ראקטורי מכל בערבול רציף באמצעות אולטרסאונד

ראקטורי מכל בערבול רציף (CSTR) משמשים בהיקף נרחב לתגובות כימיות שונות, ובהן קטליזה, כימיה של תחליבים, פילמור, סינתזה, מיצוי וגיבוש. קינטיקת תגובה איטית היא בעיה נפוצה בראקטורי CSTR, וניתן להתגבר עליה בקלות באמצעות סוניקציה בעוצמה גבוהה. הערבוב האינטנסיבי, הבחישה וההשפעות הסונוכימיות של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מאיצים את קינטיקת התגובה ומשפרים משמעותית את שיעור ההמרה. ניתן לשלב בקלות מכשירי סוניקציה בראקטורי CSTR בכל נפח.

מדוע להשתמש באולטרסאונד בעוצמה גבוהה בראקטור מכל בערבול רציף?

ראקטור מכל בערבול רציף (CSTR, או פשוט ראקטור מכל מעורבל (STR)) דומה למדי במאפייניו העיקריים לראקטור מנתי. ההבדל העיקרי והחשוב הוא שבתצורת ראקטור מכל בערבול רציף (CSTR), יש להזרים חומר אל תוך הראקטור וממנו החוצה בזרימה רציפה. ניתן להזין את הראקטור באמצעות זרימה בכוח הכבידה או זרימה בסחרור מאולץ באמצעות משאבה. ראקטור CSTR נקרא לעיתים ראקטור זרימה בערבוב חוזר (BMR).
ראקטורי CSTR משמשים בדרך כלל כאשר נדרשת בחישה של שני נוזלים או יותר. ניתן להשתמש בראקטור CSTR יחיד או להתקין ראקטורי CSTR בסדרה של תצורות עבור זרמים בריכוזים שונים ושלבי תגובה שונים. מלבד השימוש בראקטור מכל יחיד, נפוצים גם התקנה טורית של מספר מכלים (זה אחר זה) או סידור במפל.
מדוע להשתמש בסוניקציה? ידוע היטב שערבוב ובחישה באמצעות אולטרסאונד, וכן ההשפעות הסונוכימיות של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, תורמים ליעילותן של תגובות כימיות. הערבוב המשופר והקטנת גודל החלקיקים כתוצאה מתנודות אולטרסוניות ומקוויטציה מביאים להאצה משמעותית בקינטיקה ולשיפור בשיעור ההמרה. השפעות סונוכימיות יכולות לספק את האנרגיה הדרושה להתחלת תגובות כימיות, לשינוי מסלולי תגובה כימיים ולהשגת נצולות גבוהות יותר הודות לתגובה מלאה יותר.

ניתן להשתמש בראקטור CSTR שתהליכיו מועצמים באמצעות אולטרסאונד ליישומים כגון:

• תגובות הטרוגניות בין נוזל לנוזל
• תגובות הטרוגניות בין מוצק לנוזל
• תגובות הומוגניות בפאזה נוזלית
• תגובות הטרוגניות בין גז לנוזל
• תגובות הטרוגניות בין גז, מוצק ונוזל

סוניקציה כמערכת לסינתזה כימית במהירות גבוהה

כימיה סינתטית במהירות גבוהה היא טכניקת תגובה חדשנית המשמשת להתחלת סינתזה כימית ולהעצמתה. בהשוואה למסלולי תגובה מסורתיים, המצריכים מספר שעות או ימים בתנאי ריפלוקס, ראקטורי סינתזה שבהם התגובה מואצת באמצעות אולטרסאונד יכולים לצמצם את משך התגובה לדקות ספורות, וכך להאיץ משמעותית את תגובת הסינתזה. העצמת סינתזה באמצעות אולטרסאונד מבוססת על עקרון הפעולה של קוויטציה אקוסטית והכוחות הקשורים אליה, לרבות חימום יתר המוגבל לאזור מקומי. מידע נוסף על אולטרסאונד, קוויטציה אקוסטית וסונוכימיה מופיע בסעיף הבא.

קוויטציה אולטרסונית והשפעותיה הסונוכימיות

קוויטציה אולטרסונית (או אקוסטית) מתרחשת כאשר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מועבר לנוזלים או לתרחיפים. קוויטציה היא המעבר מפאזה נוזלית לפאזת אדים, המתרחש עקב ירידת לחץ עד לרמת לחץ האדים של הזורם.
קוויטציה אולטרסונית יוצרת כוחות גזירה גבוהים מאוד וסילוני נוזל במהירות של עד 1000m/s. סילוני נוזל אלה מאיצים חלקיקים וגורמים להתנגשויות בין חלקיקים, ובכך מקטינים את גודל החלקיקים של מוצקים וטיפות. נוסף על כך, בתוך בועת הקוויטציה הקורסת ובסמיכות אליה נוצרים לחצים גבוהים ביותר בסדר גודל של מאות אטמוספרות וטמפרטורות בסדר גודל של אלפי מעלות קלווין.
אף שסוניקציה היא שיטת עיבוד מכנית בלבד, היא יכולה ליצור עליית טמפרטורה קיצונית המוגבלת לאזור מקומי. זאת בשל הכוחות העזים הנוצרים בתוך בועות הקוויטציה הקורסות ובסמיכות אליהן, שם ניתן להגיע בקלות לטמפרטורות של כמה אלפי מעלות צלזיוס. בכלל התמיסה, עליית הטמפרטורה הנובעת מקריסה של בועה יחידה כמעט זניחה, אך פיזור החום מבועות קוויטציה רבות, כפי שנצפה במוקדי חום של קוויטציה (הנוצרים בסוניקציה באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה), יכול בסופו של דבר לגרום לעלייה מדידה בטמפרטורה של כלל התמיסה. היתרון של סוניקציה וסונוכימיה טמון בהשפעות הטמפרטורה הניתנות לבקרה במהלך העיבוד: ניתן לבקר את הטמפרטורה של כלל התמיסה באמצעות מכלים בעלי מעטפות קירור וכן באמצעות סוניקציה בפולסים. המכשירים האולטרסוניים המתוחכמים של Hielscher Ultrasonics יכולים להשהות את פעולת האולטרסאונד כאשר מגיעים לגבול הטמפרטורה העליון, ולהמשיך בסוניקציה ברגע שמגיעים לערך התחתון של ∆T שנקבע. הדבר חשוב במיוחד כאשר משתמשים במגיבים רגישים לחום.

סונוכימיה משפרת את קינטיקת התגובה

מכיוון שסוניקציה יוצרת תנודות עזות וקוויטציה, היא משפיעה על הקינטיקה הכימית. הקינטיקה של מערכת כימית קשורה קשר הדוק להתפשטות ולקריסה של בועות הקוויטציה, ובכך משפיעה במידה ניכרת על הדינמיקה של תנועת הבועות. גזים מומסים בתמיסת התגובה הכימית משפיעים על מאפייניה של תגובה סונוכימית הן באמצעות השפעות תרמיות והן באמצעות השפעות כימיות. ההשפעות התרמיות משפיעות על טמפרטורות השיא שאליהן מגיעים במהלך קריסת הבועה בתוך חלל הקוויטציה; ההשפעות הכימיות משנות את השפעותיהם של הגזים המעורבים ישירות בתגובה.
תגובות הטרוגניות והומוגניות בעלות קינטיקת תגובה איטית, ובהן תגובות צימוד סוזוקי, שיקוע, גיבוש וכימיית תחליבים, מתאימות במיוחד לייזום ולהאצה באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה והשפעותיו הסונוכימיות.
לדוגמה, בסינתזה של חומצה פרולית, סוניקציה בתדר נמוך (20kHz) ובהספק של 180 W הניבה חומצה פרולית בניצולת של 94% בטמפרטורה של 60°C בתוך 3 h. תוצאות אלה של Truong ועמיתיו (2018) מדגימות כי השימוש בתדר נמוך (מסוג קרן ובהקרנה בעוצמה גבוהה) שיפר במידה ניכרת את שיעור ההמרה והניב ניצולות גבוהות מ־90%.

כימיית תחליבים המוגברת באמצעות אולטרסאונד

תגובות הטרוגניות, כגון תגובות בכימיה של תחליבים, מפיקות תועלת משמעותית מהפעלת אולטרסאונד בהספק גבוה. קוויטציה אולטרסונית מקטינה את הטיפות של כל פאזה ומפזרת אותן באופן אחיד בתוך הפאזה האחרת, וכך יוצרת תחליב תת־מיקרוני או ננו־תחליב. מכיוון שטיפות בגודל ננומטרי מציעות שטח פנים גדול בהרבה לאינטראקציה עם טיפות אחרות, מעבר המסה וקצב התגובה משתפרים משמעותית. תחת סוניקציה, תגובות הידועות בקינטיקה האיטית האופיינית שלהן מציגות שיעורי המרה משופרים במידה ניכרת, ניצולות גבוהות יותר, פחות תוצרי לוואי או פסולת ויעילות כוללת טובה יותר. כימיה של תחליבים המשופרת באמצעות אולטרסאונד משמשת לעיתים קרובות לפילמור בתחליב, למשל לייצור תערובות פולימרים, דבקים על בסיס מים ופולימרים ייעודיים.

10 דברים שכדאי לדעת לפני רכישת ריאקטור כימי

בעת בחירת ריאקטור כימי לתהליך כימי, גורמים רבים משפיעים על התכנון המיטבי של הריאקטור הכימי. אם התהליך הכימי שלכם כולל תגובות כימיות הטרוגניות ורב־פאזיות ומתאפיין בקינטיקת תגובה איטית, ערבול הריאקטור ושפעול התהליך הם גורמים חיוניים להמרה כימית מוצלחת ולעלויות תפעול חסכוניות של הריאקטור הכימי.
סוניקציה משפרת משמעותית את קינטיקת התגובה של תגובות כימיות בין נוזל לנוזל ובין נוזל למוצק בריאקטורים כימיים מנתיים ובכלי תגובה המותקנים בקו הזרימה. לפיכך, שילוב גשושים אולטרסוניים בריאקטור כימי יכול להפחית את עלויות הריאקטור ולשפר את היעילות הכוללת ואת איכות המוצר הסופי.
לעיתים קרובות מאוד, בתחום הנדסת הריאקטורים הכימיים חסר ידע על שיפור תהליכים בסיוע אולטרסאונד. ללא ידע מעמיק על השפעתם של אולטרסאונד בהספק גבוה, ערבול אולטרסוני, קוויטציה אקוסטית והשפעות סונוכימיות על ביצועי ריאקטורים כימיים, ניתוח ריאקטורים כימיים ועקרונות תכנון מקובלים יכולים להניב רק תוצאות נחותות. להלן סקירה של היתרונות הבסיסיים של אולטרסאונד לתכנון ולמיטוב של ריאקטורים כימיים.

היתרונות של ריאקטור מכל בערבול רציף (CSTR) שתהליכיו מועצמים באמצעות אולטרסאונד

• • ריאקטורים משופרים באמצעות אולטרסאונד למעבדה ולייצור:
    הגדלת קנה מידה בקלות: מעבדים אולטרסוניים זמינים במגוון גדלים למעבדה, לפיילוט ולייצור בקנה מידה גדול
    תוצאות הניתנות לשחזור / לחזרה הודות לפרמטרים אולטרסוניים הניתנים לבקרה מדויקת
    תפוקה ומהירות תגובה: תגובות המועצמות באמצעות אולטרסאונד מהירות יותר ולכן חסכוניות יותר (עלויות נמוכות יותר)
  • סונוכימיה מתאימה למטרות כלליות וגם למטרות מיוחדות

– יכולת התאמה ורב־שימושיות, למשל אפשרויות גמישות להתקנה ולהגדרת המערכת ושימוש בין־תחומי

• ניתן להשתמש בסוניקציה בסביבות נפיצות
  – שטיפה בגז (למשל מעטפת חנקן)
  – ללא פני שטח פתוחים
• ניקוי פשוט: ניקוי עצמי (CIP – ניקוי במקום)
• בחרו את חומרי המבנה המועדפים עליכם
  – זכוכית, פלדת אל־חלד, טיטניום
  – ללא אטמים סיבוביים
  – מבחר רחב של חומרי איטום
• ניתן להשתמש במכשירים אולטרסוניים בטווח רחב של טמפרטורות
• ניתן להשתמש במכשירים אולטרסוניים בטווח רחב של לחצים
• השפעה סינרגטית עם טכנולוגיות אחרות, למשל אלקטרוכימיה (סונו־אלקטרוכימיה), קטליזה (סונו־קטליזה), גיבוש (סונו־גיבוש) וכו׳.
• סוניקציה אידיאלית לשיפור תהליכים בביוריאקטורים, למשל תסיסה.
• התמוססות / המסה: בתהליכי התמוססות, חלקיקים עוברים מפאזה אחת לאחרת, למשל כאשר חלקיקים מוצקים מתמוססים בנוזל. נמצא כי מידת הערבול משפיעה על מהירות התהליך. גבישים קטנים רבים מתמוססים תחת קוויטציה אולטרסונית מהר הרבה יותר מגביש אחד בריאקטורים מנתיים בעלי ערבול מקובל. גם כאן, הסיבה למהירויות השונות נעוצה בקצבי מעבר המסה השונים על פני החלקיקים. למשל, סוניקציה משמשת בהצלחה ליצירת תמיסות רוויות־יתר, בין היתר בתהליכי גיבוש (סונו־גיבוש).
• מיצוי כימי המקודם באמצעות אולטרסאונד:
  – נוזל–מוצק, למשל מיצוי צמחי, מיצוי כימי
  – נוזל–נוזל: כאשר אולטרסאונד מופעל במערכת למיצוי נוזל–נוזל, נוצר תחליב של אחת הפאזות בתוך האחרת. היווצרות תחליב זה מגדילה את שטחי הממשק בין שתי הפאזות שאינן מתערבבות זו בזו, וכתוצאה מכך מגבירה את שטף מעבר המסה בין הפאזות.

כיצד סוניקציה משפרת תגובות כימיות בריאקטורים עם מכל ערבול?

• שטח מגע גדול יותר: בתגובות בין מגיבים בפאזות הטרוגניות, רק החלקיקים המתנגשים זה בזה בממשק יכולים להגיב. ככל ששטח הממשק גדול יותר, כך יכולות להתרחש יותר התנגשויות. כאשר חלק נוזלי או מוצק של חומר מפורק לטיפות קטנות יותר או לחלקיקים מוצקים המרחפים בנוזל של הפאזה הרציפה, שטח הפנים של חומר זה גדל. נוסף על כך, כתוצאה מהקטנת הגודל, מספר החלקיקים גדל ולכן המרחק הממוצע בין חלקיקים אלה קטן. הדבר משפר את החשיפה של הפאזה הרציפה לפאזה המפוזרת. לכן, קצב התגובה עולה עם מידת הפירוק של הפאזה המפוזרת. תגובות כימיות רבות בדיספרסיות או בתחליבים מראות שיפור ניכר בקצב התגובה כתוצאה מהקטנת גודל החלקיקים באמצעות אולטרסאונד.
• קטליזה (אנרגיית שפעול): לזרזים חשיבות רבה בתגובות כימיות רבות, בפיתוח במעבדה ובייצור תעשייתי. לעיתים קרובות הזרזים נמצאים בפאזה מוצקה או נוזלית ואינם מתערבבים עם אחד המגיבים או עם כל המגיבים. לכן, ברוב המקרים, קטליזה היא תגובה כימית הטרוגנית. בייצור הכימיקלים הבסיסיים החשובים ביותר, כגון חומצה גופרתית, אמוניה, חומצה חנקתית, אתן ומתנול, לזרזים תפקיד חשוב. תחומים נרחבים בטכנולוגיה הסביבתית מבוססים על תהליכים קטליטיים. התנגשות בין חלקיקים מובילה לתגובה כימית, כלומר לסידור מחדש של אטומים, רק אם החלקיקים מתנגשים באנרגיה קינטית מספקת. סוניקציה היא אמצעי יעיל ביותר להאצת הקינטיקה בריאקטורים כימיים. בתהליך קטליזה הטרוגנית, שילוב אולטרסאונד בתכנון של ריאקטור כימי יכול להפחית את הצורך בזרז. הדבר עשוי לאפשר שימוש בכמות קטנה יותר של זרז או בזרזים נחותים ואצילים פחות.
• תדירות מגע גבוהה יותר / מעבר מסה משופר: ערבוב ובחישה באמצעות אולטרסאונד הם שיטה יעילה ביותר ליצירת טיפות וחלקיקים זעירים (כלומר, חלקיקים תת־מיקרוניים וננו־חלקיקים), המספקים שטח פנים פעיל גדול יותר לתגובות. בהשפעת הבחישה העזה הנוספת והתנועה הזעירה הנגרמות מאולטרסאונד רב־עוצמה, תדירות המגע בין החלקיקים עולה במידה ניכרת, וכתוצאה מכך שיעור ההמרה משתפר משמעותית.
• פלזמה דחוסה: בתגובות רבות, עלייה של 10 קלווין בטמפרטורת הריאקטור גורמת להכפלה בקירוב של קצב התגובה. קוויטציה אולטרסונית יוצרת בתוך הנוזל מוקדים חמים מקומיים בעלי תגובתיות גבוהה מאוד, בטמפרטורות של עד 5000K, ללא חימום משמעותי של כלל נפח הנוזל בריאקטור הכימי.
• אנרגיה תרמית: כל אנרגיה אולטרסונית שתוסיפו במסגרת תכנון ריאקטור כימי תומר בסופו של דבר לאנרגיה תרמית. לכן, תוכלו להשתמש באנרגיה מחדש לצורך התהליך הכימי. במקום להזין אנרגיה תרמית באמצעות גופי חימום או קיטור, סוניקציה מספקת אנרגיה מכנית המפעילה את התהליך באמצעות תנודות בתדר גבוה. בריאקטור הכימי, הדבר יוצר קוויטציה אולטרסונית המפעילה את התהליך הכימי בכמה רמות. בסופו של דבר, הגזירה האולטרסונית העזה של הכימיקלים מביאה להמרת האנרגיה לאנרגיה תרמית, כלומר לחום. תוכלו להשתמש בריאקטורים מנתיים בעלי מעטפת או בריאקטורים בקו הזרימה לצורך קירור, כדי לשמור על טמפרטורת תהליך קבועה עבור התגובה הכימית שלכם.

מכשירים אולטרסוניים עתירי ביצועים לשיפור תגובות כימיות ב־CSTR

Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומשווקת הומוגנייזרים אולטרסוניים ומכשירי פיזור בעלי ביצועים גבוהים לשילוב בריאקטורי מכל בערבול רציף (CSTR). מכשירים אולטרסוניים של Hielscher משמשים ברחבי העולם לקידום, להגברה, להאצה ולשיפור של תגובות כימיות.
המעבדים האולטרסוניים של Hielscher Ultrasonics זמינים בכל גודל, ממכשירי מעבדה קטנים ועד למעבדים תעשייתיים גדולים ליישומי כימיה בזרימה. כוונון מדויק של המשרעת האולטרסונית (שהיא הפרמטר החשוב ביותר) מאפשר להפעיל את המכשירים האולטרסוניים של Hielscher במשרעות נמוכות עד גבוהות מאוד ולכוונן את המשרעת במדויק לתנאי התהליך האולטרסוני הנדרשים במערכת התגובה הכימית המסוימת.
הגנרטור האולטרסוני של Hielscher כולל תוכנה חכמה לתיעוד נתונים אוטומטי. כל פרמטרי העיבוד החשובים, כגון אנרגיה אולטרסונית, טמפרטורה, לחץ וזמן, נשמרים אוטומטית בכרטיס SD מובנה ברגע שהמכשיר מופעל.
ניטור התהליך ורישום הנתונים חשובים לסטנדרטיזציה מתמשכת של התהליך ולאיכות המוצר. הגישה לנתוני התהליך שנרשמו אוטומטית מאפשרת לסקור מחזורי סוניקציה קודמים ולהעריך את התוצאות.
תכונה נוספת הנוחה למשתמש היא שליטה מרחוק במערכות האולטרסוניות הדיגיטליות שלנו באמצעות דפדפן. באמצעות שליטה מרחוק בדפדפן ניתן להפעיל, לעצור, לכוונן ולנטר את המעבד האולטרסוני שלכם מרחוק, מכל מקום.
צרו איתנו קשר כעת כדי ללמוד עוד על האופן שבו ההומוגנייזרים האולטרסוניים שלנו בעלי הביצועים הגבוהים יכולים לשפר את ריאקטור המכל שלכם בערבול רציף (CSTR)!
הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: