Réacteurs en cuve à agitation continue agités par ultrasons

Les réacteurs à réservoir 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 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 le Power-Ultrasound à un réacteur en cuve à agitation continue ?

Un réacteur à réservoir agité en continu (CSTR, ou simplement réacteur à réservoir agité (STR)) est, dans ses principales caractéristiques, assez semblable au réacteur discontinu. La principale différence réside dans le fait que, dans le cas d'un réacteur à réservoir agité en continu (CSTR), l'alimentation en matériau doit se faire en flux continu dans et hors 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 lorsque l'agitation de deux liquides ou plus est nécessaire. Les CSTR peuvent être utilisés comme réacteur unique ou être installés en série 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 par ultrasons 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 dues aux vibrations ultrasoniques et à la cavitation permettent d'accélérer considérablement la cinétique et d'améliorer le taux de conversion. Les effets sonochimiques peuvent fournir l'énergie nécessaire à l'initiation des réactions chimiques, au changement des voies chimiques et à l'obtention de rendements plus élevés grâce à une réaction plus complète.

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

• Réactions liquide-liquide hétérogènes
• 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 repose sur le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique et de ses forces connexes, notamment la surchauffe localement confinée. Pour en savoir plus sur les ultrasons, la cavitation acoustique et la sonochimie, consultez la section suivante.

La cavitation ultrasonique et ses effets sonochimiques

La cavitation ultrasonique (ou acoustique) se produit lorsque des ultrasons de puissance sont couplés à des liquides ou des boues. La cavitation est le passage 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 entre elles, réduisant ainsi la taille des particules de solides et de 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 élévation de température extrême localement confinée. Cela est dû aux forces intenses générées à l'intérieur et à proximité immédiate 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, comme on l'observe 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 l'ultrasonication et de la sonochimie réside dans les effets de température contrôlables pendant le traitement : Le contrôle de la température de la solution en vrac peut être obtenu en utilisant des cuves avec des chemises de refroidissement ainsi que la sonication pulsée. Les ultrasons sophistiqués de Hielscher Ultrasonics peuvent interrompre les ultrasons lorsqu'une limite supérieure de température est atteinte et poursuivre la sonication 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 et une cavitation intenses, la cinétique chimique est affectée. La cinétique d'un système chimique est étroitement liée à l'expansion et à 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 qui sont atteintes pendant 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 de réaction 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 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 amélioré le taux de conversion de manière significative 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 les unes dans les autres, créant ainsi une émulsion submicronique ou nanométrique. Comme les gouttelettes de taille nanométrique offrent une surface considérablement accrue pour interagir avec les autres gouttelettes, le transfert de masse et la vitesse de réaction sont 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 multiphases, hétérogènes et à cinétique de réaction 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 (opérationnels) 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. Par conséquent, l'intégration de sondes à ultrasons dans un réacteur chimique peut 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 inférieurs. 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 réservoir agité continu (CSTR) intensifié par ultrasons

• Réacteurs à ultrasons pour le laboratoire et la production :
  Évolutivité facile : Les appareils de traitement par ultrasons sont facilement disponibles pour les laboratoires, les projets pilotes et la production à grande échelle.
  Reproductible / répétable résultats dus à des paramètres ultrasoniques contrôlables avec précision
  Capacité et vitesse de réactionles réactions intensifiées par ultrasons sont plus rapides et donc plus économiques (coûts moindres).
• La sonochimie est applicable aussi bien à des fins générales que spéciales.

– adaptabilité & la polyvalence, par exemple la souplesse des options d'installation et de configuration et l'utilisation interdisciplinaire

• L'ultrasonication peut être utilisée dans des environnements explosifs
  – purge (par exemple, couverture d'azote)
  – aucune surface ouverte
• Nettoyage simple : auto-nettoyage (CIP) – nettoyage en place)
• Choisissez vos matériaux de construction préférés
  – verre, acier inoxydable, titane
  – pas de joints rotatifs
  – un large choix de produits d'étanchéité
• Les ultrasons peuvent être utilisés dans une large gamme de températures.
• Les ultrasons peuvent être utilisés dans 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 / Dissolving : 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 influence la vitesse du processus. De nombreux petits cristaux se dissolvent beaucoup plus rapidement sous cavitation ultrasonique que dans des réacteurs discontinus à agitation classique. Ici aussi, la raison des différentes vitesses réside dans les différents taux de transfert de masse à la surface des particules. Ainsi, l'ultrasonication est appliquée 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 d'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 améliore le flux de transfert de masse entre les phases.

Comment la sonication améliore-t-elle les réactions chimiques dans les réacteurs à réservoir agité ?

• Surface de contact plus grande : 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 peuvent être nombreuses. Lorsqu'une partie liquide ou solide d'une substance est brisée en gouttelettes plus petites ou en particules solides en suspension dans un liquide à phase continue, la surface de cette substance augmente. En outre, du fait de la réduction de 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 suite à la réduction de la taille des particules par ultrasons.
• 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 non miscibles avec un ou tous les réactifs. Par conséquent, le plus souvent, la catalyse est 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. Une collision de particules ne conduit à une réaction chimique, c'est-à-dire à un regroupement d'atomes, que si les particules entrent en collision avec une énergie cinétique suffisante. L'ultrasonication est 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 inférieurs, moins nobles.
• Fréquence de contact plus élevée / Amélioration du transfert de masse : Le mélange et l'agitation par ultrasons sont 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 importante pour les réactions. Sous l'effet de l'agitation intense et des micro-mouvements provoqués par les ultrasons, la fréquence des contacts entre les particules est considérablement augmentée, ce qui se traduit par un taux de conversion nettement supérieur.
• Du plasma comprimé : Pour de nombreuses réactions, une augmentation de 10 kelvins de la température du réacteur entraîne un doublement approximatif de la vitesse de réaction. La cavitation ultrasonique produit des points chauds localisés très réactifs, jusqu'à 5000 K, dans le liquide, sans chauffer de manière substantielle le volume global du liquide dans le réacteur chimique.
• L'énergie thermique : Toute énergie ultrasonique que vous ajoutez 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 batch 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 l'amélioration des réactions chimiques dans les CSTR

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des homogénéisateurs et des disperseurs à ultrasons de haute performance destinés à être intégrés dans des réacteurs à réservoir agité en continu (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 des ultrasons (qui est le paramètre le plus important) permet de faire fonctionner les appareils à ultrasons Hielscher à des amplitudes faibles ou très élevées et d'adapter exactement l'amplitude aux conditions de traitement par ultrasons requises pour le système de réaction chimique spécifique.
Les générateurs d'ultrasons Hielscher sont équipés d'un logiciel intelligent avec enregistrement automatique des données. Tous les paramètres de traitement importants tels que l'énergie ultrasonore, la température, la pression et le temps sont automatiquement enregistrés sur une carte SD intégrée dès que l'appareil est allumé.
La surveillance des processus et l'enregistrement des données sont importants pour la normalisation continue des processus et la qualité des produits. En accédant aux données de processus enregistrées automatiquement, vous pouvez réviser les cycles de sonication précédents et évaluer le résultat.
Une autre caractéristique conviviale est la télécommande par navigateur de nos systèmes numériques à ultrasons. Grâce à la télécommande 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 ultrasonicators: