כורי טנקים מעורבבים ללא הרף נסערים מאולטרסאונד

כורי טנקים מעורבבים ברציפות (CSTR) מיושמים באופן נרחב עבור תגובות כימיות שונות, כולל קטליזה, כימיה של תחליב, פילמור, סינתזה, מיצוי והתגבשות. קינטיקה של תגובה איטית היא בעיה נפוצה ב- CSTR, אשר ניתן להתגבר עליה בקלות על ידי יישום של אולטרסוניקציה כוח. הערבוב האינטנסיבי, התסיסה וההשפעות הסונוכימיות של כוח אולטרסאונד מאיצים את קינטיקה התגובה ומשפרים את יחס ההמרה באופן משמעותי. Ultrasonicators ניתן לשלב בקלות CSTRs של כל נפח.

מדוע להפעיל אולטרסאונד חשמלי על כור טנקים המתעורר ברציפות?

כור טנק מעורר ברציפות (CSTR, או פשוט כור טנק מעורר (STR)) הוא במאפייניו העיקריים די דומה לכור האצווה. ההבדל החשוב העיקרי הוא שלצורך הקמת כור מיכל ערבוב רציף (CSTR) הזנת החומר חייבת להיות מסופקת בזרימה רציפה לתוך הכור וממנו. הזנת הכור יכולה להיות מושגת על ידי זרימת כבידה או זרימת מחזור מאולצת באמצעות משאבה. ה-CSTR נקרא לעיתים כור זרימה מעורבת אחורית (BMR).
CSTRs משמשים בדרך כלל כאשר נדרשת תסיסה של שני נוזלים או יותר. CSTRs יכולים לשמש כור יחיד או להיות מותקנים כסדרה של תצורות עבור זרמי ריכוז שונים ושלבי תגובה. מלבד השימוש בכור טנק יחיד, ההתקנה הטורית של טנקים שונים (אחד אחרי השני) או מערך מפל משמשים בדרך כלל.
למה אולטרסוניקציה? ערבוב קולי ותסיסה, כמו גם ההשפעות הסונוכימיות של אולטרסאונד כוח ידועים היטב לתרום ליעילות של תגובות כימיות. הערבוב המשופר והפחתת גודל החלקיקים עקב תנודות קוליות וקוויטציה מספקים קינטיקה מואצת משמעותית ויחס המרה משופר. השפעות סונוכימיות יכולות לספק את האנרגיה הדרושה כדי ליזום תגובות כימיות, להחליף מסלולים כימיים ולתת תשואות גבוהות יותר עקב תגובה מלאה יותר.

CSTR מוגבר אולטרה-סאונד יכול לשמש עבור יישומים כגון:

• תגובות הטרוגניות נוזליות-נוזליות
• תגובות הטרוגניות מוצקות-נוזליות
• תגובות הומוגניות בשלב נוזלי
• תגובות גז-נוזל הטרוגניות
• תגובות הטרוגניות גז-מוצק-נוזל

אולטרה-סוניקציה כמערכת כימית סינתטית במהירות גבוהה

כימיה סינתטית במהירות גבוהה היא טכניקת תגובה חדשנית המשמשת ליזום ולהגביר סינתזה כימית. בהשוואה למסלולי תגובה מסורתיים, הדורשים מספר שעות או ימים תחת ריפלוקס, כורי סינתזה אולטרה-סוניים יכולים למזער את משך התגובה למספר דקות וכתוצאה מכך תגובת סינתזה מואצת משמעותית. הגברת הסינתזה העל-קולית מבוססת על עקרון העבודה של קוויטציה אקוסטית והכוחות הקשורים אליה, כולל חימום-על מוגבל מקומי. למידע נוסף על אולטרסאונד, קוויטציה אקוסטית וסונוכימיה בסעיף הבא.

קביטציה קולית והשפעותיה הסונוכימיות

קוויטציה קולית (או אקוסטית) מתרחשת כאשר אולטרסאונד כוח מצומד לתוך נוזלים או slurries. קביטציה היא המעבר משלב נוזלי לשלב אדים, המתרחש עקב ירידת לחץ עד לרמת מתח האדים של הנוזל.
קוויטציה על-קולית יוצרת כוחות גזירה גבוהים מאוד וסילונים נוזליים במהירות של עד 1000 מטר לשנייה. סילונים נוזליים אלה מאיצים חלקיקים וגורמים להתנגשויות בין חלקיקים, ובכך מקטינים את גודל החלקיקים של מוצקים וטיפות. בנוסף – ממוקם בתוך ובסמיכות לבועת הקוויטציה המתפוצצת – נוצרים לחצים גבוהים במיוחד בסדר גודל של מאות אטמוספרות וטמפרטורות בסדר גודל של אלפי מעלות קלווין.
Although ultrasonication is a purely mechanical processing method, it can produce a locally confined extreme temperature rise. This is due to the intense forces generated within and in close proximity to the collapsing cavitation bubbles, where easily temperatures of several thousands of degrees Celsius can be reached. In the bulk solution, the temperature increase resulting from a single bubble implosion is almost negligible, but the heat dissipation from numerous cavitation bubbles as observed in cavitation hot-spots (as generated by sonication with high-power ultrasound) can finally cause a measurable temperature increases in the bulk temperature. The advantage of ultrasonication and sonochemistry lies in the controllable temperature effects during processing: Temperature control of the bulk solution can be achieved by using tanks with cooling jackets as well as pulsed sonication. Hielscher Ultrasonics’ sophisticated ultrasonicators can pause the the ultrasound when an upper temperature limit is reached and continue with the ultrasonication as soon as the lower value of a set ∆T is reached. This is especially important when heat-sensitive reactants are used.

סונוכימיה משפרת קינטיקה של תגובה

מכיוון שסוניקציה יוצרת תנודות עזות וקוויטציה, קינטיקה כימית מושפעת. הקינטיקה של מערכת כימית נמצאת בקורלציה הדוקה עם התפשטות וקריסת בועות קוויטציה, ובכך משפיעה באופן משמעותי על הדינמיקה של תנועת הבועה. גזים מומסים בתמיסת התגובה הכימית משפיעים על מאפייני התגובה הסונוכימית באמצעות השפעות תרמיות והשפעות כימיות. ההשפעות התרמיות משפיעות על טמפרטורות השיא המושגות במהלך קריסת הבועה בתוך חלל הקוויטציה; ההשפעות הכימיות משנות את ההשפעות של גזים, אשר מעורבים ישירות בתגובה.
תגובות הטרוגניות והומוגניות עם קינטיקה של תגובה איטית כולל תגובות צימוד סוזוקי, משקעים, התגבשות וכימיה של תחליב נועדו מראש ליזום ולקדם באמצעות אולטרסאונד כוח והשפעותיו הסונוכימיות.
לדוגמה, עבור סינתזה של חומצה פרולית, סוניקציה בתדר נמוך (20kHz) בהספק של 180 W נתנה תפוקה של 94% חומצה פרולית ב 60 מעלות צלזיוס תוך 3 שעות. תוצאות אלה של Truong et al. (2018) מראות כי השימוש בתדר נמוך (סוג קרן וקרינה בעוצמה גבוהה) שיפר את יחס ההמרה באופן משמעותי והעניק תשואות גבוהות מ -90%.

כימיה של תחליב אולטרה-סאונד מוגבר

תגובות הטרוגניות כגון כימיה של תחליב נהנות באופן משמעותי מיישום אולטרסאונד כוח. קוויטציה על-קולית הפחיתה ופיזרה את הטיפות של כל שלב בצורה הומוגנית זו בתוך זו, ויצרה תת-מיקרון או ננו-תחליב. מכיוון שהטיפות בגודל ננומטרי מציעות שטח פנים גדול באופן דרסטי לאינטראקציה עם טיפות שונות, העברת המסה וקצב התגובה משופרים באופן משמעותי. תחת סוניקציה, תגובות הידועות בקינטיקה האיטית שלהן בדרך כלל מראות שיעורי המרה משופרים באופן דרמטי, תפוקות גבוהות יותר, פחות תוצרי לוואי או בזבוז ויעילות כוללת טובה יותר. כימיה משופרת של תחליב אולטרה-סאונד מיושמת לעתים קרובות עבור פילמור תחליבים, למשל, כדי לייצר תערובות פולימרים, דבקים הנישאים במים ופולימרים מיוחדים.

10 דברים שכדאי לדעת, לפני שקונים כור כימי

כאשר בוחרים כור כימי לתהליך כימי, ישנם גורמים רבים המשפיעים על תכנון הכור הכימי האופטימלי. אם התהליך הכימי שלך כולל תגובות כימיות הטרוגניות רב-פאזיות ויש לו קינטיקה של תגובה איטית, תסיסה של כורים והפעלת תהליכים הם גורמים משפיעים חיוניים להמרה כימית מוצלחת ולעלויות חסכוניות (תפעוליות) של הכור הכימי.
אולטרה-סוניקציה משפרת את קינטיקה התגובה של תגובות כימיות נוזליות-נוזליות ונוזליות-מוצקות בכורי אצווה כימיים ובכלי תגובה מוטבעים באופן משמעותי. לפיכך, שילוב של בדיקות קוליות בכור כימי יכול להפחית את עלויות הכור ולשפר את היעילות הכוללת ואת איכות המוצר הסופי.
לעתים קרובות, הנדסת כורים כימיים חסרה את הידע על שיפור תהליכים בסיוע אולטרה-סאונד. ללא ידע מעמיק על השפעת אולטרסאונד כוח, תסיסה קולית, קוויטציה אקוסטית והשפעות סונוכימיות על ביצועי כורים כימיים, ניתוח כורים כימיים ויסודות התכנון הקונבנציונלי יכולים להפיק תוצאות נחותות בלבד. להלן, תקבל סקירה כללית על היתרונות הבסיסיים של אולטרסאונד לתכנון ואופטימיזציה של כורים כימיים.

היתרונות של כור טנק מתמשך מועצם אולטרה-סאונד (CSTR)

• • כורים משופרים באולטרה-סאונד למעבדה ולייצור:
    מדרגיות קלה: מעבדים קוליים זמינים בקלות עבור גודל מעבדה, פיילוט וייצור בקנה מידה גדול
    ניתן לשכפול? ניתן לחזרה תוצאות עקב פרמטרים קוליים הניתנים לשליטה מדויקת
    קיבולת ומהירות תגובהתגובות אולטרה-סאונד מוגברות מהירות יותר ולכן חסכוניות יותר (עלויות נמוכות יותר).:
  • סונוכימיה ישימה למטרות כלליות כמו גם מיוחדות

– יכולת הסתגלות & רב-תכליתיות, למשל, אפשרויות התקנה והגדרה גמישות ושימוש בינתחומי

• ניתן להשתמש באולטרסוניקציה בסביבות נפיצות
  – טיהור (למשל, שמיכת חנקן)
  – אין משטח פתוח
• ניקוי פשוט: ניקוי עצמי (CIP – נקי במקום)
• בחר את חומרי הבנייה המועדפים עליך
  – זכוכית, נירוסטה, טיטניום
  – ללא אטמים סיבוביים
  – מבחר רחב של חומרי איטום
• Ultrasonicators ניתן להשתמש במגוון רחב של טמפרטורות
• Ultrasonicators ניתן להשתמש במגוון רחב של לחצים
• השפעה סינרגטית עם טכנולוגיות אחרות, כגון אלקטרוכימיה (סונו-אלקטרוכימיה), קטליזה (סונו-קטליזה), התגבשות (סונו-קריסטליזציה) ועוד.
• סוניקציה אידיאלית לשיפור ביוריאקטורים, למשל תסיסה.
• פירוק? המסה: בתהליכי המסה, חלקיקים עוברים משלב אחד למשנהו, למשל כאשר חלקיקים מוצקים מתמוססים בנוזל. נמצא כי מידת התסיסה משפיעה על מהירות התהליך. גבישים קטנים רבים מתמוססים הרבה יותר מהר תחת קוויטציה על-קולית מאשר גבישים בכורי אצווה קונבנציונליים. גם כאן, הסיבה למהירויות שונות נעוצה בקצבי העברת המסה השונים על פני השטח של החלקיקים. לדוגמה, אולטרסוניקציה מיושמת בהצלחה ליצירת תמיסות סופר-רוויות, למשל, בתהליכי התגבשות (סונו-קריסטליזציה).
• מיצוי כימי מקודם אולטרסאונד:
  – מוצק-נוזלי, למשל מיצוי בוטני, מיצוי כימי
  – נוזל-נוזל: כאשר מופעל אולטרסאונד על מערכת מיצוי נוזל-נוזל, נוצר תחליב של אחד השלבים בשני. היווצרות זו של תחליב מובילה להגדלת אזורי הפנים בין שני השלבים הבלתי ניתנים להפרכה, וכתוצאה מכך שטף העברת מסה מוגבר בין השלבים.

כיצד סוניקציה משפרת תגובות כימיות בכורי טנקים מעוררים?

• שטח מגע גדול יותר: בתגובות בין מגיבים בפאזות הטרוגניות, רק החלקיקים שמתנגשים זה בזה בממשק יכולים להגיב. ככל שהממשק גדול יותר, כך יכולות להתרחש יותר התנגשויות. כאשר חלק נוזלי או מוצק של חומר נשבר לטיפות קטנות יותר או חלקיקים מוצקים המרחפים בנוזל פאזה רציפה, שטח הפנים של חומר זה גדל. יתר על כן, כתוצאה מהקטנת הגודל, מספר החלקיקים גדל ולכן המרחק הממוצע בין חלקיקים אלה קטן. זה משפר את החשיפה של השלב הרציף לשלב המפוזר. לכן, קצב התגובה עולה עם מידת הפיצול של שלב הפיזור. תגובות כימיות רבות בפיזור או בתחליבים מראות שיפור דרסטי במהירות התגובה כתוצאה מהקטנת גודל החלקיקים העל-קוליים.
• קטליזה (אנרגיית שפעול): לזרזים חשיבות רבה בתגובות כימיות רבות, בפיתוח מעבדות ובייצור תעשייתי. לעתים קרובות זרזים נמצאים בפאזה מוצקה או נוזלית ולא ניתן לערבב אותם עם מגיב אחד או עם כל המגיבים. לפיכך, לעתים קרובות יותר מאשר לא, קטליזה היא תגובה כימית הטרוגנית. בייצור של כימיקלים בסיסיים החשובים ביותר כגון חומצה גופרתית, אמוניה, חומצה חנקתית, אתן מתנול, זרזים לשחק תפקיד חשוב. שטחים גדולים של טכנולוגיה סביבתית מבוססים על תהליכים קטליטיים. התנגשות של חלקיקים מובילה לתגובה כימית, כלומר קיבוץ מחדש של אטומים, רק אם החלקיקים מתנגשים באנרגיה קינטית מספקת. אולטרה-סוניקציה היא אמצעי יעיל ביותר להגברת הקינטיקה בכורים כימיים. בתהליך קטליזה הטרוגני, הוספת אולטרסאונד לתכנון כור כימי יכולה להפחית את הדרישה לזרז. זה יכול לגרום לשימוש בזרזים פחות או נחותים, פחות אצילים.
• תדירות גבוהה יותר של מגע? העברה המונית משופרת: ערבוב ותסיסה על-קוליים היא שיטה יעילה ביותר ליצירת טיפות וחלקיקים זעירים (כלומר, תת-מיקרון וננו-חלקיקים), המציעים משטח פעיל גבוה יותר לתגובות. תחת התסיסה האינטנסיבית הנוספת והמיקרו-תנועה הנגרמת על ידי אולטרסאונד כוח, תדירות המגע בין חלקיקים עולה באופן דרסטי וכתוצאה מכך שיעור ההמרה משופר באופן משמעותי.
• פלזמה דחוסה: עבור תגובות רבות, עלייה של 10 קלווין בטמפרטורת הכור גורמת לקצב התגובה להכפיל את עצמו בערך. קוויטציה על-קולית מייצרת נקודות חמות מקומיות תגובתיות ביותר של עד 5000K בתוך הנוזל, ללא חימום משמעותי של נפח הנוזל הכולל בכור הכימי.
• חום: כל אנרגיה קולית שתוסיפו לתכנון כור כימי, תומר לבסוף לאנרגיה תרמית. לכן, אתה יכול לעשות שימוש חוזר באנרגיה עבור התהליך הכימי. במקום קלט אנרגיה תרמית על ידי גופי חימום או קיטור, אולטרסוניקציה מציגה תהליך המפעיל אנרגיה מכנית באמצעות תנודות בתדר גבוה. בכור הכימי, זה מייצר קוויטציה קולית שהפעילה את התהליך הכימי בכמה רמות. לבסוף, הגזירה העל-קולית העצומה של הכימיקלים גורמת להמרה לאנרגיה תרמית, כלומר חום. ניתן להשתמש בכורי אצווה או בכורים מוטבעים לקירור על מנת לשמור על טמפרטורת תהליך קבועה עבור התגובה הכימית שלך.

אולטרה-סאונד בעל ביצועים גבוהים לשיפור תגובות כימיות ב-CSTR

Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים ומפיצים לשילוב בכורי טנקים מעוררים רציפים (CSTR). Hielscher ultrasonicators משמשים ברחבי העולם כדי לקדם, להעצים, להאיץ ולשפר תגובות כימיות.
Hielscher Ultrasonics’ מעבדים על-קוליים זמינים בכל גודל, החל מהתקני מעבדה קטנים וכלה במעבדים תעשייתיים גדולים עבור יישומי כימיית זרימה. התאמה מדויקת של המשרעת העל-קולית (שהיא הפרמטר החשוב ביותר) מאפשרת להפעיל אולטרסאונד Hielscher באמפליטודות נמוכות עד גבוהות מאוד ולכוונן את המשרעת בדיוק לתנאי התהליך העל-קולי הנדרשים של מערכת התגובה הכימית הספציפית.
Hielscher’s ultrasonic generator feature a smart software with automatic data protocolling. All important processing parameters such as ultrasonic energy, temperature, pressure and time are automatically stored onto a built-in SD-card as soon as the device is switched on.
ניטור תהליכים ורישום נתונים חשובים לסטנדרטיזציה מתמשכת של תהליכים ולאיכות המוצר. על-ידי גישה לנתוני התהליך המתועדים באופן אוטומטי, באפשרותך לשנות ריצות סוניקציה קודמות ולהעריך את התוצאה.
תכונה ידידותית למשתמש נוספת היא שלט הדפדפן של המערכות האולטרה-סוניות הדיגיטליות שלנו. באמצעות בקרת דפדפן מרחוק אתה יכול להתחיל, לעצור, להתאים ולנטר את המעבד הקולי שלך מרחוק מכל מקום.
צרו איתנו קשר עכשיו כדי ללמוד עוד על ההומוגנייזרים העל-קוליים בעלי הביצועים הגבוהים שלנו יכולים לשפר את כור המיכל (CSTR) המערבב ברציפות שלכם!
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: