Réacteurs à agitation continue agités par ultrasons

Les réacteurs à agitation continue (CSTR) sont largement utilisés pour diverses réactions chimiques, notamment la catalyse, la chimie des émulsions, la polymérisation, la synthèse, l'extraction et la cristallisation. La lenteur de la cinétique de réaction est un problème courant dans les CSTR, qui peut être facilement surmonté par l'application de l'ultrasonication. Le mélange intense, l'agitation et les effets sonochimiques des ultrasons de puissance accélèrent la cinétique de la réaction et améliorent considérablement le taux de conversion. Les ultrasons peuvent être facilement intégrés dans les CSTR de tout volume.

Pourquoi appliquer les ultrasons de puissance à un réacteur à agitation continue ?

Un réacteur à cuve agitée en continu (CSTR, ou simplement réacteur à cuve agitée (STR)) est, dans ses principales caractéristiques, assez similaire au réacteur discontinu. La principale différence réside dans le fait que, dans le cas d'un réacteur à cuve agitée en continu (CSTR), l'alimentation en matière doit être assurée par un flux continu à l'entrée et à la sortie du réacteur. L'alimentation du réacteur peut se faire par gravité ou par circulation forcée à l'aide d'une pompe. Le CSTR est parfois appelé réacteur à contre-courant (BMR).
Les CSTR sont couramment utilisés lorsqu'il est nécessaire d'agiter deux liquides ou plus. Les CSTR peuvent être utilisés comme réacteur unique ou être installés dans une série de configurations pour différents flux de concentration et étapes de réaction. Outre l'utilisation d'un réacteur à réservoir unique, l'installation en série de plusieurs réservoirs (l'un après l'autre) ou la configuration en cascade sont couramment utilisées.
Pourquoi l'ultrasonication ? Le mélange et l'agitation ultrasoniques ainsi que les effets sonochimiques des ultrasons de puissance sont bien connus pour contribuer à l'efficacité des réactions chimiques. L'amélioration du mélange et la réduction de la taille des particules grâce aux vibrations ultrasoniques et à la cavitation accélèrent considérablement la cinétique et améliorent le taux de conversion. Les effets sonochimiques peuvent fournir l'énergie nécessaire pour initier des réactions chimiques, changer de voie chimique et donner des rendements plus élevés grâce à une réaction plus complète.

Le CSTR intensifié par ultrasons peut être utilisé pour des applications telles que

• Réactions hétérogènes liquide-liquide
• Réactions hétérogènes solide-liquide
• Réactions homogènes en phase liquide
• Réactions hétérogènes gaz-liquide
• Réactions hétérogènes gaz-solide-liquide

L'ultrasonication comme système chimique synthétique à grande vitesse

La chimie de synthèse à grande vitesse est une nouvelle technique de réaction utilisée pour initier et intensifier la synthèse chimique. Par rapport aux voies de réaction traditionnelles, qui nécessitent plusieurs heures ou jours sous reflux, les réacteurs de synthèse à ultrasons peuvent réduire la durée de la réaction à quelques minutes, ce qui permet d'accélérer considérablement la réaction de synthèse. L'intensification de la synthèse par ultrasons est basée sur le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique et de ses forces connexes, y compris la surchauffe localement confinée. Pour en savoir plus sur les ultrasons, la cavitation acoustique et la sonochimie, voir la section suivante.

Cavitation ultrasonique et ses effets sonochimiques

La cavitation ultrasonique (ou acoustique) se produit lorsque des ultrasons de puissance sont couplés à des liquides ou à des boues. La cavitation est la transition d'une phase liquide à une phase vapeur, qui se produit en raison d'une chute de pression jusqu'au niveau de la tension de vapeur du fluide.
La cavitation ultrasonique crée des forces de cisaillement très élevées et des jets de liquide pouvant atteindre 1000m/s. Ces jets de liquide accélèrent les particules et provoquent des collisions interparticulaires, réduisant ainsi la taille des particules solides et des gouttelettes. En outre – localisée à l'intérieur et à proximité immédiate de la bulle de cavitation en implosion – des pressions extrêmement élevées, de l'ordre de centaines d'atmosphères, et des températures de l'ordre de milliers de degrés Kelvin sont générées.
Bien que l'ultrasonication soit une méthode de traitement purement mécanique, elle peut produire une augmentation de température extrême localement confinée. Cela est dû aux forces intenses générées à l'intérieur et à proximité des bulles de cavitation qui s'effondrent, où des températures de plusieurs milliers de degrés Celsius peuvent facilement être atteintes. Dans la solution en vrac, l'augmentation de température résultant de l'implosion d'une seule bulle est presque négligeable, mais la dissipation de chaleur de nombreuses bulles de cavitation, telle qu'observée dans les points chauds de cavitation (générés par la sonication avec des ultrasons de forte puissance), peut finalement provoquer une augmentation mesurable de la température en vrac. L'avantage de la sonication et de la sonochimie réside dans les effets contrôlables de la température pendant le traitement : Le contrôle de la température de la solution en vrac peut être réalisé en utilisant des réservoirs avec des chemises de refroidissement ainsi que la sonication pulsée. Les ultrasons sophistiqués de Hielscher Ultrasonics peuvent interrompre les ultrasons lorsqu'une limite de température supérieure est atteinte et poursuivre l'ultrasonication dès que la valeur inférieure d'un ∆T défini est atteinte. Ceci est particulièrement important lorsque des réactifs sensibles à la chaleur sont utilisés.

La sonochimie améliore la cinétique des réactions

Comme la sonication génère des vibrations intenses et de la cavitation, la cinétique chimique est affectée. La cinétique d'un système chimique est en étroite corrélation avec l'expansion et l'implosion des bulles de cavitation, ce qui a un impact significatif sur la dynamique du mouvement des bulles. Les gaz dissous dans la solution de réaction chimique affectent les caractéristiques d'une réaction sonochimique par des effets thermiques et chimiques. Les effets thermiques influencent les températures maximales atteintes lors de l'effondrement des bulles dans le vide de cavitation ; les effets chimiques modifient les effets des gaz qui sont directement impliqués dans une réaction.
Les réactions hétérogènes et homogènes à cinétique lente, y compris les réactions de couplage de Suzuki, la précipitation, la cristallisation et la chimie des émulsions sont prédestinées à être initiées et favorisées par les ultrasons de puissance et leurs effets sonochimiques.
Par exemple, pour la synthèse de l'acide férulique, la sonication à basse fréquence (20kHz) à une puissance de 180 W a donné un rendement de 94% d'acide férulique à 60°C en 3 h. Ces résultats de Truong et al. (2018) démontrent que l'utilisation de la basse fréquence (type cornet et irradiation à haute puissance) a permis d'améliorer le taux de conversion de manière significative en donnant des rendements supérieurs à 90%.

Chimie des émulsions intensifiées par ultrasons

Les réactions hétérogènes telles que la chimie des émulsions bénéficient considérablement de l'application des ultrasons de puissance. La cavitation ultrasonique diminue et distribue les gouttelettes de chaque phase de manière homogène, créant ainsi une émulsion de taille inférieure au micron ou une nano-émulsion. Étant donné que les gouttelettes de taille nanométrique offrent une surface d'interaction considérablement accrue avec d'autres gouttelettes, le transfert de masse et la vitesse de réaction s'en trouvent considérablement améliorés. Sous sonication, les réactions connues pour leur cinétique généralement lente présentent des taux de conversion considérablement améliorés, des rendements plus élevés, moins de sous-produits ou de déchets et une meilleure efficacité globale. La chimie des émulsions améliorée par ultrasons est souvent appliquée à la polymérisation des émulsions, par exemple pour produire des mélanges de polymères, des adhésifs à base d'eau et des polymères spéciaux.

10 choses à savoir avant d'acheter un réacteur chimique

Lorsque vous choisissez un réacteur chimique pour un procédé chimique, de nombreux facteurs influencent la conception optimale du réacteur chimique. Si votre procédé chimique implique des réactions chimiques hétérogènes et multiphases et que la cinétique de réaction est lente, l'agitation du réacteur et l'activation du procédé sont des facteurs d'influence essentiels pour une conversion chimique réussie et pour les coûts économiques (d'exploitation) du réacteur chimique.
Les ultrasons améliorent considérablement la cinétique des réactions chimiques liquide-liquide et liquide-solide dans les réacteurs chimiques discontinus et les cuves de réaction en ligne. L'intégration de sondes ultrasoniques dans un réacteur chimique peut donc réduire les coûts du réacteur et améliorer l'efficacité globale et la qualité du produit final.
Très souvent, l'ingénierie des réacteurs chimiques manque de connaissances sur l'amélioration des processus assistée par ultrasons. Sans une connaissance approfondie de l'influence des ultrasons de puissance, de l'agitation ultrasonique, de la cavitation acoustique et des effets sonochimiques sur les performances des réacteurs chimiques, l'analyse des réacteurs chimiques et les principes de conception conventionnels ne peuvent produire que des résultats médiocres. Vous trouverez ci-dessous un aperçu des avantages fondamentaux des ultrasons pour la conception et l'optimisation des réacteurs chimiques.

Les avantages du réacteur à agitation continue (CSTR) intensifié par ultrasons

• • Réacteurs améliorés par ultrasons pour le laboratoire et la production :
    Évolutivité aisée : Les processeurs à ultrasons sont facilement disponibles pour les laboratoires, les projets pilotes et la production à grande échelle.
    Reproductible / répétable les résultats obtenus grâce à des paramètres ultrasoniques contrôlables avec précision
    Capacité et vitesse de réactionles réactions intensifiées par ultrasons sont plus rapides et donc plus économiques (coûts moins élevés)
  • La sonochimie peut être utilisée à des fins générales ou spéciales.

– adaptabilité & la polyvalence, par exemple les possibilités d'installation et de configuration flexibles et l'utilisation interdisciplinaire

• L'ultrasonication peut être utilisée dans des environnements explosifs
  – purge (par exemple, couverture d'azote)
  – pas de surface ouverte
• Nettoyage simple : autonettoyage (CIP) – nettoyer en place)
• Choisissez vos matériaux de construction préférés
  – verre, acier inoxydable, titane
  – pas de joints tournants
  – large choix de produits d'étanchéité
• Les ultrasons peuvent être utilisés dans une large gamme de températures
• Les ultrasons peuvent être utilisés à une large gamme de pressions
• Effet synergique avec d'autres technologies, par exemple l'électrochimie (sono-électrochimie), la catalyse (sono-catalyse), la cristallisation (sono-cristallisation), etc.
• La sonication est idéale pour améliorer les bioréacteurs, par exemple pour la fermentation.
• Dissolution / Dissolution : Dans les processus de dissolution, les particules passent d'une phase à l'autre, par exemple lorsque des particules solides se dissolvent dans un liquide. On constate que le degré d'agitation influe sur la vitesse du processus. De nombreux petits cristaux se dissolvent beaucoup plus rapidement sous cavitation ultrasonique que dans des réacteurs discontinus agités de manière conventionnelle. Ici aussi, les différences de vitesse s'expliquent par les différents taux de transfert de masse à la surface des particules. Les ultrasons sont utilisés avec succès pour créer des solutions sursaturées, par exemple dans les processus de cristallisation (sono-cristallisation).
• Extraction chimique favorisée par les ultrasons :
  – Liquide-solide, par exemple extraction botanique, extraction chimique
  – Liquide-liquide : Lorsque des ultrasons sont appliqués à un système d'extraction liquide-liquide, une émulsion de l'une des phases dans l'autre est créée. Cette formation d'émulsion entraîne une augmentation des zones interfaciales entre les deux phases non miscibles, ce qui augmente le flux de transfert de masse entre les phases.

Comment la sonication améliore-t-elle les réactions chimiques dans les réacteurs à cuve agitée ?

• Surface de contact plus importante : Dans les réactions entre réactifs dans des phases hétérogènes, seules les particules qui entrent en collision les unes avec les autres à l'interface peuvent réagir. Plus l'interface est grande, plus les collisions sont nombreuses. Lorsqu'une partie liquide ou solide d'une substance est fragmentée en gouttelettes plus petites ou en particules solides en suspension dans un liquide en phase continue, la surface de cette substance augmente. En outre, du fait de la réduction de la taille, le nombre de particules augmente et, par conséquent, la distance moyenne entre ces particules diminue. Cela améliore l'exposition de la phase continue à la phase dispersée. Par conséquent, la vitesse de réaction augmente avec le degré de fragmentation de la phase dispersée. De nombreuses réactions chimiques dans des dispersions ou des émulsions montrent des améliorations drastiques de la vitesse de réaction grâce à la réduction ultrasonique de la taille des particules.
• Catalyse (énergie d'activation) : Les catalyseurs sont d'une grande importance dans de nombreuses réactions chimiques, dans le développement des laboratoires et dans la production industrielle. Les catalyseurs sont souvent en phase solide ou liquide et ne sont pas miscibles avec un ou tous les réactifs. Par conséquent, la catalyse est le plus souvent une réaction chimique hétérogène. Les catalyseurs jouent un rôle important dans la production des principaux produits chimiques de base tels que l'acide sulfurique, l'ammoniac, l'acide nitrique, l'éthène et le méthanol. De vastes domaines de la technologie environnementale sont basés sur des processus catalytiques. La collision de particules entraîne une réaction chimique, c'est-à-dire un regroupement d'atomes, uniquement si les particules entrent en collision avec une énergie cinétique suffisante. Les ultrasons sont un moyen très efficace d'augmenter la cinétique dans les réacteurs chimiques. Dans un processus de catalyse hétérogène, l'ajout d'ultrasons à la conception d'un réacteur chimique peut réduire la nécessité d'un catalyseur. Cela peut se traduire par l'utilisation d'une quantité moindre de catalyseur ou de catalyseurs de qualité inférieure, moins nobles.
• Fréquence de contact plus élevée / Amélioration du transfert de masse : Le mélange et l'agitation par ultrasons constituent une méthode très efficace pour générer des gouttelettes et des particules minuscules (c'est-à-dire des particules submicroniques et nanométriques), qui offrent une surface active plus élevée pour les réactions. Sous l'effet de l'agitation intense et des micro-mouvements provoqués par les ultrasons de puissance, la fréquence de contact entre les particules est considérablement augmentée, ce qui se traduit par un taux de conversion nettement plus élevé.
• Plasma comprimé : Pour de nombreuses réactions, une augmentation de 10 kelvins de la température du réacteur entraîne un doublement de la vitesse de réaction. La cavitation ultrasonique produit des points chauds localisés hautement réactifs pouvant atteindre 5 000 K dans le liquide, sans chauffage substantiel du volume global du liquide dans le réacteur chimique.
• L'énergie thermique : Toute énergie ultrasonique ajoutée à la conception d'un réacteur chimique sera finalement convertie en énergie thermique. Vous pouvez donc réutiliser cette énergie pour le processus chimique. Au lieu d'un apport d'énergie thermique par des éléments chauffants ou de la vapeur, l'ultrasonication introduit un processus activant l'énergie mécanique au moyen de vibrations à haute fréquence. Dans le réacteur chimique, cela produit une cavitation ultrasonique qui active le processus chimique à plusieurs niveaux. Enfin, l'immense cisaillement ultrasonique des produits chimiques entraîne la conversion en énergie thermique, c'est-à-dire en chaleur. Vous pouvez utiliser des réacteurs discontinus à double enveloppe ou des réacteurs en ligne pour le refroidissement afin de maintenir une température constante pour votre réaction chimique.

Ultrasons haute performance pour améliorer les réactions chimiques dans les CSTR

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des homogénéisateurs et des disperseurs ultrasoniques de haute performance destinés à être intégrés dans des réacteurs à agitation continue (CSTR). Les ultrasons Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour promouvoir, intensifier, accélérer et améliorer les réactions chimiques.
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs à ultrasons Hielscher sont disponibles dans toutes les tailles, des petits appareils de laboratoire aux grands processeurs industriels pour les applications de chimie de flux. Le réglage précis de l'amplitude ultrasonique (qui est le paramètre le plus important) permet de faire fonctionner les ultrasons Hielscher à des amplitudes faibles à très élevées et d'ajuster précisément l'amplitude aux conditions ultrasoniques requises pour le système de réaction chimique spécifique.
Les générateurs d'ultrasons Hielscher sont dotés d'un logiciel intelligent avec enregistrement automatique des données. Tous les paramètres de traitement importants, tels que l'énergie ultrasonique, la température, la pression et le temps, sont automatiquement enregistrés sur une carte SD intégrée dès que l'appareil est mis en marche.
La surveillance du processus et l'enregistrement des données sont importants pour la normalisation continue du processus et la qualité du produit. En accédant aux données de processus enregistrées automatiquement, vous pouvez réviser les cycles de sonication précédents et en évaluer les résultats.
Une autre fonction conviviale est la commande à distance par navigateur de nos systèmes numériques à ultrasons. Grâce à la commande à distance par navigateur, vous pouvez démarrer, arrêter, régler et surveiller votre processeur à ultrasons à distance, où que vous soyez.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :