راکتورهای مخزن به طور مداوم هم زده با سونوگرافی تحریک می شوند

راکتورهای مخزن به طور مداوم هم زده (CSTR) به طور گسترده ای برای واکنش های شیمیایی مختلف از جمله کاتالیز، شیمی امولسیون، پلیمریزاسیون، سنتز، استخراج و تبلور استفاده می شوند. سینتیک واکنش آهسته یک مشکل رایج در CSTR است که به راحتی می تواند با استفاده از قدرت سونوگرافی غلبه بر آن باشد. اختلاط شدید، هم زدن و اثرات سونوشیمیایی قدرت سونوگرافی سینتیک واکنش را تسریع می کند و نرخ تبدیل را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. Ultrasonicators را می توان به راحتی به CSTRs از هر حجم یکپارچه.

چرا استفاده از سونوگرافی قدرت به یک راکتور مخزن به طور مداوم هم زن?

یک راکتور مخزن به طور مداوم هم زده (CSTR یا راکتور مخزن به سادگی هم زده (STR)) از نظر ویژگی های اصلی خود کاملا شبیه به راکتور دسته ای است. تفاوت مهم عمده این است که برای راه اندازی راکتور مخزن همزن پیوسته (CSTR)، تغذیه مواد باید در جریان مداوم به داخل و خارج از راکتور تامین شود. تغذیه راکتور را می توان با جریان گرانشی یا جریان گردش اجباری با استفاده از پمپ به دست آورد. CSTR گاهی اوقات راکتور جریان برگشتی (BMR) نامیده می شود.
CSTR ها معمولا زمانی استفاده می شوند که همزن دو یا چند مایع مورد نیاز باشد. CSTR ها را می توان به عنوان تک راکتور استفاده کرد یا به عنوان یک سری پیکربندی برای جریان های مختلف غلظت و مراحل واکنش نصب کرد. علاوه بر استفاده از یک راکتور تک مخزنی، معمولا از نصب سریال مخازن مختلف (یکی پس از یکدیگر) یا راه اندازی آبشار استفاده می شود.
چرا اولتراسونیکاسیون؟ مخلوط کردن اولتراسونیک و تحریک و همچنین اثرات سونوشیمیایی سونوگرافی قدرت به خوبی شناخته شده برای کمک به بهره وری از واکنش های شیمیایی. بهبود اختلاط و کاهش اندازه ذرات به دلیل ارتعاشات اولتراسونیک و کاویتاسیون ارائه یک سینتیک به طور قابل توجهی شتاب و افزایش نرخ تبدیل. اثرات سونوشیمیایی می تواند انرژی لازم برای شروع واکنش های شیمیایی ارائه, تغییر مسیرهای شیمیایی, و بازده بالاتر به دلیل یک واکنش کامل تر.

CSTR التراسونیک تشدید را می توان برای برنامه های کاربردی مانند:

• واکنش های مایع و مایع ناهمگن
• واکنش های جامد و مایع ناهمگن
• واکنشهای همگن فاز مایع
• واکنش های ناهمگن گاز و مایع
• واکنش های ناهمگن گاز-جامد-مایع

امواج فراصوت به عنوان سیستم شیمیایی مصنوعی با سرعت بالا

شیمی مصنوعی با سرعت بالا یک روش واکنش جدید است که برای شروع و تشدید سنتز شیمیایی استفاده می شود. در مقایسه با مسیرهای واکنش سنتی, که نیاز به چند ساعت یا روز تحت رفلاکس, التراسونیک ترویج راکتورهای سنتز می تواند مدت زمان واکنش به چند دقیقه به حداقل می رساند و در نتیجه یک واکنش سنتز شتاب قابل توجهی. تشدید سنتز اولتراسونیک بر اساس اصل کار حفره صوتی و نیروهای مرتبط با آن از جمله گرمای فوق العاده محلی محدود است. در بخش بعدی درباره سونوگرافی، کاویتاسیون آکوستیک و سونوشیمی بیشتر بدانید.

کاویتاسیون التراسونیک و اثرات سونوشیمیایی آن

کاویتاسیون اولتراسونیک (یا آکوستیک) زمانی اتفاق می افتد که سونوگرافی قدرت به مایعات یا دوغاب متصل می شود. کاویتاسیون انتقال از فاز مایع به فاز بخار است که به دلیل افت فشار به سطح کشش بخار سیال رخ می دهد.
کاویتاسیون اولتراسونیک نیروهای برشی بسیار بالا و جت های مایع را تا 1000 متر بر ثانیه ایجاد می کند. این جت های مایع ذرات را تسریع می کنند و باعث برخورد بین ذرات می شوند و در نتیجه اندازه ذرات جامدات و قطرات را کاهش می دهند. علاوه – در داخل و در مجاورت حباب حفره ای در حال انفجار قرار گرفته است – فشارهای بسیار بالایی به ترتیب صدها اتمسفر و دما به حدود هزاران درجه کلوین ایجاد می شود.
اگر چه ultrasonication یک روش پردازش صرفا مکانیکی است، آن را می تواند یک افزایش درجه حرارت شدید محدود محلی تولید. این به دلیل نیروهای شدیدی است که در داخل و در مجاورت حباب های حفره در حال فروپاشی ایجاد می شود، جایی که به راحتی می توان به دمای چند هزار درجه سانتیگراد رسید. در محلول فله، افزایش دما ناشی از انفجار حباب تنها تقریبا ناچیز است، اما اتلاف گرما از حباب های حفره ای متعدد به عنوان در نقاط داغ حفره مشاهده (به عنوان تولید شده توسط فراصوت با سونوگرافی با قدرت بالا) در نهایت می تواند باعث افزایش درجه حرارت قابل اندازه گیری در دمای حجیم شود. مزیت فراصوت و سونوشیمی نهفته در اثرات درجه حرارت قابل کنترل در طول پردازش: کنترل دما از راه حل فله را می توان با استفاده از مخازن با ژاکت خنک کننده و همچنین فراصوت پالسی به دست آورد. مافوق صوت پیچیده مافوق صوت Hielscher می تواند سونوگرافی مکث زمانی که حد درجه حرارت بالا رسیده است و با سونوگرافی به محض اینکه مقدار پایین تر از یک مجموعه ∆T رسیده است ادامه می دهد. این امر به ویژه در هنگام استفاده از واکنش دهنده های حساس به حرارت بسیار مهم است.

سونوشیمی سینتیک واکنش را بهبود می بخشد

از آنجا که فراصوت تولید ارتعاشات شدید و حفره ، سینتیک شیمیایی تحت تاثیر قرار می گیرد. سینتیک یک سیستم شیمیایی ارتباط نزدیکی با انبساط و انفجار حباب کاویتاسیون دارد، به موجب آن به طور قابل توجهی بر دینامیک حرکت حباب تأثیر می گذارد. گازهای محلول در محلول واکنش شیمیایی از طریق اثرات حرارتی و اثرات شیمیایی بر ویژگی های یک واکنش سونوشیمیایی تأثیر می گذارند. اثرات حرارتی بر دمای اوج که در هنگام فروپاشی حباب در فضای خالی کاویتاسیون به دست می آید تأثیر می گذارد. اثرات شیمیایی اثرات گازهایی را که مستقیما در یک واکنش نقش دارند ، اصلاح می کند.
واکنش های ناهمگن و همگن با سینتیک واکنش آهسته از جمله واکنش های جفت شدن سوزوکی، بارش، تبلور و شیمی امولسیون از پیش تعیین شده است که از طریق قدرت اولتراسوند و اثرات سونوشیمیایی آن آغاز و ترویج شوند.
به عنوان مثال، برای سنتز اسید فرولیک، فرکانس پایین (20kHz) فراصوت در قدرت 180 W داد 94٪ عملکرد اسید فرولیک در 60 °C در 3 ساعت. این نتایج توسط Truong و همکاران (2018) نشان می دهد که استفاده از فرکانس پایین (نوع شاخ و تابش با قدرت بالا) نرخ تبدیل را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد و بازده بالاتر از 90٪ را به دست می دهد.

التراسونیک تشدید شیمی امولسیون

واکنش های ناهمگن مانند شیمی امولسیون به طور قابل توجهی از استفاده از سونوگرافی قدرت سود می برد. حفره مافوق صوت کاهش و توزیع قطرات از هر فاز همگن در داخل یکدیگر ایجاد زیر میکرون و یا نانو امولسیون. از آنجایی که قطرات با اندازه نانو سطح را به شدت افزایش می دهند تا با قطرات مختلف برهمکنش کنند، انتقال جرم و سرعت واکنش به طور قابل توجهی بهبود می یابد. تحت فراصوت، واکنش های شناخته شده برای سینتیک به طور معمول آهسته خود را نشان می دهد به طور چشمگیری بهبود نرخ تبدیل، بازده بالاتر، محصولات جانبی کمتر و یا ضایعات و بهره وری کلی بهتر. شیمی امولسیون التراسونیک بهبود یافته است که اغلب برای پلیمریزاسیون امولسیون استفاده می شود، به عنوان مثال، برای تولید مخلوط های پلیمری، چسب های منتقله از آب و پلیمرهای تخصصی.

10 نکته ای که باید قبل از خرید راکتور شیمیایی بدانید

هنگامی که یک راکتور شیمیایی را برای یک فرآیند شیمیایی انتخاب می کنید، عوامل زیادی وجود دارد که بر طراحی بهینه راکتور شیمیایی تأثیر می گذارد. اگر فرآیند شیمیایی شما شامل واکنش های شیمیایی چند فازی و ناهمگن باشد و سینتیک واکنش کند داشته باشد، هم زدن راکتور و فعال سازی فرآیند از عوامل موثر برای تبدیل شیمیایی موفق و هزینه های اقتصادی (عملیاتی) راکتور شیمیایی هستند.
امواج فراصوت سینتیک واکنش واکنش های شیمیایی مایع-مایع و مایع-جامد را در راکتورهای دسته ای شیمیایی و مخازن واکنش درون خطی به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. از این رو، ادغام پروب های اولتراسونیک در یک راکتور شیمیایی می تواند هزینه های راکتور را کاهش دهد و کارایی کلی و کیفیت محصول نهایی را بهبود بخشد.
اغلب، مهندسی راکتور شیمیایی فاقد دانش در مورد افزایش فرآیند اولتراسونیک کمک است. بدون دانش عمیق در مورد تأثیر سونوگرافی قدرت، تحریک اولتراسونیک، کاویتاسیون صوتی و اثرات سونوشیمیایی بر عملکرد راکتور شیمیایی، تجزیه و تحلیل راکتور شیمیایی و اصول طراحی معمولی می تواند تنها نتایج پایین تر را تولید کند. در زیر، مروری بر مزایای اساسی اولتراسونیک برای طراحی و بهینه سازی راکتور شیمیایی دریافت خواهید کرد.

مزایای استفاده از راکتور مخزن همزن مداوم تشدید شده با التراسونیک (CSTR)

• • راکتورهای التراسونیک افزایش یافته برای آزمایشگاه و تولید:
    مقیاس پذیری آسان: پردازنده های اولتراسونیک به راحتی برای اندازه آزمایشگاه، خلبان و تولید در مقیاس بزرگ در دسترس هستند
    قابل تکرار / تکرار پذیر نتایج به دلیل پارامترهای اولتراسونیک دقیق قابل کنترل
    ظرفیت و سرعت واکنشواکنش های تشدید شده به صورت اولتراسونیک سریعتر و در نتیجه مقرون به صرفه تر هستند (هزینه های پایین تر):
  • سونوشیمی برای اهداف عمومی و همچنین خاص قابل استفاده است

– سازگاری & تطبیق پذیری، به عنوان مثال، گزینه های نصب و راه اندازی انعطاف پذیر و استفاده بین رشته ای

• امواج فراصوت را می توان در محیط های انفجاری استفاده کرد
  – پاکسازی (به عنوان مثال، پتوی نیتروژن)
  – بدون سطح باز
• تمیز کردن ساده: خود تمیز کردن (CIP) – تمیز کردن در محل)
• مصالح ساختمانی مورد نظر خود را انتخاب کنید
  – شیشه، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم
  – بدون مهر و موم چرخشی
  – انتخاب گسترده ای از درزگیرها
• مافوق صوت را می توان در طیف گسترده ای از دما استفاده می شود
• Ultrasonicators را می توان در طیف گسترده ای از فشار استفاده می شود
• اثر هم افزایی با سایر فناوری ها، به عنوان مثال، الکتروشیمی (سونو-الکتروشیمی)، کاتالیز (سونو-کاتالیز)، تبلور (تبلور سونو) و غیره.
• فراصوت ایده آل برای افزایش راکتورهای زیستی است، به عنوان مثال، تخمیر.
• انحلال / حل: در فرآیندهای انحلال، ذرات از یک فاز به فاز دیگر منتقل می شوند، به عنوان مثال زمانی که ذرات جامد در یک مایع حل می شوند. مشخص شده است که درجه تحریک بر سرعت روند تأثیر می گذارد. بسیاری از کریستال های کوچک در زیر حفره اولتراسونیک بسیار سریعتر از یکی در راکتورهای دسته ای معمولی هم زده حل می شوند. در اینجا نیز دلیل سرعت های مختلف در نرخ های مختلف انتقال جرم در سطوح ذرات نهفته است. به عنوان مثال، فراصوت با موفقیت برای ایجاد راه حل های فوق اشباع اعمال می شود، به عنوان مثال، در فرآیندهای تبلور (sono-crystallization).
• استخراج شیمیایی التراسونیک ترویج:
  – مایع-جامد، به عنوان مثال استخراج گیاهی، استخراج شیمیایی
  – مایع-مایع: هنگامی که سونوگرافی به یک سیستم استخراج مایع-مایع اعمال می شود، امولسیون یکی از فازهای دیگری ایجاد می شود. این تشکیل امولسیون منجر به افزایش نواحی بین سطحی بین دو فاز غیرقابل اختلاط می شود و در نتیجه شار انتقال جرم بین فازها افزایش می یابد.

چگونه فراصوت واکنش های شیمیایی در راکتورهای مخزن همزن را بهبود می بخشد؟

• مساحت سطح تماس بزرگتر: در واکنش های بین واکنش دهنده ها در فازهای ناهمگن ، فقط ذراتی که در سطح مشترک با یکدیگر برخورد می کنند می توانند واکنش نشان دهند. هرچه رابط کاربری بزرگتر باشد، برخوردهای بیشتری رخ می دهد. همانطور که یک قسمت مایع یا جامد از یک ماده به قطرات کوچکتر یا ذرات جامد معلق در یک مایع فاز پیوسته شکسته می شود ، سطح این ماده افزایش می یابد. علاوه بر این، در نتیجه کاهش اندازه، تعداد ذرات افزایش می یابد و در نتیجه میانگین فاصله بین این ذرات کاهش می یابد. این امر باعث بهبود قرار گرفتن فاز پیوسته در فاز پراکنده می شود. بنابراین ، سرعت واکنش با درجه تکه تکه شدن فاز پراکندگی افزایش می یابد. بسیاری از واکنش های شیمیایی در پراکندگی و یا امولسیون نشان می دهد بهبود شدید در سرعت واکنش به عنوان یک نتیجه از کاهش اندازه ذرات مافوق صوت.
• کاتالیز (انرژی فعال سازی): کاتالیزورها در بسیاری از واکنش های شیمیایی، در توسعه آزمایشگاهی و در تولید صنعتی از اهمیت بالایی برخوردار هستند. اغلب کاتالیزورها در فاز جامد یا مایع هستند و با یک واکنش دهنده یا همه واکنش دهنده ها غیرقابل اختلاط هستند. از این رو ، بیشتر اوقات ، کاتالیز یک واکنش شیمیایی ناهمگن است. در تولید مهم ترین مواد شیمیایی اساسی مانند اسید سولفوریک، آمونیاک، اسید نیتریک، اتن و متانول، کاتالیزورها نقش مهمی دارند. حوزه های وسیعی از فناوری زیست محیطی مبتنی بر فرآیندهای کاتالیزوری است. برخورد ذرات منجر به یک واکنش شیمیایی، یعنی گروه بندی مجدد اتم ها می شود، تنها در صورتی که ذرات با انرژی جنبشی کافی برخورد کنند. امواج فراصوت یک وسیله بسیار کارآمد برای افزایش سینتیک در راکتورهای شیمیایی است. در یک فرآیند کاتالیز ناهمگن، افزودن اولتراسونیک به طراحی راکتور شیمیایی می تواند نیاز به کاتالیزور را کاهش دهد. این می تواند منجر به استفاده از کاتالیزور کمتر یا کاتالیزورهای پایین تر و کمتر نجیب شود.
• فرکانس تماس بالاتر / انتقال جرم بهبود یافته: اختلاط مافوق صوت و هم زدن یک روش بسیار موثر برای تولید قطرات و ذرات دقیقه (به عنوان مثال، زیر میکرون و نانو ذرات) است، که یک سطح فعال بالاتر برای واکنش ها ارائه می دهد. تحت تحریک شدید اضافی و حرکت میکرو ناشی از سونوگرافی قدرت، فرکانس تماس بین ذرات به شدت افزایش می یابد و در نتیجه نرخ تبدیل به طور قابل توجهی بهبود می یابد.
• پلاسمای فشرده: برای بسیاری از واکنش ها، افزایش 10 کلوین در دمای راکتور باعث می شود که سرعت واکنش تقریبا دو برابر شود. حفره اولتراسونیک تولید نقاط داغ بسیار واکنش پذیر موضعی تا 5000K در داخل مایع، بدون گرمایش قابل توجهی از حجم مایع کلی در راکتور شیمیایی.
• انرژی حرارتی: هر انرژی اولتراسونیک که به طراحی راکتور شیمیایی اضافه می کنید، در نهایت به انرژی حرارتی تبدیل می شود. بنابراین، می توانید از انرژی برای فرآیند شیمیایی استفاده مجدد کنید. به جای ورودی انرژی حرارتی توسط عناصر گرمایش و یا بخار، فراصوت معرفی یک فرایند فعال کردن انرژی مکانیکی با استفاده از ارتعاشات فرکانس بالا. در راکتور شیمیایی، این کاویتاسیون اولتراسونیک تولید می کند که فرآیند شیمیایی را در سطوح مختلف فعال می کند. سرانجام برش اولتراسونیک بسیار زیاد مواد شیمیایی منجر به تبدیل به انرژی حرارتی، یعنی گرما می شود. می توانید از راکتورهای دسته ای ژاکت دار یا راکتورهای درون خطی برای خنک سازی استفاده کنید تا دمای فرآیند ثابت را برای واکنش شیمیایی خود حفظ کنید.

مافوق صوت با کارایی بالا برای بهبود واکنش های شیمیایی در CSTR

Hielscher Ultrasonics طراحی، تولید و توزیع هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا و پراکنده کننده ها برای ادغام به راکتورهای مخزن همزن مداوم (CSTR). مافوق صوت Hielscher در سراسر جهان برای ترویج، تشدید، سرعت بخشیدن و بهبود واکنش های شیمیایی استفاده می شود.
شرکت Hielscher Ultrasonics ’ پردازنده های اولتراسونیک در هر اندازه از دستگاه های آزمایشگاهی کوچک گرفته تا پردازنده های صنعتی بزرگ برای کاربردهای شیمی جریان در دسترس هستند. تنظیم دقیق دامنه اولتراسونیک (که مهم ترین پارامتر است) اجازه می دهد تا برای کار اولتراسونیک Hielscher در دامنه های کم تا بسیار بالا و به تنظیم دقیق دامنه دقیقا به شرایط فرآیند مافوق صوت مورد نیاز از سیستم واکنش شیمیایی خاص.
ژنراتور مافوق صوت Hielscher از ویژگی های یک نرم افزار هوشمند با پروتکل داده های خودکار. تمام پارامترهای مهم پردازش مانند انرژی اولتراسونیک، دما، فشار و زمان به محض روشن شدن دستگاه به طور خودکار در یک کارت SD داخلی ذخیره می شوند.
نظارت بر فرآیند و ثبت داده ها برای استانداردسازی مداوم فرآیند و کیفیت محصول مهم است. با دسترسی به داده های فرآیند به طور خودکار ضبط شده، می توانید فراصوت قبلی را تجدید نظر کنید و نتیجه را ارزیابی کنید.
یکی دیگر از ویژگی های کاربر پسند، کنترل از راه دور مرورگر سیستم های اولتراسونیک دیجیتال ما است. از طریق کنترل مرورگر از راه دور می توانید پردازنده اولتراسونیک خود را از راه دور از هر کجا شروع، توقف، تنظیم و نظارت کنید.
اکنون با ما تماس بگیرید تا در مورد هموژنایزرهای اولتراسونیک با کارایی بالا بیشتر بدانید می توانند راکتور مخزن به طور مداوم هم زده (CSTR) شما را بهبود بخشند!
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد: