Jatkuvasti sekoitetut säiliöreaktorit sekoitetaan ultraäänellä

Jatkuvasti sekoitettuja säiliöreaktoreita (CSTR) käytetään laajalti erilaisiin kemiallisiin reaktioihin, mukaan lukien katalyysi, emulsiokemia, polymerointi, synteesi, uuttaminen ja kiteytys. Hidas reaktiokinetiikka on yleinen ongelma CSTR: ssä, joka voidaan helposti voittaa soveltamalla teho-ultrasonicationia. Teho-ultraäänen voimakas sekoittaminen, sekoittaminen ja sonokemialliset vaikutukset nopeuttavat reaktiokinetiikkaa ja parantavat muuntokurssia merkittävästi. Ultrasonicators voidaan helposti integroida minkä tahansa tilavuuden CSTR: iin.

Miksi teho-ultraääntä käytetään jatkuvasti sekoitettavaan säiliöreaktoriin?

Jatkuvasti sekoitettu säiliöreaktori (CSTR tai yksinkertaisesti sekoitettu säiliöreaktori (STR)) on pääominaisuuksiltaan melko samanlainen kuin panosreaktori. Suurin tärkeä ero on, että jatkuvan sekoitetun säiliöreaktorin (CSTR) asennuksessa materiaalin syöttö on syötettävä jatkuvassa virtauksessa reaktoriin ja ulos reaktorista. Reaktorin syöttäminen voidaan saavuttaa painovoimavirralla tai pakotetulla kiertovirtauksella pumpun avulla. CSTR: ää kutsutaan joskus takaisinsekoitetuksi virtausreaktoriksi (BMR).
CSTR: itä käytetään yleisesti, kun tarvitaan kahden tai useamman nesteen sekoittamista. CSTR: itä voidaan käyttää yksittäisenä reaktorina tai asentaa sarjana kokoonpanoja eri pitoisuusvirroille ja reaktiovaiheille. Yhden säiliöreaktorin käytön lisäksi käytetään yleisesti eri säiliöiden sarja-asennusta (peräkkäin) tai kaskadiasetusta.
Miksi ultrasonication? Ultraäänisekoituksen ja sekoituksen sekä tehon ultraäänen sonokemiallisten vaikutusten tiedetään edistävän kemiallisten reaktioiden tehokkuutta. Ultraäänivärähtelyjen ja kavitaation aiheuttama parannettu sekoitus ja hiukkaskoon pienentäminen tarjoavat merkittävästi nopeutetun kinetiikan ja paremman muuntonopeuden. Sonokemialliset vaikutukset voivat tuottaa tarvittavan energian kemiallisten reaktioiden aloittamiseksi, kemiallisten reittien vaihtamiseksi ja suurempien saantojen antamiseksi täydellisemmän reaktion vuoksi.

Ultraäänellä tehostettua CSTR: ää voidaan käyttää sovelluksiin, kuten:

• Heterogeeniset neste-nestereaktiot
• Heterogeeniset kiinteä-nestemäiset reaktiot
• Homogeeniset nestefaasireaktiot
• Heterogeeniset kaasu-nestereaktiot
• Heterogeeniset kaasu-kiinteä-nestemäiset reaktiot

Ultrasonication nopeana synteettisenä kemiallisena järjestelmänä

Nopea synteettinen kemia on uusi reaktiotekniikka, jota käytetään kemiallisen synteesin käynnistämiseen ja tehostamiseen. Verrattuna perinteisiin reaktioreitteihin, jotka tarvitsevat useita tunteja tai päiviä palautusjäähdytyksessä, ultraäänellä edistetyt synteesireaktorit voivat minimoida reaktion keston muutamaan minuuttiin, mikä johtaa merkittävään nopeutettuun synteesireaktioon. Ultraäänisynteesin tehostaminen perustuu akustisen kavitaation ja siihen liittyvien voimien toimintaperiaatteeseen, mukaan lukien paikallisesti rajoitettu ylikuumeneminen. Lisätietoja ultraäänestä, akustisesta kavitaatiosta ja sonokemiasta seuraavassa osassa.

