Jatkuvasti sekoitettuja säiliöreaktoreita, jotka on sekoitettu ultraäänellä

Jatkuvasti sekoitettuja säiliöreaktoreita (CSTR) käytetään laajalti erilaisiin kemiallisiin reaktioihin, kuten katalyysiin, emulsiokemiaan, polymerointiin, synteesiin, uuttamiseen ja kiteytykseen. Hitaan reaktion kinetiikka on yleinen ongelma CSTR: ssä, joka voidaan helposti ratkaista käyttämällä teho-ultrasonication. Voimakas sekoittaminen, kiihtymys ja teho-ultraäänen sonokemialliset vaikutukset kiihdyttävät reaktiokinetiikkaa ja parantavat muuntoastetta merkittävästi. Ultraääniastiat voidaan helposti integroida minkä tahansa tilavuuden CSTR-määriin.

Miksi käyttää teho-ultraääntä jatkuvasti sekoitettuun säiliöreaktoriin?

Jatkuvasti sekoitettu säiliöreaktori (CSTR tai yksinkertaisesti sekoitettu säiliöreaktori (STR)) on pääominaisuuksiltaan melko samanlainen kuin eräreaktori. Tärkein tärkeä ero on se, että jatkuvasekoitesäiliöreaktorin (CSTR) asennuksessa materiaalin syöttö on syöttävä jatkuvassa virtauksena reaktoriin ja siitä pois. Reaktorin syöttö voidaan saavuttaa painovoimavirralla tai pakkokierron virtaus pumpulla. CSTR:ää kutsutaan joskus takasekoitereaktoriksi (BMR).
CsTR-lauseita käytetään yleisesti, kun tarvitaan kahden tai useamman nesteen sekoittamista. Cstr:iä voidaan käyttää yhtenä reaktorina tai asentaa sarjana konfiguraatioita eri pitoisuusvirroille ja reaktiovaiheille. Yhden säiliöreaktorin käytön lisäksi käytetään yleisesti eri säiliöiden sarja-asennusta (yksi toisensa jälkeen) tai kaskadiasennuksia.
Miksi ultrasonication? Ultraäänisekoitus ja kiihtymys sekä tehon ultraäänen sonokemialliset vaikutukset edistävät tunnetusti kemiallisten reaktioiden tehokkuutta. Ultraäänivärähtelyistä ja kavitaatiosta johtuva parempi sekoittaminen ja hiukkaskoon pienentäminen nopeuttavat merkittävästi kinetiikkaa ja parantavat muuntoastetta. Sonokemialliset vaikutukset voivat tuottaa tarvittavaa energiaa kemiallisten reaktioiden aloittamiseksi, kemiallisten reittien vaihtamiseen ja suuremman tuotoksen antamiseksi täydellisemmisen vuoksi.

Ultraäänellä tehostettua CSTR:tä voidaan käyttää esimerkiksi:

• Heterogeeniset nestemäisen nesteen reaktiot
• Heterogeeniset kiinteän nesteen reaktiot
• Homogeeniset neste faasireaktiot
• Heterogeeniset kaasu-nestereaktiot
• Heterogeeniset kaasu-kiinteä-nestereaktiot

Ultrasonication kuin nopea synteettinen kemiallinen järjestelmä

Nopea synteettinen kemia on uusi reaktiotekniikka, jota käytetään kemiallisen synteesin käynnistämiseen ja tehostamiseen. Verrattuna perinteisiin reaktioreiteihin, jotka tarvitsevat useita tunteja tai päiviä refluksin alla, ultraäänellä edistetyt synteesireaktorit voivat minimoida reaktion keston muutamaan minuuttiin, mikä johtaa merkittävään nopeutettuun synteesireaktioon. Ultraäänisynteesin tehostaminen perustuu akustisen kavitoinnin toimintaperiaatteeseen ja siihen liittyviin voimiin, mukaan lukien paikallisesti suljettu ylikuumeneminen. Lue lisää ultraäänistä, akustisesta kavitaatiosta ja sonokemiasta seuraavasta osiosta.

Ultraäänikavitaatio ja sen sonokemialliset vaikutukset

Ultraääni (tai akustinen) kavitaatio tapahtuu, kun teho ultraääni on yhdistetty nesteisiin tai lietteeseen. Kavitaatio on siirtyminen nestemäisestä faasiin höyryfaasiin, joka johtuu painepudotuksen vuoksi nesteen höyryjännityksestä.
Ultraäänikavitaatio luo erittäin korkeat leikkausvoimat ja nestemäiset suihkut jopa 1000m / s. Nämä nestemäiset suihkut kiihdyttävät hiukkasia ja aiheuttavat hiukkasten välisiä törmäyksiä, mikä vähentää kiinteiden ja pisaroiksien hiukkaskokoa. lisäksi – jotka sijaitsevat luhistuvan kavitaatiokuplan sisällä ja lähellä sitä – satojen ilmakehän järjestykseen kohdistuu erittäin korkeita paineita ja tuhansien Kelvin-asteiden järjestyksessä syntyy lämpötiloja.
Vaikka ultrasonication on puhtaasti mekaaninen käsittelymenetelmä, se voi tuottaa paikallisesti suljetun äärimmäisen lämpötilan nousun. Tämä johtuu voimakkaista voimista, jotka syntyvät romahtavista kavitaatiokuplista ja niiden läheisyydestä, joissa voidaan helposti saavuttaa useiden tuhansien celsiusasteiden lämpötilat. Irtolastiliuoksessa yksittäisen kuplan luhistumisesta johtuva lämpötilan nousu on lähes vähäpätöinen, mutta kavitaatiopisteissä havaittu lämmön haihtuminen lukuisista kavitaatiokuplista (kuten sonikaatiolla, jossa on suuritehoinen ultraääni) voi lopulta aiheuttaa mitattavaa lämpötilan nousua irtolämpötilassa. Ultrasonicationin ja sonokemian etuna ovat hallinnan lämpötilavaikutukset käsittelyn aikana: Bulkkiliuoksen lämpötilan säätö voidaan saavuttaa käyttämällä säiliöitä, joissa on jäähdytystakit ja pulssi sonikaatio. Hielscher Ultrasonicsin hienostuneet ultraääniastiat voivat keskeyttää ultraäänen, kun ylempi lämpötilaraja saavutetaan, ja jatkaa ultraääniä heti, kun setin ∆T:n alempi arvo on saavutettu. Tämä on erityisen tärkeää, kun käytetään lämpöherkkiä reatikoita.

Sonokemia parantaa reaktiokinetiikkaa

Koska sonikaatio aiheuttaa voimakasta värähtelyä ja kavitaatiota, se vaikuttaa kemialliseen kinetiikkaan. Kemiallisen järjestelmän kinetiikka korreloi läheisesti kavitaatiokuplan laajenemisen ja luhistumisen kanssa, jolloin se vaikuttaa merkittävästi kuplan liikkeen dynamiikkaan. Kemiallisen reaktioliuoksen liuenneet kaasut vaikuttavat sonokemiallisen reaktion ominaisuuksiin sekä lämpövaikutusten että kemiallisten vaikutusten kautta. Lämpövaikutukset vaikuttavat huippulämpötiloisiin, jotka saavutetaan kuplan romahduksen aikana kavitaatiotyhjän sisällä; kemialliset vaikutukset muokkaavat reaktioon suoraan osallistuvien kaasujen vaikutuksia.
Heterogeeniset ja homogeeniset reaktiot, joihin kuuluu hitaita reaktiokinetiikkaa, mukaan lukien Suzuki-kytkentäreaktiot, saostuminen, kiteytyminen ja emulsiokemia, on ennalta määritetty aloitettavaksi ja edistettäväksi teho-ultraäänen ja sen sonokemiallisten vaikutusten kautta.
Esimerkiksi feruelihapon synteesissä matalataajuinen (20 kHz) sonikaatio 180 W:n teholla antoi 94% feruolihapon saannon 60 °C:ssa 3 tunnissa. Nämä Truong et al. (2018) tulokset osoittavat, että matalataajuuksinen käyttö (sarvityyppi ja suuritehoinen säteilytys) paransi muuntoastetta merkittävästi antaen yli 90%: n tuoton.

Ultraäänellä tehostettu emulsiokemia

Heterogeeniset reaktiot, kuten emulsiokemia, hyötyvät merkittävästi tehon ultraäänen soveltamisesta. Ultraäänikavitaatio vähensi ja jakoi kunkin vaiheen pisarat homogeenisesti keskenään luoden submikroni- tai nanoemulsion. Koska nanokokoiset pisarat tarjoavat huomattavasti kohonnutta pinta-alaa vuorovaikutukseen eri pisarojen kanssa, massansiirto- ja reaktionopeus paranee merkittävästi. Sonikaatiossa reaktiot, jotka tunnetaan tyypillisesti hitaasta kinetiikastaan, osoittavat dramaattisesti parempia muuntoasteita, korkeampia saantoja, vähemmän sivutuotteita tai jätteitä ja parempaa kokonaistehokkuutta. Ultraäänellä paranneltua emulsiokemiaa käytetään usein emulsiopolymerointiin, esimerkiksi polymeerisekoitusten, vesiliimojen ja erikoispolymeerien tuottamiseen.

10 asiaa, jotka sinun pitäisi tietää, ennen kuin ostat kemiallisen reaktorin

Kun valitset kemiallisen reaktorin kemialliseen prosessiin, on monia tekijöitä, jotka vaikuttavat optimaaliseen kemiallisen reaktorin suunnitteluun. Jos kemialliseen prosessiin liittyy monivaiheisia, heterogeenisiä kemiallisia reaktioita ja reaktiokinetiikka on hidasta, reaktorin kiihtyminen ja prosessin aktivointi ovat olennaisia tekijöitä kemiallisen muuntamisen onnistumiseksi ja kemiallisen reaktorin taloudellisten (operatiivisten) kustannusten kannalta.
Ultrasonication parantaa merkittävästi nestemäisen nesteen ja nesteen kiinteiden kemiallisten reaktioiden reaktiokinetiikkaa kemiallisissa eräreaktoreissa ja inline-reaktioastioissa. Näin ollen ultraääniantuiden integroiminen kemialliseen reaktoriin voi vähentää reaktorikustannuksia ja parantaa lopputuotteen yleistä tehokkuutta ja laatua.
Hyvin usein kemikaalireaktorin suunnittelusta puuttuu tietämys ultraäänellä avustetusta prosessin parantamisesta. Ilman syvällistä tietoa tehon ultraäänen vaikutuksesta, ultraääniagitaatiosta, akustisesta kavitaatiosta ja sonokemiallisista vaikutuksista kemiallisen reaktorin suorituskykyyn, kemiallinen reaktorianalyysi ja tavanomaiset suunnittelun perusteet voivat tuottaa vain huonompia tuloksia. Alla saat yleiskatsauksen ultraäänien perushyödyistä kemiallisen reaktorin suunnittelussa ja optimoinnissa.

Ultraäänellä tehostetun jatkuvan sekoitussäiliöreaktorin (CSTR) edut

• Ultraäänellä parannetut reaktorit laboratorioon ja tuotantoon:
  Helppo skaalautuvuus: Ultraääniprosessorit ovat helposti saatavilla laboratorion kokoon, pilottiin ja laajamittaiseen tuotantoon
  Toistettavissa / toistettavissa tarkasti säätökelpoisten ultraääniparametrien vuoksi
  Kapasiteetti ja reaktionopeus: ultraäänellä voimistuneet reaktiot ovat nopeampia ja siten taloudellisempia (alhaisemmat kustannukset)
• Sonokemiaa voidaan soveltaa sekä yleisiin että erityistarkoituksiin

– sopeutumiskyky & monipuolisuus, esimerkiksi joustavat asennus- ja asennusvaihtoehdot sekä poikkitieteellinen käyttö

• Ultrasonicationia voidaan käyttää räjähtävissä ympäristöissä
  – puhdistus (esim. typpipeitto)
  – ei avointa pintaa
• Yksinkertainen puhdistus: itsepuhdistus (CIP – clean-in-place)
• Valitse haluamasi rakennusmateriaalit
  – lasi, ruostumaton teräs, titaani
  – ei pyörittiä tiivisteet
  – laaja valikoima tiivisteitä
• Ultraääniaitoja voidaan käyttää monenlaisissa lämpötiloissa
• Ultraääniaitoja voidaan käyttää monenlaisissa paineissa
• Synergistinen vaikutus muiden teknologioiden kanssa, kuten sähkökemia (sono-sähkökemia), katalyysi (sonokatalyysi), kiteytys (sono-kiteytys) jne.
• Sonikaatio on ihanteellinen bioreaktorien, kuten käymisen, parantamiseksi.
• Liukeneminen / liuotus: Liukenemisprosesseissa hiukkaset kulkevat faasista toiseen, esimerkiksi kun kiinteät hiukkaset liukenevat nesteeseen. On havaittu, että kiihtymyksen aste vaikuttaa prosessin nopeuteen. Monet pienet kiteet liukenevat paljon nopeammin ultraäänikavitaatiossa kuin perinteisesti sekoitetuissa eräreaktoreissa. Tässäkin syy erilaisiin nopeuksiin on hiukkaspintojen erilaiset massansiirtonopeudet. Esimerkiksi ultrasonicationia käytetään onnistuneesti ylityydettyjen ratkaisujen luomiseen esimerkiksi kiteytysprosesseissa (sono-kiteytys).
• Ultraäänellä mainostettu kemiallinen uutto:
  – Nestemäinen kiinteys, esim.
  – Nestemäinen-neste: Kun ultraääni levitetään nesteen ja nesteen poistojärjestelmään, syntyy toisen vaiheen emulsio. Tämä emulsion muodostuminen johtaa faasien välisten epäsuhta-alueiden lisääntymiseen, mikä lisää faasien välistä massansiirtoa.

Miten sonikaatio parantaa kemiallisia reaktioita sekoitetuissa säiliöreaktoreissa?

• Suurempi kosketuspinta-ala: Heterogeenisten faasien realysaatteissa vain hiukkaset, jotka törmäävät toisiinsa rajapinnassa, voivat reagoida. Mitä suurempi liittymä, sitä enemmän törmäyksiä voi tapahtua. Koska aineen nestemäinen tai kiinteä osa hajoaa pienemmiksi pisaroiksi tai kiinteiksi hiukkasiksi, jotka on ripustettu jatkuvaan faasinesteeseen, tämän aineen pinta-ala kasvaa. Lisäksi koon pienenemisen seurauksena hiukkasten määrä kasvaa ja siksi näiden hiukkasten keskimääräinen etäisyys pienenee. Tämä parantaa jatkuvan vaiheen altistumista hajallaan oleville faalleille. Siksi reaktionopeus kasvaa hajontavaiheen pirstoutumisasteen mukana. Monet kemialliset reaktiot dispersioissa tai emulsikoissa osoittavat reaktionopeuden parantuvan voimakkaasti ultraäänihiukkaskoon pienenemisen seurauksena.
• Katalyysi (aktivointienergia): Katalyytit ovat erittäin tärkeitä monissa kemiallisissa reaktioissa, laboratoriokehityksessä ja teollisessa tuotannossa. Usein katalyytit ovat kiinteässä tai nestemäisessä faasissa ja ne ovat jäykiä yhden reatavun tai kaikkien realysaattorien kanssa. Siksi katalyysi on useimmiten heterogeeninen kemiallinen reaktio. Tärkeimpien peruskemikaalien, kuten rikkihapon, ammoniakin, typpihapon, eteenin ja metanolin, tuotannossa katalyytit ovat tärkeässä roolissa. Laajat ympäristöteknologian alueet perustuvat katalyyttisiin prosesseihin. Hiukkasten yhteentörmäys johtaa kemialliseen reaktioon eli atomien uudelleenryhmittelyyn vain, jos hiukkaset törmäävät riittävään kineettisen energian kanssa. Ultrasonication on erittäin tehokas keino lisätä kemian reaktoreiden kinetiikkaa. Heterogeenisessa katalyysiprosessissa ultraäänien lisäys kemialliseen reaktorisuunnitteluun voi alentaa katalyytin vaatimusta. Tämä voi johtaa vähemmän katalyyttien tai huonompien, vähemmän jalojen katalyyttien käyttöön.
• Suurempi kosketustiheys / parannettu massansiirto: Ultraäänisekoitus ja kiihtymys on erittäin tehokas menetelmä tuottaa minuuttipisaroja ja hiukkasia (eli submikroni- ja nanohiukkasia), jotka tarjoavat korkeamman aktiivisen pinnan reaktioille. Teho-ultraäänen aiheuttaman voimakkaan kiihtymyksen ja mikroliikkeen seurauksena hiukkasten välisen kosketuksen taajuus kasvaa huomattavasti, mikä johtaa merkittävästi parempaan muuntovauhtiin.
• Puristettu plasma: Monissa reaktioissa reaktorin lämpötilan 10 Kelvinin nousu aiheuttaa reaktion noin kaksinkertaisen. Ultraäänikavitaatio tuottaa nesteen sisällä paikallisia erittäin reaktiivisia hotspotteja, jotka ovat jopa 5000 000, ilman kemiallisen reaktorin kokonaisnestetilavuuden huomattavaa kuumentamista.
• lämpöenergia: Kaikki ultraäänienergia, jonka lisäät kemialliseen reaktorin suunnitteluun, muunnetaan lopulta lämpöenergiaksi. Siksi voit käyttää energiaa uudelleen kemialliseen prosessiin. Lämmityselementtien tai höyryn aiheuttaman lämpöenergian sijasta ultrasonication tuo prosessin, joka aktivoi mekaanista energiaa korkeataajuisen värähtelyn avulla. Kemiallisessa reaktorissa tämä tuottaa ultraäänikavitaatiota, joka aktivoi kemiallisen prosessin useilla tasoilla. Lopuksi kemikaalien valtava ultraäänivaivaus johtaa muuntautumiseen lämpöenergiaksi eli lämmöksi. Voit käyttää jäähdytykseen takollisia eräreaktoreita tai inline-reaktoreita, jotta kemiallisen reaktion prosessilämpötila pysyy vakiona.

Korkean suorituskyvyn ultraääniastiat parempiin kemiallisiin reaktioihin CSTR: ssä

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee korkean suorituskyvyn ultraäänihomygenisoijia ja dispergointiaineita integroimiseksi jatkuviin sekoitesäiliöreaktoreihin (CSTR). Hielscher-ultraääniä käytetään ympäri maailmaa kemiallisten reaktioiden edistämiseen, tehostamiseen, nopeuttamiseksi ja parantamiseksi.
Hielscher Ultrasonics’ ultraääniprosessorit ovat saatavana missä tahansa koossa pienistä laboratoriolaitteista suuriin teollisiin prosessoritteisiin virtauskemian sovelluksiin. Ultraääniammattudi (joka on tärkein parametri) antaa mahdollisuuden käyttää Hielscher-ultraäänisääntiöitä matalilla tai erittäin korkeilla amplitudilla ja hienosäätää amplitudi täsmälleen 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 on kytketty päälle.
Prosessien valvonta ja tietojen tallentaminen ovat tärkeitä prosessien jatkuvan standardoinnin ja tuotteiden laadun kannalta. Kun käytät automaattisesti tallennettuja prosessitietoja, voit muuttaa aiempia sonikaatioajoja ja arvioida tuloksia.
Toinen käyttäjäystävällinen ominaisuus on digitaalisten ultraäänijärjestelmiemme selaimen kaukosäädin. Etäselaimen ohjaimella voit käynnistää, pysäyttää, säätää ja seurata ultraääniprosessoriasi etänä mistä tahansa.
Ota meihin yhteyttä nyt, niin saat lisätietoja suorituskykyisistä ultraäänihomygenisaattoreistamme, jotka voivat parantaa jatkuvasti sekoitettua säiliöreaktoriasi (CSTR)!
Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: