כורים כימיים משופרים באמצעות סוניקציה – סוגים, תצורות ומנגנונים

כורים כימיים הם לב ליבה של הכימיה התעשייתית, סינתזת החומרים, ייצור הכימיקלים העדינים, ייצור התרופות והטיפול הסביבתי. ככל שהתעשיות שואפות לתהליכים מהירים יותר, נקיים יותר ויעילים יותר מבחינה אנרגטית, סוניקציה, הידועה גם כעיבוד אולטרסוני, הופכת לשיטה רלוונטית יותר ויותר להעצמת תהליכים בכורים. טכנולוגיית הכורים האולטרסוניים משנה את פני העיבוד הכימי באמצעות שיפור הערבוב, מעבר המסה, קינטיקת התגובות והקטליזה ההטרוגנית במערכות כורים מנתיות ורציפות.

כיצד סוניקציה משפרת כורים כימיים

באמצעות החדרת אולטרסאונד בהספק גבוה לכור כימי, מהנדסים יכולים ליצור ערבוב באמצעות זרימה תנודתית אולטרסונית וקוויטציה אקוסטית בתוך תווך התגובה. מנגנונים אלה משפרים את המגע בין המגיבים, מאיצים את מעבר המסה ויכולים לשפר את קצבי התגובה, הסלקטיביות והניצולת. סוניקציה יעילה במיוחד במערכות מוצק–נוזל, כגון קטליזה הטרוגנית, ובמערכות נוזל–נוזל, כגון תחלוב, מיצוי ותגובות דו־פאזיות. השימוש בה בתערובות גז–נוזל פחות נפוץ, מכיוון שקוויטציה אקוסטית נוצרת ביעילות נמוכה יותר בנוזלים בעלי תכולת גז גבוהה.
בתכנון מודרני של כורים סונוכימיים, זורמים מעורבלים באמצעות תנודות אולטרסוניות וקוויטציה, בדרך כלל תוך שימוש במשרעות בטווח של 10 עד 200 µm. כך מתאפשרות השפעות ערבוב מיקרוסקופיות עוצמתיות שקשה להשיג באמצעות ערבול מכני קונבנציונלי בלבד.

מדוע סוניקציה מעצימה תהליכים בכורים כימיים

הרלוונטיות התעשייתית של סוניקציה טמונה ביכולתה להשפיע על תופעות מעבר כימיות ופיזיקליות בקני המידה של המיקרו והמזו. בניגוד לבחישה קונבנציונלית, אולטרסאונד אינו רק מניע את הנוזל בכללותו. הוא יוצר גלי לחץ, תנועה תנודתית, בועות קוויטציה ואזורים מקומיים בעלי אנרגיה גבוהה.
כאשר בועות קוויטציה אקוסטית נוצרות, גדלות וקורסות, הן יוצרות סביבות מיקרוסקופיות שבהן שוררים תנאים עזים. אירועים אלה יכולים ליצור:

• כוחות גזירה מקומיים גבוהים
• מיקרו־סילונים בקרבת משטחים מוצקים
• גלי הלם
• מיקרו־ערבוב מהיר
• פיזור משופר של חלקיקים
• מגע משופר בממשקים
• מעבר מסה וחום מואץ
• השפעות של ניקוי משטחים והפעלת זרזים

תופעות אלה הופכות את הסוניקציה לבעלת ערך רב להעצמת תהליכים, במיוחד כאשר תגובות מוגבלות עקב דיפוזיה, מגע לקוי בין פאזות, הצטברות משקעים על זרזים או ערבוב בלתי מספק.

סוניקציה בכורים מנתיים

כורים מנתיים נמצאים בשימוש נרחב במעבדות, במתקני פיילוט ובייצור כימיקלים ייעודיים. הם גמישים, קלים לתפעול ומתאימים לסריקת תגובות, לסינתזה בנפחים קטנים ולמוצרים בעלי ערך גבוה.
כאשר מיישמים סוניקציה בכורים מנתיים, היא יכולה לשפר במידה ניכרת את הערבוב ואת אחידות התגובה. גשושיות אולטרסוניות, תאי זרימה או מתמרים המותקנים מבחוץ יכולים להחדיר אנרגיה אקוסטית ישירות לתווך התגובה.

במערכות מנתיות, סוניקציה שימושית במיוחד עבור:

1. קטליזה הטרוגנית
2. סינתזת ננו־חלקיקים
3. בקרת התגבשות
4. תחלוב
5. מיצוי
6. פילמור
7. המסה ופיזור של מוצקים

בתגובות מוצק–נוזל, אולטרסאונד יכול למנוע הצטברות של חלקיקים לצברים ולשפר את הגישה למשטחים קטליטיים או פעילים כימית. במערכות נוזל–נוזל, סוניקציה יכולה ליצור תחליבים דקים ולהגדיל את שטח הממשק בין פאזות שאינן מתערבבות זו בזו, דבר המוביל לעיתים קרובות לקצבי תגובה מהירים יותר.

 

בסרטון זה, הומוגנייזר אולטרסוני UP200St של Hielscher בהספק 200 ואט, עם סונוטרודה בגודל 7mm, מותקן במחבר זכוכית תקני בתחתית כור זכוכית. ניתן להתקינו אופקית, אנכית או בכל כיוון אחר. ניתן להתקין כמה גששים אולטרסוניים בכלי כור אחד – למשל בגבהים שונים. לעיתים קרובות מעדיפים התקנה מהצד או מלמטה, משום שהיא מתאימה יותר למפלסי נוזל משתנים. ניתן לשלב ערבול אולטרסוני עם בוחשים עיליים רגילים.

 

כורי זרימה לעיבוד סונוכימי רציף

כורי זרימה נמנים עם התצורות החשובות ביותר לסוניקציה תעשייתית. במקום לטפל בנפח קבוע של נוזל, תערובת התגובה עוברת ברציפות דרך תא כור אולטרסוני.
תצורה זו אטרקטיבית במיוחד להגדלת קנה המידה, משום שהיא מאפשרת למהנדסים לשלוט ביתר דיוק בזמן השהייה, בספיקת הזרימה, בטמפרטורה, בלחץ ובאנרגיה האולטרסונית המושקעת. כורי זרימה סונוכימיים משמשים לעיתים קרובות כאשר נדרשות איכות מוצר עקבית ופעולה רציפה.

היתרונות העיקריים של כורי זרימה המופעלים בסוניקציה כוללים:

• יכולת ייצור רציף
• שחזוריות משופרת של התהליך
• בקרת טמפרטורה טובה יותר
• התפלגות מבוקרת של זמני שהייה
• שילוב קל יותר בקווי תהליך תעשייתיים
• מבנה כור הניתן להגדלת קנה המידה

במערכות אלה, ערבוב באמצעות זרימה תנודתית אולטרסונית יכול לשפר את הערבוב הרדיאלי והצירי, להפחית מפלי ריכוז ולשפר את האינטראקציה בין המגיבים. הדבר מועיל במיוחד בתהליכים שבהם ביצועי התגובה תלויים במגע מהיר בין פאזות או בפיזור מהיר.

 

בסרטון זה אנו מציגים מערכת אולטרסונית בהספק 2 קילוואט להפעלה בקו הייצור, בתוך ארון הניתן לשטיפה בגז. חברת Hielscher מספקת ציוד אולטרסוני כמעט לכל ענפי התעשייה, כגון תעשיית הכימיקלים, התרופות והקוסמטיקה, תהליכים פטרוכימיים וכן תהליכי מיצוי המבוססים על ממסים. ארון זה, העשוי מפלדת אל־חלד וניתן לשטיפה בגז, מיועד להפעלה באזורים מסוכנים. לשם כך, הלקוח יכול להזרים חנקן או אוויר צח דרך הארון האטום כדי למנוע חדירת גזים או אדים דליקים לתוכו.

 

MultiPhaseCavitator – תוסף לתא זרימה אולטרסוני

MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 הוא תוסף ייעודי לכורי תא זרימה אולטרסוניים של Hielscher, המיועד להעצמת תהליכי נוזל/נוזל ונוזל/גז ישירות באזור הקוויטציה האולטרסונית. באמצעות הזרקת פאזה נוזלית שנייה או פאזה גזית דרך 48 קנולות דקות אל זרם הנוזל הראשי, MultiPhaseCavitator יוצר טיפות או בועות גז קטנות מאוד בעלות שטח פנים סגולי גבוה בממשק. תכונה זו הופכת אותו ליעיל במיוחד לתחלוב אולטרסוני, שבו פאזות שאינן מתערבבות זו בזו מתפזרות לתחליבים דקים, ולתגובות קטליטיות של גזים, שבהן הפאזה הגזית המוזרקת מתפזרת במהירות ומובאת למגע הדוק עם הפאזה הנוזלית, עם מגיבים מומסים או עם זרזים מרחפים. כוחות הגזירה הנוצרים בקוויטציה, הערבוב בקנה מידה מיקרוסקופי ומעבר המסה המוגבר הנובעים מכך יכולים לשפר את קינטיקת התגובה, את המגע בגבול שבין הפאזות ואת יעילות התהליך בפעולת זרימה רציפה או מנתית.

קראו עוד על MultiPhaseCavitator!

מנגנונים להעצמת פעולת ריאקטורים באמצעות אולטרסאונד

היתרונות של סוניקציה בריאקטורים כימיים מבוססים על כמה מנגנונים הפועלים זה על זה.

• קוויטציה אקוסטית היא המנגנון החשוב ביותר. היא כוללת היווצרות, גדילה וקריסה של בועות מיקרוסקופיות בנוזל הנחשף לאולטרסאונד בעוצמה גבוהה. קריסת הבועות גורמת לשחרור אנרגיה מקומי וליצירת כוחות מכניים חזקים.
• זרימה אקוסטית יוצרת תנועה יציבה של הזורם בהשפעת גלים אולטרסוניים. הדבר משפר את הערבוב ואת תהליכי ההסעה באזורים שבהם הערבול המכני עשוי להיות חלש.
• ערבוב בזרימה תנודתית מתרחש כאשר רטט אולטרסוני גורם לתנועה מהירה של הנוזל הלוך ושוב. במערכות ריאקטורים, אמפליטודות בטווח של כ־10 עד 200 µm יכולות ליצור ערבול יעיל ביותר ולשפר את מעבר המסה.
• סילוני מיקרו וגלי הלם נוצרים בקרבת בועות קוויטציה קורסות, במיוחד סמוך למשטחים מוצקים. השפעות אלה יכולות לנקות את פני השטח של הזרז, לשבש שכבות גבול ולשפר את גישת הנוזל לאתרים פעילים.
• הגדלת שטח הממשק חשובה במיוחד במערכות נוזל–נוזל. אולטרסאונד יכול ליצור טיפות זעירות ודיספרסיות יציבות, ובכך להגדיל את השטח הזמין לתגובה או למעבר מסה.

יחד, מנגנונים אלה הופכים את הסוניקציה לכלי רב־עוצמה להעצמת פעולתם של ריאקטורים כימיים.

 

טיפול על־קולי עוצמתי יוצר בועות קוויטציה במים. קריסתן של בועות הקוויטציה לאחר מכן יוצרת כוחות גזירה מכניים קיצוניים בנוזל. השפעה זו מפרקת תאים, למשל לצורך מיצוי חומרים צמחיים, או מפרקת טיפות שמן במים לטיפות זעירות מאוד (תחלוב). השפעת הקוויטציה הופכת את ההומוגנייזרים העל־קוליים של Hielscher לאמצעי יעיל מאוד לפיזור, להומוגניזציה, לתחלוב ולמיצוי. Hielscher Ultrasonics מייצרת גשושיות על־קוליות בהספקים מ־50 ואט ועד 16000 ואט, למגוון תהליכים על־קוליים במעבדה ובייצור בקנה מידה מלא.

 

הרלוונטיות התעשייתית של תכנון ריאקטורים סונוכימיים

החשיבות התעשייתית של ריאקטורים המטופלים בסוניקציה חורגת מערבוב מהיר יותר. סוניקציה מאפשרת להשפיע על סביבות התגובה בקני מידה שציוד קונבנציונלי מתקשה להגיע אליהם.
בהנדסה כימית, מגבלות רבות של ריאקטורים נובעות מתופעות הסעה ולא מקצבי התגובה האינטרינזיים. מגיבים עלולים שלא להגיע לאתרים קטליטיים במהירות מספקת. שטח המגע בין נוזלים שאינם מתערבבים זה בזה עשוי להיות בלתי מספיק. מוצקים עלולים ליצור אגלומרטים. ממברנות עלולות לעבור אילוח. פני השטח של זרזים עלולים להיחסם.
סוניקציה נותנת מענה למגבלות אלה באמצעות שיפור ישיר של התנאים הפיזיקליים בתוך הריאקטור. הדבר הופך אותה לרלוונטית לכמה תחומי עדיפות במחקר ובתעשייה:

• עיבוד כימי ירוק יותר
• צריכה נמוכה יותר של אנרגיה וממסים
• יעילות משופרת של זרזים
• סלקטיביות גבוהה יותר של התגובה
• פיתוח תהליכים מהיר יותר
• ייצור רציף
• מערכות ריאקטורים מודולריות עם העצמת תהליכים
• סינתזה של חומרים מתקדמים
• המרה בת־קיימא של ביומסה וזרמי פסולת

לחוקרים, סוניקציה מציעה שיטה מבוקרת לחקר הקשר בין האנרגיה האקוסטית המושקעת, התנהגות הקוויטציה, שיפור תהליכי ההסעה והביצועים הכימיים. לתעשייה, היא מציעה דרך מעשית לפיתוח מערכות ריאקטורים קומפקטיות ויעילות הניתנות להגדלה בקנה מידה.

 

 

יתרונות הסוניקציה בריאקטורים כימיים

שילוב אולטרסאונד בתכנון ריאקטורים מציע כמה יתרונות תפעוליים ומדעיים:

• קצבי תגובה מהירים יותר הודות לשיפור מעבר המסה
• ערבוב טוב יותר במערכות רב־פאזיות
• פיזור משופר של מוצקים וטיפות
• ניצול משופר של הזרז
• הפחתת מגבלות הדיפוזיה
• פני שטח נקיים יותר של זרזים וממברנות
• שיפור שחזוריות התהליך במערכות זרימה
• אפשרות להפחתת הטמפרטורה, הלחץ או זמן התגובה
• התאמה להפעלה מנתית ורציפה
• רלוונטיות רבה לקטליזה הטרוגנית ולתגובות דו־פאזיות

יתרונות אלה הופכים את טכנולוגיית הריאקטורים האולטרסוניים לאטרקטיבית במיוחד עבור כימיקלים עדינים, כימיקלים ייעודיים, קטליזה, ננו־חומרים, כימיה ירוקה והעצמת תהליכים.

העצימו את הריאקטור הכימי שלכם באמצעות מכשירי הסוניקציה של Hielscher!

מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתאימים היטב לשילוב מותאם אישית בריאקטורים כימיים, משום שהם זמינים כמערכות אולטרסוניות עמידות בהספק גבוה, עם סונוטרודות הניתנות להתאמה, תאי זרימה, תוספים פנימיים לריאקטורים ואביזרים ייעודיים לתהליך. בהתאם למערך התגובה, ניתן להתקין את המעבדים האולטרסוניים של Hielscher בריאקטורים מנתיים, בריאקטורי מכל בערבול רציף, בריאקטורי זרימה בקו התהליך, בלולאות סחרור חוזר, במערכות בלחץ ובמתקני פיילוט או במתקנים בקנה מידה של ייצור. גמישות זו מאפשרת להפעיל אולטרסאונד בדיוק במקום שבו הקוויטציה יעילה ביותר: בממשק נוזל–מוצק, נוזל–נוזל או נוזל–גז. Hielscher Ultrasonics מציעה גם סוגים שונים של ריאקטורים אולטרסוניים מנתיים וריאקטורים אולטרסוניים בקו התהליך, המאפשרים עיבוד סונוכימי מבוקר, תחלוב, פיזור, הפעלת זרזים, ניקוי פני שטח, העצמת מעבר מסה והאצת תגובות. באמצעות בקרה מדויקת על המשרעת, ההספק המושקע, הטמפרטורה, הלחץ, ספיקת הזרימה וזמן השהייה, ניתן להתאים את מכשירי הסוניקציה של Hielscher לדרישות הספציפיות של מחקר מעבדתי, פיתוח תהליכים, הגדלת קנה מידה וייצור כימי תעשייתי.

הטבלה שלהלן נותנת לכם מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות ותכנון. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO ושמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.

---

---

 

ספרות / מקורות

• Yu, Hang Gao, Jing; Zhong, Qili; Guo, Yahui; Xie, Yunfei; Yao, Weirong; Zhou, Weibiao (2018): Acoustic pressure and temperature distribution in a novel continuous ultrasonic tank reactor: a simulation study. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2018.
• Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
• M. Ajmal, S. Rusli, G. Fieg (2016): Modeling and experimental validation of hydrodynamics in an ultrasonic batch reactor. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 28, 2016. 218-229.
• L. Castrillón, E. Marañón, Y. Fernández-Nava, P. Ormaechea, G. Quiroga (2013): Thermophilic co-digestion of cattle manure and food waste supplemented with crude glycerin in induced bed reactor (IBR). Bioresource Technology, Volume 136, 2013. 73-77.