Ultraäänikavitaatio ja sen sonokemialliset vaikutukset

Ultraääni (tai akustinen) kavitaatio tapahtuu, kun tehon ultraääni kytketään nesteisiin tai lietteisiin. Kavitaatio on siirtyminen nestefaasista höyryfaasiin, joka tapahtuu paineen laskiessa nesteen höyryjännityksen tasolle.
Ultraäänikavitaatio luo erittäin suuria leikkausvoimia ja nestemäisiä suihkuja jopa 1000m / s. Nämä nestemäiset suihkut kiihdyttävät hiukkasia ja aiheuttavat hiukkasten välisiä törmäyksiä, mikä vähentää kiinteiden aineiden ja pisaroiden hiukkaskokoa. Lisäksi – Paikallinen luhistuvan kavitaatiokuplan sisällä ja sen läheisyydessä – syntyy erittäin korkeita paineita, jotka ovat satojen ilmakehän luokkaa ja lämpötilat tuhansien Kelvin-asteiden luokkaa.
Vaikka ultrasonication on puhtaasti mekaaninen käsittelymenetelmä, se voi tuottaa paikallisesti rajoitetun äärimmäisen lämpötilan nousun. Tämä johtuu voimakkaista voimista, jotka syntyvät romahtavien kavitaatiokuplien sisällä ja läheisyydessä, joissa voidaan helposti saavuttaa useiden tuhansien celsiusasteiden lämpötiloja. Irtotavaraliuoksessa yhdestä kuplan luhistumisesta johtuva lämpötilan nousu on lähes vähäinen, mutta lämmöntuotto lukuisista kavitaatiokuplista, kuten kavitaatiopisteissä havaitaan (kuten syntyy sonikaatiosta suuritehoisella ultraäänellä), voi lopulta aiheuttaa mitattavissa olevan lämpötilan nousun irtotavarana. Ultrasonicationin ja sonokemian etuna on kontrolloitavissa olevat lämpötilavaikutukset käsittelyn aikana: Irtotavaraliuoksen lämpötilan säätö voidaan saavuttaa käyttämällä säiliöitä, joissa on jäähdytysvaipat, sekä pulssisonikaatiota. Hielscher Ultrasonics' hienostuneet ultraäänilaitteet voivat keskeyttää ultraäänen, kun ylempi lämpötilaraja saavutetaan, ja jatkaa ultrasonicationia heti, kun sarjan ∆T alempi arvo saavutetaan. Tämä on erityisen tärkeää, kun käytetään lämpöherkkiä reagenssiaineita.

Sonokemia parantaa reaktiokinetiikkaa

Koska sonikaatio aiheuttaa voimakkaita värähtelyjä ja kavitaatiota, se vaikuttaa kemialliseen kinetiikkaan. Kemiallisen järjestelmän kinetiikka korreloi läheisesti kavitaatiokuplan laajenemisen ja luhistumisen kanssa, jolloin se vaikuttaa merkittävästi kuplan liikkeen dynamiikkaan. Kemialliseen reaktioliuokseen liuenneet kaasut vaikuttavat sonokemiallisen reaktion ominaisuuksiin sekä lämpövaikutusten että kemiallisten vaikutusten kautta. Lämpövaikutukset vaikuttavat huippulämpötiloihin, jotka saavutetaan kuplien romahtamisen aikana kavitaatiotyhjiössä; Kemialliset vaikutukset muuttavat reaktioon suoraan osallistuvien kaasujen vaikutuksia.
Heterogeeniset ja homogeeniset reaktiot, joilla on hidas reaktiokinetiikka, mukaan lukien Suzuki-kytkentäreaktiot, saostuminen, kiteytyminen ja emulsiokemia, on ennalta määrätty aloittamaan ja edistämään teho-ultraäänellä ja sen sonokemiallisilla vaikutuksilla.
Esimerkiksi ferulihapon synteesissä matalataajuinen (20 kHz) sonikaatio 180 W: n teholla antoi 94% ferulihapon saannon 60 ° C: ssa 3 tunnissa. (2018) osoittavat, että matalataajuisten (torvityyppi ja suuritehoinen säteilytys) käyttö paransi muuntokurssia merkittävästi ja antoi yli 90 prosentin saannon.

Ultraäänellä tehostettu emulsiokemia

Heterogeeniset reaktiot, kuten emulsiokemia, hyötyvät merkittävästi tehon ultraäänen käytöstä. Ultraäänikavitaatio väheni ja jakoi kunkin vaiheen pisarat homogeenisesti toisiinsa luoden sub-mikronin tai nanoemulsion. Koska nanokokoiset pisarat tarjoavat huomattavasti suuremman pinta-alan vuorovaikutuksessa eri pisaroiden kanssa, massansiirto ja reaktionopeus paranevat merkittävästi. Sonikaatiossa reaktiot, jotka tunnetaan tyypillisesti hitaasta kinetiikastaan, osoittavat dramaattisesti parantuneita muuntokursseja, korkeampia saantoja, vähemmän sivutuotteita tai jätettä ja parempaa yleistä tehokkuutta. Ultraäänellä parannettua emulsiokemiaa käytetään usein emulsioiden polymerointiin, esimerkiksi polymeeriseosten, vesiohenteisten liimojen ja erikoispolymeerien tuottamiseksi.

10 asiaa, jotka sinun pitäisi tietää ennen kemiallisen reaktorin ostamista

Kun valitset kemiallisen reaktorin kemialliseen prosessiin, on monia tekijöitä, jotka vaikuttavat optimaaliseen kemiallisen reaktorin suunnitteluun. Jos kemialliseen prosessiin liittyy monivaiheisia, heterogeenisiä kemiallisia reaktioita ja sen reaktiokinetiikka on hidas, reaktorin sekoitus ja prosessin aktivointi ovat olennaisia vaikuttavia tekijöitä kemiallisen muuntamisen onnistumiselle ja kemiallisen reaktorin taloudellisille (käyttö)kustannuksille.
Ultrasonication parantaa merkittävästi nestemäisten ja nestemäisten ja nestemäisten ja kiinteiden kemiallisten reaktioiden reaktiokinetiikkaa kemiallisissa eräreaktoreissa ja inline-reaktioastioissa. Näin ollen ultraäänianturien integrointi kemialliseen reaktoriin voi vähentää reaktorikustannuksia ja parantaa yleistä tehokkuutta ja lopputuotteen laatua.
Hyvin usein kemiallisesta reaktoritekniikasta puuttuu tietoa ultraäänellä avustetusta prosessin parantamisesta. Ilman syvällistä tietoa tehon ultraäänen, ultraäänisekoituksen, akustisen kavitaation ja sonokemiallisten vaikutusten vaikutuksesta kemiallisen reaktorin suorituskykyyn, kemiallisen reaktorin analyysi ja tavanomaiset suunnittelun perusteet voivat tuottaa vain huonompia tuloksia. Alla saat yleiskuvan ultrasonicsin perustavanlaatuisista eduista kemiallisen reaktorin suunnittelussa ja optimoinnissa.

Ultraäänellä tehostetun jatkuvan sekoitetun säiliöreaktorin (CSTR) edut

• • Ultraäänellä parannetut reaktorit laboratorioon ja tuotantoon:
    Helppo skaalautuvuus: Ultraääniprosessorit ovat helposti saatavilla laboratoriokokoon, pilotti- ja laajamittaiseen tuotantoon
    Toistettava / toistettava tulokset johtuvat tarkasti hallittavista ultraääniparametreista
    Kapasiteetti ja reaktionopeus: ultraäänellä tehostetut reaktiot ovat nopeampia ja siten taloudellisempia (alhaisemmat kustannukset)
  • Sonokemia soveltuu sekä yleisiin että erityistarkoituksiin

– sopeutumiskyky & monipuolisuus, mm. joustavat asennus- ja asennusvaihtoehdot sekä monialainen käyttö

• Ultrasonicationia voidaan käyttää räjähdysvaarallisissa ympäristöissä
  – puhdistus (esim. typpihuopa)
  – ei avointa pintaa
• Yksinkertainen puhdistus: itsepuhdistuva (CIP – Clean-in-place)
• Valitse haluamasi rakennusmateriaalit
  – lasi, ruostumaton teräs, titaani
  – ei pyöriviä tiivisteitä
  – laaja valikoima tiivisteaineita
• Ultrasonicatoreita voidaan käyttää laajalla lämpötila-alueella
• Ultrasonicatoreita voidaan käyttää monenlaisissa paineissa
• Synergistinen vaikutus muiden tekniikoiden kanssa, esim. sähkökemia (sono-sähkökemia), katalyysi (sono-katalyysi), kiteytys (sono-kiteytys) jne.
• Sonikaatio on ihanteellinen bioreaktorien, esimerkiksi käymisen, parantamiseksi.
• Liukeneminen / liukeneminen: Liukenemisprosesseissa hiukkaset siirtyvät faasista toiseen, esimerkiksi kun kiinteät hiukkaset liukenevat nesteeseen. Havaitaan, että sekoitusaste vaikuttaa prosessin nopeuteen. Monet pienet kiteet liukenevat paljon nopeammin ultraäänikavitaatiossa kuin yksi tavanomaisesti sekoitetuissa eräreaktoreissa. Tässäkin syy erilaisiin nopeuksiin on erilaisissa massansiirtonopeuksissa hiukkasten pinnoilla. Esimerkiksi ultrasonicationia käytetään menestyksekkäästi ylikyllästettyjen liuosten luomiseen, esimerkiksi kiteytysprosesseissa (sono-kiteytys).
• Ultraäänellä edistetty kemiallinen uutto:
  – Nestemäinen kiinteä aine, esim. kasvitieteellinen uuttaminen, kemiallinen uuttaminen
  – Neste-neste: Kun ultraääntä käytetään neste-nesteuuttojärjestelmään, syntyy emulsio yhdestä faasista toisessa. Tämä emulsion muodostuminen johtaa lisääntyneisiin rajapinta-alueisiin kahden sekoittumattoman faasin välillä, mikä johtaa tehostettuun massansiirtovirtaan vaiheiden välillä.

Miten sonikaatio parantaa kemiallisia reaktioita sekoitetuissa säiliöreaktoreissa?

• Suurempi kosketuspinta-ala: Reagenssien välisissä reaktioissa heterogeenisissä vaiheissa vain hiukkaset, jotka törmäävät toisiinsa rajapinnassa, voivat reagoida. Mitä suurempi käyttöliittymä, sitä enemmän törmäyksiä voi tapahtua. Kun aineen nestemäinen tai kiinteä osa hajoaa pienemmiksi pisaroiksi tai kiinteiksi hiukkasiksi, jotka on suspendoitu jatkuvaan faasinesteeseen, tämän aineen pinta-ala kasvaa. Lisäksi koon pienentämisen seurauksena hiukkasten määrä kasvaa ja siten näiden hiukkasten välinen keskimääräinen etäisyys pienenee. Tämä parantaa jatkuvan faasin altistumista dispergoituneelle faasille. Siksi reaktionopeus kasvaa dispergointifaasin pirstoutumisasteen myötä. Monet kemialliset reaktiot dispersioissa tai emulsioissa osoittavat dramaattisia parannuksia reaktionopeudessa ultraäänihiukkaskoon pienentämisen seurauksena.
• Katalyysi (aktivointienergia): Katalyytit ovat erittäin tärkeitä monissa kemiallisissa reaktioissa, laboratoriokehityksessä ja teollisessa tuotannossa. Usein katalyytit ovat kiinteässä tai nestemäisessä faasissa ja sekoittumattomia yhden reagenssin tai kaikkien reagenssien kanssa. Siksi katalyysi on useimmiten heterogeeninen kemiallinen reaktio. Tärkeimpien peruskemikaalien, kuten rikkihapon, ammoniakin, typpihapon, eteenin ja metanolin, tuotannossa katalyytteillä on tärkeä rooli. Suuret ympäristöteknologian alueet perustuvat katalyyttisiin prosesseihin. Hiukkasten törmäys johtaa kemialliseen reaktioon eli atomien uudelleenryhmittymiseen vain, jos hiukkaset törmäävät riittävällä liike-energialla. Ultrasonication on erittäin tehokas keino lisätä kinetiikkaa kemiallisissa reaktoreissa. Heterogeenisessä katalyysiprosessissa ultraäänien lisääminen kemiallisen reaktorin suunnitteluun voi vähentää katalyytin tarvetta. Tämä voi johtaa vähemmän katalyytin tai huonompien, vähemmän jalojen katalyyttien käyttöön.
• Korkeampi kosketustaajuus / parannettu massansiirto: Ultraäänisekoitus ja sekoitus on erittäin tehokas menetelmä tuottaa pieniä pisaroita ja hiukkasia (eli submikroni- ja nanohiukkasia), jotka tarjoavat korkeamman aktiivisen pinnan reaktioille. Teho-ultraäänen aiheuttaman voimakkaan lisäravistuksen ja mikroliikkeen aikana hiukkasten välisen kosketuksen taajuus kasvaa huomattavasti, mikä johtaa merkittävästi parempaan muuntokurssiin.
• Pakattu plasma: Monissa reaktioissa 10 Kelvinin nousu reaktorin lämpötilassa aiheuttaa reaktionopeuden noin kaksinkertaistumisen. Ultraäänikavitaatio tuottaa paikallisia erittäin reaktiivisia hotspotteja jopa 5000K nesteessä ilman merkittävää kuumennusta kemiallisen reaktorin kokonaisnestetilavuudessa.
• Lämpöenergia: Mikä tahansa ultraäänienergia, jonka lisäät kemiallisen reaktorin suunnitteluun, muunnetaan lopulta lämpöenergiaksi. Siksi voit käyttää energiaa uudelleen kemialliseen prosessiin. Lämmityselementtien tai höyryn syöttämän lämpöenergian sijasta ultrasonication esittelee prosessin, joka aktivoi mekaanista energiaa korkeataajuisten värähtelyjen avulla. Kemiallisessa reaktorissa tämä tuottaa ultraäänikavitaatiota, joka aktivoi kemiallisen prosessin useilla tasoilla. Lopuksi kemikaalien valtava ultraäänileikkaus johtaa muuttumiseen lämpöenergiaksi eli lämmöksi. Voit käyttää vaipallisia panosreaktoreita tai inline-reaktoreita jäähdytykseen pitääksesi prosessin lämpötilan vakiona kemiallisessa reaktiossasi.

Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet parantamaan kemiallisia reaktioita CSTR: ssä

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita ja dispergointilaitteita integroitavaksi jatkuviin sekoitettuihin säiliöreaktoreihin (CSTR). Hielscher-ultraäänilaitteita käytetään maailmanlaajuisesti edistämään, tehostamaan, nopeuttamaan ja parantamaan kemiallisia reaktioita.
Hielscher Ultrasonics’ Ultraääniprosessoreita on saatavana missä tahansa koossa pienistä laboratoriolaitteista suuriin teollisiin prosessoreihin virtauskemian sovelluksiin. Ultraääniamplitudin tarkka säätö (joka on tärkein parametri) mahdollistaa Hielscher-ultraäänilaitteiden käytön alhaisilla tai erittäin korkeilla amplitudilla ja hienosäätää amplitudia tarkalleen tietyn kemiallisen reaktiojärjestelmän vaadittuihin ultraääniprosessiolosuhteisiin.
Hielscherin ultraäänigeneraattorissa on älykäs ohjelmisto, jossa on automaattinen dataprotokolla. Kaikki tärkeät käsittelyparametrit, kuten ultraäänienergia, lämpötila, paine ja aika, tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille heti, kun laite kytketään päälle.
Prosessien valvonta ja tietojen tallennus ovat tärkeitä prosessien jatkuvan standardoinnin ja tuotteiden laadun kannalta. Käyttämällä automaattisesti tallennettuja prosessitietoja voit tarkistaa aiempia sonikaatioajoja ja arvioida lopputulosta.
Toinen käyttäjäystävällinen ominaisuus on digitaalisten ultraäänijärjestelmiemme selaimen kaukosäädin. Selaimen etäohjauksen avulla voit käynnistää, pysäyttää, säätää ja valvoa ultraääniprosessoriasi etänä mistä tahansa.
Ota yhteyttä nyt saadaksesi lisätietoja korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreistamme, jotka voivat parantaa jatkuvasti sekoitettua säiliöreaktoriasi (CSTR)!
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: