Ultraäänellä sekoitettavat jatkuvatoimiset sekoitussäiliöreaktorit

Jatkuvatoimisia sekoitussäiliöreaktoreita (CSTR) käytetään laajasti erilaisissa kemiallisissa reaktioissa, kuten katalyysissä, emulsiokemiassa, polymeroinnissa, synteesissä, uutossa ja kiteytyksessä. Hidas reaktiokinetiikka on yleinen ongelma CSTR-reaktoreissa, ja se voidaan helposti ratkaista tehokkaalla ultraäänikäsittelyllä. Tehoultraäänen voimakas sekoitus ja sonokemialliset vaikutukset nopeuttavat reaktiokinetiikkaa ja parantavat konversioastetta merkittävästi. Ultraäänilaitteet voidaan helposti integroida minkä tahansa tilavuuden CSTR-reaktoreihin.

Miksi jatkuvatoimisessa sekoitussäiliöreaktorissa kannattaa käyttää tehoultraääntä?

Jatkuvatoiminen sekoitussäiliöreaktori (CSTR, tai yksinkertaisesti sekoitussäiliöreaktori (STR)) on keskeisiltä ominaisuuksiltaan melko samanlainen kuin panosreaktori. Merkittävin ero on se, että jatkuvatoimisessa sekoitussäiliöreaktorissa (CSTR) materiaalin syötön reaktoriin ja poiston reaktorista on tapahduttava jatkuvana virtauksena. Reaktorin syöttö voidaan toteuttaa painovoimaisella virtauksella tai pumpun tuottamalla pakkokiertovirtauksella. CSTR-reaktoria kutsutaan joskus takaisin sekoittuvaksi virtausreaktoriksi (BMR).
CSTR-reaktoreita käytetään yleisesti, kun on sekoitettava kahta tai useampaa nestettä. CSTR-reaktoreita voidaan käyttää yksittäisinä reaktoreina tai asentaa sarjaan erilaisiksi kokoonpanoiksi eri pitoisuuksisten virtojen ja reaktiovaiheiden käsittelyyn. Yksittäisen säiliöreaktorin lisäksi käytetään yleisesti useiden säiliöiden sarja-asennusta (säiliöt peräkkäin) tai kaskadikokoonpanoa.
Miksi ultraäänikäsittely? Ultraäänisekoituksen sekä tehoultraäänen sonokemiallisten vaikutusten tiedetään hyvin edistävän kemiallisten reaktioiden tehokkuutta. Ultraäänivärähtelyjen ja kavitaation aikaansaama parempi sekoittuminen ja hiukkaskoon pienentyminen nopeuttavat reaktiokinetiikkaa merkittävästi ja parantavat konversioastetta. Sonokemialliset vaikutukset voivat tuottaa kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen tarvittavan energian, muuttaa reaktioreittejä ja parantaa saantoa reaktion edetessä täydellisemmin.

Ultraäänellä tehostettuja CSTR-reaktoreita voidaan käyttää esimerkiksi seuraavissa sovelluksissa:

• Heterogeeniset neste–neste-reaktiot
• Heterogeeniset kiinteä aine–neste-reaktiot
• Homogeeniset nestefaasireaktiot
• Heterogeeniset kaasu–neste-reaktiot
• Heterogeeniset kaasu–kiinteä aine–neste-reaktiot

Ultraäänikäsittely nopean kemiallisen synteesin järjestelmänä

Nopea synteesikemia on uusi reaktiotekniikka, jota käytetään kemiallisen synteesin käynnistämiseen ja tehostamiseen. Perinteisiin reaktioreitteihin verrattuna, jotka vaativat useita tunteja tai päiviä palautusjäähdytyksessä, ultraäänellä tehostetut synteesireaktorit voivat lyhentää reaktion keston muutamaan minuuttiin ja nopeuttaa näin synteesireaktiota merkittävästi. Synteesin tehostaminen ultraäänellä perustuu akustisen kavitaation toimintaperiaatteeseen ja siihen liittyviin voimiin, mukaan lukien paikallisesti rajautuva ylikuumeneminen. Lue lisää ultraäänestä, akustisesta kavitaatiosta ja sonokemiasta seuraavassa osiossa.

Ultraäänikavitaatio ja sen sonokemialliset vaikutukset

Ultraäänikavitaatiota (eli akustista kavitaatiota) syntyy, kun tehoultraääntä kytketään nesteisiin tai lietteisiin. Kavitaatio on siirtymä nestefaasista höyryfaasiin, joka tapahtuu paineen laskiessa nesteen höyrynpaineen tasolle.
Ultraäänikavitaatio synnyttää erittäin suuria leikkausvoimia ja nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 1 000 m/s. Nämä nestesuihkut kiihdyttävät hiukkasia ja aiheuttavat hiukkasten välisiä törmäyksiä, mikä pienentää kiinteiden aineiden hiukkaskokoa ja pisaroiden kokoa. Lisäksi kokoon luhistuvan kavitaatiokuplan sisällä ja sen välittömässä läheisyydessä syntyy paikallisesti erittäin suuria, satojen ilmakehien suuruusluokan paineita ja tuhansien kelvinasteiden suuruusluokan lämpötiloja.
Vaikka ultraäänikäsittely on puhtaasti mekaaninen käsittelymenetelmä, se voi aiheuttaa paikallisesti rajautuvan äärimmäisen lämpötilan nousun. Tämä johtuu voimakkaista voimista, jotka syntyvät luhistuvien kavitaatiokuplien sisällä ja niiden välittömässä läheisyydessä, missä voidaan helposti saavuttaa useiden tuhansien celsiusasteiden lämpötiloja. Liuoksen kokonaismassassa yksittäisen kuplan luhistumisesta aiheutuva lämpötilan nousu on lähes merkityksetön, mutta lukuisista kavitaatiokuplista vapautuva lämpö, jota havaitaan kavitaation kuumissa pisteissä (joita syntyy suuritehoisessa ultraäänikäsittelyssä), voi lopulta aiheuttaa mitattavan nousun kokonaismassan lämpötilassa. Ultraäänikäsittelyn ja sonokemian etuna ovat hallittavat lämpötilavaikutukset käsittelyn aikana: liuoksen kokonaismassan lämpötilaa voidaan hallita jäähdytysvaipallisilla säiliöillä sekä pulssitetulla ultraäänikäsittelyllä. Hielscher Ultrasonicsin kehittyneet ultraäänilaitteet voivat keskeyttää ultraäänen, kun lämpötilan yläraja saavutetaan, ja jatkaa ultraäänikäsittelyä heti, kun asetetun ∆T:n alempi arvo saavutetaan. Tämä on erityisen tärkeää käytettäessä lämpöherkkiä reaktantteja.

Sonokemia parantaa reaktiokinetiikkaa

Koska ultraäänikäsittely synnyttää voimakkaita värähtelyjä ja kavitaatiota, se vaikuttaa kemialliseen kinetiikkaan. Kemiallisen järjestelmän kinetiikka korreloi läheisesti kavitaatiokuplan laajenemisen ja luhistumisen kanssa ja vaikuttaa siten merkittävästi kuplan liikkeen dynamiikkaan. Kemialliseen reaktioliuokseen liuenneet kaasut vaikuttavat sonokemiallisen reaktion ominaisuuksiin sekä lämpövaikutusten että kemiallisten vaikutusten kautta. Lämpövaikutukset vaikuttavat huippulämpötiloihin, jotka saavutetaan kuplan luhistuessa kavitaatio-ontelossa; kemialliset vaikutukset muuttavat reaktioon suoraan osallistuvien kaasujen vaikutuksia.
Heterogeeniset ja homogeeniset reaktiot, joiden reaktiokinetiikka on hidas, kuten Suzuki-kytkentäreaktiot, saostuminen, kiteytyminen ja emulsiokemian reaktiot, soveltuvat erityisen hyvin käynnistettäviksi ja edistettäviksi tehoultraäänellä ja sen sonokemiallisilla vaikutuksilla.
Esimerkiksi ferulahapon synteesissä matalataajuinen (20 kHz) ultraäänikäsittely 180 W:n teholla tuotti 94 %:n ferulahapposaannon 60 °C:ssa 3 h:ssa. Nämä Truongin ym. (2018) tulokset osoittavat, että matalan taajuuden käyttö (torvityyppinen ultraäänilaite ja suuritehoinen säteilytys) paransi konversioastetta merkittävästi ja tuotti yli 90 %:n saantoja.

Ultraäänellä tehostettu emulsiokemia

Heterogeeniset reaktiot, kuten emulsiokemian reaktiot, hyötyvät merkittävästi tehoultraäänen käytöstä. Ultraäänikavitaatio pienentää kunkin faasin pisaroita ja jakaa ne tasaisesti toiseen faasiin, jolloin syntyy alle mikrometrin pisaroista koostuva emulsio tai nanoemulsio. Koska nanokokoisilla pisaroilla on huomattavasti suurempi pinta-ala vuorovaikutukseen muiden pisaroiden kanssa, aineensiirto ja reaktionopeus paranevat merkittävästi. Ultraäänikäsittelyssä reaktiot, jotka tunnetaan tyypillisesti hitaasta kinetiikastaan, saavuttavat huomattavasti parempia konversioasteita, suurempia saantoja, vähemmän sivutuotteita tai jätettä ja paremman kokonaistehokkuuden. Ultraäänellä tehostettua emulsiokemiaa käytetään usein emulsiopolymeroinnissa esimerkiksi polymeeriseosten, vesipohjaisten liimojen ja erikoispolymeerien valmistukseen.

10 asiaa, jotka sinun tulisi tietää ennen kemiallisen reaktorin ostamista

Kun valitset kemialliseen prosessiin kemiallista reaktoria, monet tekijät vaikuttavat optimaaliseen reaktorisuunnitteluun. Jos kemialliseen prosessiisi kuuluu monifaasisia, heterogeenisiä kemiallisia reaktioita ja sen reaktiokinetiikka on hidas, reaktorin sekoitus ja prosessin aktivointi ovat olennaisia tekijöitä onnistuneen kemiallisen konversion ja reaktorin taloudellisten käyttökustannusten kannalta.
Ultraäänikäsittely parantaa neste–neste- ja neste–kiinteä aine -reaktioiden reaktiokinetiikkaa merkittävästi kemiallisissa panosreaktoreissa ja läpivirtausreaktioastioissa. Siksi ultraäänianturien integrointi kemialliseen reaktoriin voi alentaa reaktorikustannuksia sekä parantaa kokonaistehokkuutta ja lopputuotteen laatua.
Kemiallisten reaktoreiden suunnittelussa puuttuu hyvin usein tietoa prosessin tehostamisesta ultraäänellä. Ilman perusteellista tietoa tehoultraäänen, ultraäänisekoituksen, akustisen kavitaation ja sonokemiallisten vaikutusten merkityksestä kemiallisen reaktorin suorituskyvylle kemiallisen reaktorin analysointi ja perinteiset suunnitteluperiaatteet voivat tuottaa vain heikompia tuloksia. Seuraavassa esitetään yleiskatsaus ultraäänen keskeisiin hyötyihin kemiallisten reaktoreiden suunnittelussa ja optimoinnissa.

Ultraäänellä tehostetun jatkuvatoimisen sekoitussäiliöreaktorin (CSTR) edut

• • Ultraäänellä tehostetut reaktorit laboratorioon ja tuotantoon:
    Helppo skaalattavuus: Ultraääniprosessoreita on helposti saatavilla laboratoriomittakaavaan, pilot-mittakaavaan ja suuren mittakaavan tuotantoon
    Uusittavat / toistettavat tulokset tarkasti hallittavien ultraääniparametrien ansiosta
    Kapasiteetti ja reaktionopeus: ultraäänellä tehostetut reaktiot ovat nopeampia ja siten taloudellisempia (pienemmät kustannukset)
  • Sonokemia soveltuu sekä yleisiin että erityisiin käyttötarkoituksiin

– mukautuvuus ja monipuolisuus, esim. joustavat asennus- ja kokoonpanovaihtoehdot sekä monitieteinen käyttö

• Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää räjähdysvaarallisissa ympäristöissä
  – kaasuhuuhtelu (esim. typpipeite)
  – ei avointa pintaa
• Helppo puhdistus: itsepuhdistus (CIP – puhdistus paikallaan)
• Valitse haluamasi rakennemateriaalit
  – lasi, ruostumaton teräs, titaani
  – ei pyörivien osien tiivisteitä
  – laaja valikoima tiivistysaineita
• Ultraäänilaitteita voidaan käyttää laajalla lämpötila-alueella
• Ultraäänilaitteita voidaan käyttää laajalla painealueella
• Synerginen vaikutus muiden teknologioiden kanssa, esim. sähkökemia (sonosähkökemia), katalyysi (sonokatalyysi), kiteytys (sonokiteytys) jne.
• Ultraäänikäsittely sopii erinomaisesti bioreaktorien toiminnan, esimerkiksi fermentoinnin, tehostamiseen.
• Liukeneminen / liuottaminen: liukenemisprosesseissa hiukkaset siirtyvät faasista toiseen, esimerkiksi kiinteiden hiukkasten liuetessa nesteeseen. Sekoittumisen voimakkuuden on havaittu vaikuttavan prosessin nopeuteen. Monet pienet kiteet liukenevat ultraäänikavitaatiossa paljon nopeammin kuin yksi kide perinteisesti sekoitetuissa panosreaktoreissa. Tässäkin nopeuserojen syy on hiukkasten pinnoilla tapahtuvan aineensiirron nopeuksien eroissa. Ultraäänikäsittelyä käytetään esimerkiksi onnistuneesti ylikylläisten liuosten valmistamiseen muun muassa kiteytysprosesseissa (sonokiteytys).
• Ultraäänellä edistetty kemiallinen uutto:
  – Neste–kiinteä aine, esim. kasviuutto, kemiallinen uutto
  – Neste–neste: kun neste–neste-uuttojärjestelmään kohdistetaan ultraääntä, toinen faasi muodostaa emulsion toisessa faasissa. Emulsion muodostuminen suurentaa näiden kahden toisiinsa sekoittumattoman faasin välisiä rajapinta-aloja, mikä tehostaa faasien välistä aineensiirtovuota.

Miten ultraäänikäsittely parantaa kemiallisia reaktioita sekoitussäiliöreaktoreissa?

• Suurempi kosketuspinta-ala: Heterogeenisissä faaseissa olevien reaktanttien välisissä reaktioissa vain rajapinnalla toisiinsa törmäävät hiukkaset voivat reagoida. Mitä suurempi rajapinta on, sitä enemmän törmäyksiä voi tapahtua. Kun aineen nestemäinen tai kiinteä osa hajotetaan pienemmiksi pisaroiksi tai kiinteiksi hiukkasiksi, jotka ovat suspendoituneet jatkuvan faasin nesteeseen, tämän aineen pinta-ala kasvaa. Lisäksi koon pienentyessä hiukkasten lukumäärä kasvaa ja niiden keskimääräinen välimatka siten pienenee. Tämä parantaa jatkuvan faasin kosketusta dispergoituneeseen faasiin. Siksi reaktionopeus kasvaa dispergoituneen faasin hienojakoisuuden lisääntyessä. Monien dispersioissa tai emulsioissa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden reaktionopeus paranee huomattavasti ultraäänellä aikaansaadun hiukkaskoon pienentämisen ansiosta.
• Katalyysi (aktivointienergia): Katalyytit ovat erittäin tärkeitä monissa kemiallisissa reaktioissa, laboratoriokehityksessä ja teollisessa tuotannossa. Katalyytit ovat usein kiinteässä tai nestemäisessä faasissa eivätkä sekoitu yhden tai kaikkien reaktanttien kanssa. Siksi katalyysi on useimmiten heterogeeninen kemiallinen reaktio. Katalyyteillä on tärkeä rooli tärkeimpien peruskemikaalien, kuten rikkihapon, ammoniakin, typpihapon, eteenin ja metanolin, tuotannossa. Laajat ympäristöteknologian osa-alueet perustuvat katalyyttisiin prosesseihin. Hiukkasten törmäys johtaa kemialliseen reaktioon eli atomien uudelleenjärjestymiseen vain, jos hiukkaset törmäävät riittävällä liike-energialla. Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas keino nopeuttaa kinetiikkaa kemiallisissa reaktoreissa. Heterogeenisessa katalyysiprosessissa ultraäänen sisällyttäminen kemiallisen reaktorin suunnitteluun voi vähentää katalyytin tarvetta. Tämä voi mahdollistaa pienemmän katalyyttimäärän tai heikompien, vähemmän jalojen katalyyttien käytön.
• Suurempi kosketustiheys / parempi aineensiirto: Ultraäänisekoitus on erittäin tehokas menetelmä hyvin pienten pisaroiden ja hiukkasten (eli alle mikrometrin kokoisten hiukkasten ja nanohiukkasten) tuottamiseen. Ne tarjoavat reaktioille suuremman aktiivisen pinta-alan. Tehoultraäänen aiheuttama voimakas lisäsekoitus ja mikroliike lisäävät hiukkasten välisten kosketusten tiheyttä huomattavasti, mikä parantaa konversioastetta merkittävästi.
• Puristettu plasma: Monissa reaktioissa reaktorin lämpötilan nousu 10 kelvinillä johtaa reaktionopeuden likimääräiseen kaksinkertaistumiseen. Ultraäänikavitaatio synnyttää nesteeseen paikallisia, erittäin reaktiivisia kuumia pisteitä, joiden lämpötila on jopa 5 000 K, ilman että kemiallisen reaktorin koko nestetilavuus lämpenee merkittävästi.
• Lämpöenergia: Kaikki kemialliseen reaktorijärjestelmään lisäämäsi ultraäänienergia muuttuu lopulta lämpöenergiaksi. Siksi voit hyödyntää energian uudelleen kemiallisessa prosessissa. Lämmityselementtien tai höyryn kautta tuodun lämpöenergian sijaan ultraäänikäsittely tuo prosessia aktivoivaa mekaanista energiaa suurtaajuisten värähtelyjen avulla. Kemiallisessa reaktorissa tämä synnyttää ultraäänikavitaatiota, joka aktivoi kemiallista prosessia useilla tasoilla. Lopulta kemikaaleihin kohdistuva erittäin voimakas ultraäänen aiheuttama leikkaus johtaa energian muuttumiseen lämpöenergiaksi eli lämmöksi. Voit käyttää jäähdytykseen vaipallisia panosreaktoreita tai läpivirtausreaktoreita, jotta kemiallisen reaktion prosessilämpötila pysyy vakiona.

Suorituskykyiset ultraäänilaitteet kemiallisten reaktioiden parantamiseen CSTR-reaktoreissa

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja toimittaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita ja dispergointilaitteita integroitaviksi jatkuvatoimisiin sekoitussäiliöreaktoreihin (CSTR). Hielscherin ultraäänilaitteita käytetään maailmanlaajuisesti kemiallisten reaktioiden edistämiseen, tehostamiseen, nopeuttamiseen ja parantamiseen.
Hielscher Ultrasonicsin ultraääniprosessoreita on saatavilla kaikissa kokoluokissa pienistä laboratoriolaitteista suuriin teollisiin prosessoreihin virtauskemian sovelluksia varten. Ultraäänen amplitudin (joka on tärkein parametri) tarkka säätö mahdollistaa Hielscherin ultraäänilaitteiden käytön matalilla ja erittäin korkeilla amplitudeilla sekä amplitudin hienosäädön täsmälleen kyseisen kemiallisen reaktiojärjestelmän edellyttämiin ultraääniprosessin olosuhteisiin.
Hielscherin ultraäänigeneraattorissa on älykäs ohjelmisto, jossa on automaattinen tietojen tallennus. Kaikki tärkeät käsittelyparametrit, kuten ultraäänienergia, lämpötila, paine ja aika, tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille heti, kun laite kytketään päälle.
Prosessin seuranta ja tietojen tallentaminen ovat tärkeitä jatkuvan prosessin standardoinnin ja tuotteen laadun kannalta. Automaattisesti tallennettujen prosessitietojen avulla voit tarkastella aiempia ultraäänikäsittelyjä ja arvioida tuloksia.
Toinen käyttäjäystävällinen ominaisuus on digitaalisten ultraäänijärjestelmiemme selainpohjainen etäohjaus. Selainpohjaisella etäohjauksella voit käynnistää, pysäyttää, säätää ja seurata ultraääniprosessoriasi etänä mistä tahansa.
Ota meihin yhteyttä nyt ja lue lisää siitä, miten suorituskykyiset ultraäänihomogenisaattorimme voivat parantaa jatkuvatoimisen sekoitussäiliöreaktorisi (CSTR) toimintaa!
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: