reaktsioonide puhul põhjustab reaktori temperatuuri tõus 10 kelvinit reaktsioonikiiruse ligikaudu kahekordistumise. Ultraheli kavitatsioon tekitab vedelikus lokaliseeritud väga reaktiivseid levialasid kuni 5000K, ilma et keemilises reaktoris oleks vedeliku üldist mahtu oluliselt kuumutatud.
• Soojusenergia: Kõik ultraheli energiad, mida lisate keemilise reaktori konstruktsioonile, muundatakse lõpuks soojusenergiaks. Seetõttu saate energiat keemilise protsessi jaoks uuesti kasutada. Kütteelementide või auru soojusenergia sisendi asemel tutvustab ultraheliuuring protsessi, mis aktiveerib mehaanilist energiat kõrgsageduslike vibratsioonide abil. Keemilises reaktoris tekitab see ultraheli kavitatsiooni, mis aktiveeris keemilise protsessi mitmel tasandil. Lõpuks põhjustab kemikaalide tohutu ultraheli lõikamine muundamise soojusenergiaks, s.t. soojus. Jahutamiseks võite kasutada ümbrisega partiireaktoreid või inline-reaktoreid, et säilitada oma keemilise reaktsiooni jaoks konstantne protsessitemperatuur.

Suure jõudlusega ultrasonikaatorid paremate keemiliste reaktsioonide jaoks CSTR-is

Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja levitab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid ja dispergeerijaid, et integreerida pideva segamisega paagireaktoritesse (CSTR). Hielscheri ultrasonikaatoreid kasutatakse kogu maailmas keemiliste reaktsioonide edendamiseks, intensiivistamiseks, kiirendamiseks ja parandamiseks.
Hielscher Ultrasonics’ Ultraheli protsessorid on saadaval igas suuruses alates väikestest laboriseadmetest kuni suurte tööstuslike protsessoriteni voolukeemia rakenduste jaoks. Ultraheli amplituudi täpne reguleerimine (mis on kõige olulisem parameeter) võimaldab Hielscheri ultrasonikaatoreid kasutada madalatel kuni väga kõrgetel amplituudidel ja täpsustada amplituudi täpselt konkreetse keemilise reaktsioonisüsteemi nõutavate ultraheli protsessi tingimustele.
Hielscher’s ultrasonic generator feature a smart software with automatic data protocolling. All important processing parameters such as ultrasonic energy, temperature, pressure and time are automatically stored onto a built-in SD-card as soon as the device is switched on.
Protsesside jälgimine ja andmete salvestamine on olulised protsesside pideva standardimise ja toote kvaliteedi jaoks. Automaatselt salvestatud protsessiandmetele juurde pääsedes saate vaadata varasemaid ultrahelitöötluse käike ja hinnata tulemust.
Teine kasutajasõbralik funktsioon on meie digitaalsete ultraheli süsteemide brauseri kaugjuhtimispult. Brauseri kaugjuhtimispuldi kaudu saate oma ultraheli protsessorit käivitada, peatada, reguleerida ja jälgida eemalt kõikjalt.
Võtke meiega kohe ühendust, et saada lisateavet meie suure jõudlusega ultraheli homogenisaatorite kohta, mis võivad parandada teie pidevalt segatud paagireaktorit (CSTR)!
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: