Réacteurs à cuve agitée en continu avec agitation par ultrasons

Les réacteurs à cuve agitée en continu (CSTR) sont largement utilisés pour diverses réactions chimiques, notamment la catalyse, la chimie des émulsions, la polymérisation, la synthèse, l’extraction et la cristallisation. Une cinétique de réaction lente est un problème courant dans les CSTR, qui peut facilement être surmonté par l’application d’ultrasons de puissance. Le mélange intense, l’agitation et les effets sonochimiques des ultrasons de puissance accélèrent la cinétique de réaction et améliorent significativement le taux de conversion. Les ultrasoniseurs s’intègrent facilement dans des CSTR de tout volume.

Pourquoi appliquer des ultrasons de puissance à un réacteur à cuve agitée en continu ?

Un réacteur à cuve agitée en continu (CSTR, ou simplement réacteur à cuve agitée (STR)) est, dans ses caractéristiques principales, assez similaire au réacteur discontinu (batch). La différence majeure est que, dans la configuration du réacteur à cuve agitée en continu (CSTR), l’alimentation en matière doit être assurée en flux continu à l’entrée et à la sortie du réacteur. L’alimentation du réacteur peut se faire par écoulement gravitaire ou par circulation forcée au moyen d’une pompe. Le CSTR est parfois appelé réacteur à écoulement rétromélangé (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 selon une série de configurations pour différents flux de concentration et différentes étapes de réaction. Outre l’utilisation d’un réacteur à cuve unique, l’installation en série de plusieurs cuves (l’une après l’autre) ou le montage en cascade sont couramment utilisés.
Pourquoi la sonication ? 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 ultrasonores et à la cavitation permettent une cinétique nettement accélérée et un taux de conversion accru. Les effets sonochimiques peuvent fournir l’énergie nécessaire pour initier des réactions chimiques, modifier les voies chimiques et donner des rendements plus élevés grâce à une réaction plus complète.

Les CSTR intensifiés par ultrasons peuvent être utilisés 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

La sonication comme système de chimie de synthèse à haute vitesse

La chimie de synthèse à haute vitesse est une technique de réaction novatrice 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 assistés par ultrasons peuvent réduire la durée de réaction à quelques minutes, ce qui se traduit par une réaction de synthèse nettement accélérée. L’intensification de la synthèse par ultrasons repose sur le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique et des forces qui lui sont associées, y compris une surchauffe localement confinée. Pour en savoir plus sur les ultrasons, la cavitation acoustique et la sonochimie, consultez la section suivante.

La cavitation ultrasonore et ses effets sonochimiques

La cavitation ultrasonore (ou acoustique) se produit lorsque des ultrasons de puissance sont couplés dans des liquides ou des suspensions. La cavitation est la transition d’une phase liquide vers 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 ultrasonore génère des forces de cisaillement très élevées et des jets de liquide atteignant jusqu’à 1000m/s. Ces jets de liquide accélèrent les particules et provoquent des collisions interparticulaires, réduisant ainsi la taille des particules de solides et des gouttelettes. De plus – localement, à l’intérieur et à proximité immédiate de la bulle de cavitation qui implose – 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 la sonication 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 globale, l’augmentation de température résultant de l’implosion d’une seule bulle est presque négligeable, mais la dissipation de chaleur provenant de nombreuses bulles de cavitation, telle qu’observée dans les points chauds de cavitation (générés par sonication avec des ultrasons de haute puissance), peut finalement entraîner une augmentation mesurable de la température globale. L’avantage de la sonication et de la sonochimie réside dans la maîtrise des effets thermiques pendant le traitement : le contrôle de la température de la solution globale peut être assuré en utilisant des cuves à double enveloppe de refroidissement ainsi qu’une sonication pulsée. Les ultrasoniseurs sophistiqués de Hielscher Ultrasonics peuvent interrompre les ultrasons lorsqu’une limite supérieure de température est atteinte et reprendre la sonication dès que la valeur inférieure d’un ∆T défini est atteinte. Cela est particulièrement important lorsque des réactifs sensibles à la chaleur sont utilisés.

La sonochimie améliore la cinétique de réaction

Comme la sonication génère des vibrations intenses et de la cavitation, la cinétique chimique s’en trouve affectée. La cinétique d’un système chimique est étroitement corrélée à l’expansion et à l’implosion des bulles de cavitation, influençant ainsi de manière significative la dynamique du mouvement des bulles. Les gaz dissous dans la solution réactionnelle affectent les caractéristiques d’une réaction sonochimique à la fois par des effets thermiques et par des effets chimiques. Les effets thermiques influencent les températures maximales atteintes lors de l’effondrement des bulles dans la cavité de cavitation ; les effets chimiques modifient les effets des gaz directement impliqués dans une réaction.
Les réactions hétérogènes et homogènes à cinétique lente, notamment 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, une sonication à basse fréquence (20kHz) à une puissance de 180 W a donné un rendement en acide férulique de 94% à 60°C en 3 h. Ces résultats de Truong et al. (2018) démontrent que l’utilisation de la basse fréquence (de type cornet et irradiation de haute puissance) a amélioré significativement le taux de conversion, avec des rendements supérieurs à 90%.

Chimie des émulsions intensifiée par ultrasons

Les réactions hétérogènes telles que la chimie des émulsions bénéficient considérablement de l’application d’ultrasons de puissance. La cavitation ultrasonore réduit et répartit de façon homogène les gouttelettes de chaque phase les unes dans les autres, créant une émulsion submicronique ou une nano-émulsion. Comme les gouttelettes de taille nanométrique offrent une surface considérablement accrue pour interagir avec d’autres gouttelettes, le transfert de masse et la vitesse de réaction sont nettement améliorés. Sous sonication, des réactions connues pour leur cinétique typiquement 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 en émulsion, par exemple pour produire des mélanges de polymères, des adhésifs en phase aqueuse et des polymères de spécialité.

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. Si votre procédé chimique implique des réactions chimiques hétérogènes multiphasiques et présente une 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 (d’exploitation) du réacteur chimique.
La sonication améliore significativement 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 ainsi que la qualité du produit final.
Très souvent, l’ingénierie des réacteurs chimiques manque de connaissances sur l’amélioration des procédés assistée par ultrasons. Sans une connaissance approfondie de l’influence des ultrasons de puissance, de l’agitation par ultrasons, de la cavitation acoustique et des effets sonochimiques sur les performances d’un réacteur chimique, 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 cuve agitée en continu (CSTR) intensifié par ultrasons

• • Réacteurs améliorés par ultrasons pour le laboratoire et la production :
    Mise à l’échelle facile : Des processeurs à ultrasons sont facilement disponibles pour le laboratoire, le pilote et la production à grande échelle
    Résultats reproductibles / répétables grâce à des paramètres ultrasonores contrôlables avec précision
    Capacité et vitesse de réaction: les réactions intensifiées par ultrasons sont plus rapides et donc plus économiques (coûts réduits)
  • La sonochimie est applicable à des fins générales comme à des fins spécifiques

– adaptabilité & polyvalence, par exemple options d’installation et de configuration flexibles et utilisation interdisciplinaire

• La sonication peut être utilisée en atmosphère explosive
  – purge (par exemple, inertage à l’azote)
  – aucune surface ouverte
• Nettoyage simple : autonettoyage (CIP – nettoyage en place)
• Choisissez vos matériaux de construction préférés
  – verre, acier inoxydable, titane
  – pas de joints rotatifs
  – large choix de matériaux d’étanchéité
• Les ultrasoniseurs peuvent être utilisés sur une large plage de températures
• Les ultrasoniseurs peuvent être utilisés sur une large plage 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 : dans les processus de dissolution, des 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 ultrasonore qu’un seul cristal dans des réacteurs discontinus à agitation conventionnelle. Ici aussi, la raison des différences de vitesse réside dans les différentes vitesses de transfert de masse à la surface des particules. Par exemple, la sonication est appliquée avec succès pour créer des solutions sursaturées, notamment dans les procédés de cristallisation (sono-cristallisation).
• Extraction chimique assistée par 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 surfaces interfaciales entre les deux phases non miscibles, ce qui se traduit par un flux de transfert de masse accru entre les phases.

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

• Surface de contact plus grande : Dans les réactions entre réactifs en phases hétérogènes, seules les particules qui entrent en collision à l’interface peuvent réagir. Plus l’interface est grande, plus les collisions peuvent être nombreuses. Lorsqu’une portion 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. De plus, en raison de la réduction de taille, le nombre de particules augmente et la distance moyenne entre ces particules diminue donc. 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 présentent des améliorations spectaculaires de la vitesse de réaction grâce à la réduction de la taille des particules par ultrasons.
• Catalyse (énergie d’activation) : Les catalyseurs revêtent une grande importance dans de nombreuses réactions chimiques, aussi bien en développement en laboratoire qu’en production industrielle. Les catalyseurs se trouvent souvent en phase solide ou liquide et sont non miscibles avec un ou tous les réactifs. Par conséquent, la catalyse est le plus souvent une réaction chimique hétérogène. Dans la production des produits chimiques de base les plus importants, tels que l’acide sulfurique, l’ammoniac, l’acide nitrique, l’éthène et le méthanol, les catalyseurs jouent un rôle important. De larges domaines des technologies environnementales reposent sur des procédés catalytiques. Une collision de particules ne conduit à une réaction chimique, c’est-à-dire à un réarrangement des atomes, que si les particules entrent en collision avec une énergie cinétique suffisante. La sonication est un moyen très efficace d’augmenter la cinétique dans les réacteurs chimiques. Dans un procédé de catalyse hétérogène, l’ajout d’ultrasons à la conception d’un réacteur chimique peut réduire le besoin en catalyseur. Cela peut permettre d’utiliser moins de catalyseur ou des catalyseurs de qualité inférieure, moins nobles.
• Fréquence de contact plus élevée / transfert de masse amélioré : Le mélange et l’agitation par ultrasons constituent une méthode très efficace pour générer de minuscules gouttelettes et particules (c’est-à-dire des particules submicroniques et des nanoparticules), qui offrent une surface active plus importante pour les réactions. Sous l’effet de l’agitation intense supplémentaire et des micro-mouvements provoqués par les ultrasons de puissance, la fréquence des contacts interparticulaires augmente considérablement, ce qui se traduit par un taux de conversion nettement amélioré.
• Plasma comprimé : Pour de nombreuses réactions, une augmentation de 10 Kelvin de la température du réacteur fait approximativement doubler la vitesse de réaction. La cavitation ultrasonore produit au sein du liquide des points chauds localisés hautement réactifs atteignant jusqu’à 5000K, sans échauffement substantiel du volume global de liquide dans le réacteur chimique.
• Énergie thermique : Toute énergie ultrasonore que vous ajoutez à la conception d’un réacteur chimique sera finalement convertie en énergie thermique. Vous pouvez donc réutiliser cette énergie pour le procédé chimique. Au lieu d’un apport d’énergie thermique par des éléments chauffants ou de la vapeur, la sonication introduit une énergie mécanique activant le procédé au moyen de vibrations à haute fréquence. Dans le réacteur chimique, cela produit une cavitation ultrasonore qui active le procédé chimique à plusieurs niveaux. Enfin, l’immense cisaillement ultrasonore 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 de procédé constante pour votre réaction chimique.

Ultrasoniseurs haute performance pour des réactions chimiques améliorées dans les CSTR

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des homogénéisateurs et disperseurs à ultrasons haute performance destinés à être intégrés dans des réacteurs à cuve agitée en continu (CSTR). Les ultrasoniseurs Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour favoriser, intensifier, accélérer et améliorer les réactions chimiques.
Les processeurs à ultrasons de Hielscher Ultrasonics sont disponibles dans toutes les tailles, des petits appareils de laboratoire aux grands processeurs industriels pour les applications de chimie en flux. Le réglage précis de l’amplitude ultrasonore (qui est le paramètre le plus important) permet de faire fonctionner les ultrasoniseurs Hielscher à des amplitudes faibles à très élevées et d’ajuster finement l’amplitude exactement aux conditions de procédé ultrasonore requises par le système réactionnel chimique spécifique.
Les générateurs à ultrasons de Hielscher sont dotés d’un logiciel intelligent avec protocole automatique des données. Tous les paramètres de traitement importants, tels que l’énergie ultrasonore, la température, la pression et la durée, sont automatiquement enregistrés sur une carte SD intégrée dès la mise sous tension de l’appareil.
La surveillance du procédé et l’enregistrement des données sont importants pour une standardisation continue du procédé et pour la qualité du produit. En accédant aux données de procédé enregistrées automatiquement, vous pouvez revoir les cycles de sonication précédents et en évaluer les résultats.
Une autre fonction conviviale est la commande à distance par navigateur de nos systèmes à ultrasons numériques. 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.
Contactez-nous dès maintenant pour découvrir comment nos homogénéisateurs à ultrasons haute performance peuvent améliorer votre réacteur à cuve agitée en continu (CSTR) !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasoniseurs :