Kemijski reaktori unaprijeđeni sonikacijom – vrste, izvedbe i mehanizmi

Kemijski reaktori čine srž industrijske kemije, sinteze materijala, proizvodnje finih kemikalija, farmaceutske proizvodnje i obrade u zaštiti okoliša. Kako industrije traže brže, čišće i energetski učinkovitije procese, sonikacija, poznata i kao ultrazvučna obrada, postaje sve relevantnija metoda intenzifikacije reaktora. Tehnologija ultrazvučnih reaktora preoblikuje kemijsku obradu poboljšavanjem miješanja, prijenosa tvari, reakcijske kinetike i heterogene katalize u šaržnim i kontinuiranim reaktorskim sustavima.

Kako sonikacija poboljšava kemijske reaktore

Uvođenjem ultrazvuka velike snage u kemijski reaktor inženjeri mogu u reakcijskom mediju izazvati miješanje ultrazvučnim oscilatornim strujanjem i akustičnu kavitaciju. Ti mehanizmi poboljšavaju kontakt između reaktanata, ubrzavaju prijenos tvari i mogu povećati brzinu reakcije, selektivnost i prinos. Sonikacija je osobito učinkovita u sustavima kruto–tekuće, primjerice u heterogenoj katalizi, i sustavima tekuće–tekuće, primjerice pri emulgiranju, ekstrakciji i dvofaznim reakcijama. Rjeđe se primjenjuje u smjesama plina i tekućine jer se akustična kavitacija manje učinkovito stvara u tekućinama s visokim udjelom plina.
U suvremenim izvedbama sonokemijskih reaktora fluidi se miješaju ultrazvučnim oscilacijama i kavitacijom, obično uz amplitude u rasponu od 10 do 200 µm. Time se omogućuju snažni mikroskopski učinci miješanja koje je teško postići samo konvencionalnim mehaničkim miješanjem.

Zašto sonikacija intenzivira kemijske reaktore

Industrijska relevantnost sonikacije proizlazi iz njezine sposobnosti utjecanja na kemijske i fizikalne transportne pojave na mikrorazini i mezorazini. Za razliku od konvencionalnog miješanja, ultrazvuk ne pokreće samo ukupnu masu tekućine. On stvara tlačne valove, oscilatorno gibanje, kavitacijske mjehuriće i lokalizirane zone visoke energije.
Kada mjehurići akustične kavitacije nastaju, rastu i kolabiraju, stvaraju intenzivna mikrookruženja. Ti događaji mogu proizvesti:

• velike lokalne smične sile
• mikromlazove u blizini krutih površina
• udarne valove
• brzo mikromiješanje
• poboljšanu disperziju čestica
• poboljšan međufazni kontakt
• ubrzan prijenos tvari i topline
• učinke čišćenja površina i aktivacije katalizatora

Te pojave čine sonikaciju vrlo vrijednom za intenzifikaciju procesa, osobito kada su reakcije ograničene difuzijom, slabim kontaktom faza, onečišćenjem katalizatora naslagama ili nedovoljnim miješanjem.

Sonikacija u šaržnim reaktorima

Šaržni reaktori široko se upotrebljavaju u laboratorijima, pilot-postrojenjima i proizvodnji specijalnih kemikalija. Fleksibilni su, jednostavni za rukovanje i prikladni za probir reakcija, sintezu u malim volumenima i proizvode visoke vrijednosti.
Kada se sonikacija primjenjuje u šaržnim reaktorima, može znatno poboljšati miješanje i ujednačenost reakcije. Ultrazvučne sonde, protočne ćelije ili izvana postavljeni pretvornici mogu unositi akustičnu energiju izravno u reakcijski medij.

U šaržnim sustavima sonikacija je osobito korisna za:

1. heterogenu katalizu
2. sintezu nanočestica
3. kontrolu kristalizacije
4. emulgiranje
5. ekstrakciju
6. polimerizaciju
7. otapanje i dispergiranje krutih tvari

Pri reakcijama kruto–tekuće ultrazvuk može spriječiti aglomeraciju čestica i poboljšati pristup katalitičkim ili reaktivnim površinama. U sustavima tekuće–tekuće sonikacija može stvoriti fine emulzije i povećati međufaznu površinu između faza koje se međusobno ne miješaju, što često dovodi do većih brzina reakcije.

 

U ovom je videozapisu ultrazvučni homogenizator Hielscher UP200St snage 200 vata sa sonotrodom od 7mm montiran na standardni stakleni priključak na dnu staklenog reaktora. Može se montirati vodoravno, okomito ili u bilo kojem drugom smjeru. Na jednu reaktorsku posudu može se montirati više ultrazvučnih sondi – primjerice na različitim visinama. Često se prednost daje ugradnji sa strane ili s dna jer bolje funkcionira pri promjenjivim razinama tekućine. Ultrazvučno miješanje može se kombinirati s konvencionalnim miješalicama s gornjim pogonom.

 

Protočni reaktori za kontinuiranu sonokemijsku obradu

Protočni reaktori ubrajaju se među najvažnije konstrukcijske izvedbe za industrijsku sonikaciju. Umjesto obrade fiksnog volumena tekućine, reakcijska smjesa kontinuirano prolazi kroz komoru ultrazvučnog reaktora.
Ova je izvedba vrlo privlačna za povećanje mjerila procesa jer inženjerima omogućuje precizniju kontrolu vremena zadržavanja, protoka, temperature, tlaka i unosa ultrazvučne energije. Protočni sonokemijski reaktori često se upotrebljavaju kada su potrebni ujednačena kvaliteta proizvoda i kontinuirani rad.

Glavne prednosti protočnih reaktora sa sonikacijom uključuju:

• mogućnost kontinuirane proizvodnje
• poboljšanu ponovljivost procesa
• bolju kontrolu temperature
• kontroliranu raspodjelu vremena zadržavanja
• lakšu integraciju u industrijske procesne linije
• konstrukciju reaktora prilagodljivu povećanju mjerila

U tim sustavima miješanje ultrazvučno induciranim oscilatornim strujanjem može poboljšati radijalno i aksijalno miješanje, smanjiti koncentracijske gradijente i poboljšati međudjelovanje reaktanata. To je osobito vrijedno u procesima u kojima učinkovitost reakcije ovisi o brzom kontaktu faza ili brzom dispergiranju.

 

U ovom videozapisu prikazujemo ultrazvučni sustav od 2 kilovata za protočni rad u ormaru s ispiranjem plinom. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrijske grane, poput kemijske, farmaceutske i kozmetičke industrije, petrokemijskih procesa te procesa ekstrakcije otapalima. Ovaj ormar od nehrđajućeg čelika s ispiranjem plinom namijenjen je radu u eksplozivno ugroženim prostorima. U tu svrhu korisnik može ispirati zabrtvljeni ormar dušikom ili svježim zrakom kako bi spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

 

MultiPhaseCavitator – umetak za ultrazvučnu protočnu ćeliju

MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 specijalizirani je umetak za Hielscher ultrazvučne reaktore s protočnom ćelijom, namijenjen intenziviranju procesa tekućina/tekućina i tekućina/plin izravno u zoni ultrazvučne kavitacije. Ubrizgavanjem druge tekuće faze ili plinske faze kroz 48 finih kanila u glavni tok tekućine, MultiPhaseCavitator stvara vrlo sitne kapljice ili mjehuriće plina s velikom specifičnom međufaznom površinom. To ga čini osobito učinkovitim za ultrazvučno emulgiranje, pri kojem se nemješljive faze dispergiraju u fine emulzije, te za katalitičke reakcije s plinovima, pri kojima se ubrizgana plinska faza brzo dispergira i dovodi u bliski kontakt s tekućom fazom, otopljenim reaktantima ili suspendiranim katalizatorima. Nastalo kavitacijsko smicanje, mikromiješanje i poboljšani prijenos tvari mogu poboljšati kinetiku reakcije, kontakt na granici faza i učinkovitost procesa u kontinuiranom ili šaržnom protočnom radu.

Pročitajte više o uređaju MultiPhaseCavitator!

Mehanizmi ultrazvučne intenzifikacije reaktora

Prednosti sonikacije u kemijskim reaktorima temelje se na nekoliko međusobno povezanih mehanizama.

• Akustična kavitacija najvažniji je mehanizam. Obuhvaća nastajanje, rast i kolaps mikroskopskih mjehurića u tekućini izloženoj ultrazvuku visokog intenziteta. Kolaps mjehurića uzrokuje lokalizirano oslobađanje energije i snažne mehaničke sile.
• Akustično strujanje stvara postojano gibanje fluida izazvano ultrazvučnim valovima. Time se poboljšavaju miješanje i prijenos u područjima u kojima mehaničko miješanje može biti slabo.
• Miješanje oscilirajućim strujanjem nastaje kada ultrazvučne vibracije uzrokuju brzo gibanje tekućine naprijed-natrag. U reaktorskim sustavima amplitude od približno 10 do 200 µm mogu proizvesti vrlo učinkovito miješanje i poboljšan prijenos tvari.
• Mikromlazovi i udarni valovi nastaju u blizini kavitacijskih mjehurića koji kolabiraju, osobito u blizini krutih površina. Ti učinci mogu očistiti površine katalizatora, narušiti granične slojeve i poboljšati pristup tekućine aktivnim mjestima.
• Povećanje međufazne površine osobito je važno u sustavima tekuće–tekuće. Ultrazvuk može stvoriti sitne kapljice i stabilne disperzije, povećavajući površinu dostupnu za reakciju ili prijenos tvari.

Zajedno, ti mehanizmi čine sonikaciju moćnim alatom za intenzifikaciju kemijskih reaktora.

 

Intenzivna ultrazvučna obrada stvara kavitacijske mjehuriće u vodi. Naknadni kolaps kavitacijskih mjehurića stvara izrazito snažno mehaničko smicanje u tekućini. Taj učinak razara stanice, primjerice pri ekstrakciji biljnih sirovina, ili usitnjava kapljice ulja u vodi na vrlo male veličine (emulgiranje). Kavitacijski učinak čini ultrazvučne homogenizatore Hielscher vrlo učinkovitim sredstvom za dispergiranje, homogenizaciju, emulgiranje i ekstrakciju. Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sonde snage od 50 vata do 16000 vata za ultrazvučne procese u laboratoriju i proizvodnji punog kapaciteta.

 

Industrijska važnost projektiranja sonokemijskih reaktora

Industrijska važnost reaktora sa sonikacijom nadilazi brže miješanje. Sonikacija omogućuje upravljanje reakcijskim okruženjima na razinama koje konvencionalna oprema ne može lako dosegnuti.
U kemijskom inženjerstvu mnoga ograničenja reaktora proizlaze iz prijenosnih pojava, a ne iz intrinzičnih brzina reakcije. Reaktanti možda ne dopiru dovoljno brzo do katalitičkih mjesta. Tekućine koje se ne miješaju mogu imati nedovoljnu dodirnu površinu. Krutine mogu aglomerirati. Membrane se mogu onečistiti. Površine katalizatora mogu se blokirati.
Sonikacija rješava ta ograničenja izravnim poboljšanjem fizikalnih uvjeta unutar reaktora. Zbog toga je važna za nekoliko istraživačkih i industrijskih prioriteta:

• ekološki prihvatljivija kemijska obrada
• manja potreba za energijom i otapalima
• poboljšana učinkovitost katalizatora
• veća selektivnost reakcije
• brži razvoj procesa
• kontinuirana proizvodnja
• intenzificirani modularni reaktorski sustavi
• sinteza naprednih materijala
• održiva pretvorba biomase i tokova otpada

Istraživačima sonikacija nudi kontroliranu metodu za proučavanje odnosa između unosa akustične energije, ponašanja kavitacije, poboljšanja prijenosa i kemijske učinkovitosti. Industriji nudi praktičan put prema kompaktnim, učinkovitim reaktorskim sustavima čiji se kapacitet može povećavati.

 

 

Prednosti sonikacije u kemijskim reaktorima

Integracija ultrazvuka u konstrukciju reaktora donosi nekoliko operativnih i znanstvenih prednosti:

• veće brzine reakcija zahvaljujući poboljšanom prijenosu tvari
• bolje miješanje u višefaznim sustavima
• poboljšano dispergiranje krutih tvari i kapljica
• poboljšana iskorištenost katalizatora
• smanjena difuzijska ograničenja
• čišće površine katalizatora i membrana
• poboljšana ponovljivost procesa u protočnim sustavima
• moguće smanjenje temperature, tlaka ili vremena reakcije
• kompatibilnost sa šaržnim i kontinuiranim radom
• velika važnost za heterogenu katalizu i dvofazne reakcije

Te prednosti čine tehnologiju ultrazvučnih reaktora posebno privlačnom za fine kemikalije, specijalne kemikalije, katalizu, nanomaterijale, zelenu kemiju i intenzifikaciju procesa.

Intenzivirajte rad svojeg kemijskog reaktora sonikatorima Hielscher!

Sonikatori Hielscher vrlo su prikladni za prilagođenu integraciju u kemijske reaktore jer su dostupni kao robusni ultrazvučni sustavi velike snage s prilagodljivim sonotrodama, protočnim ćelijama, reaktorskim umetcima i priborom specifičnim za pojedine procese. Ovisno o reakcijskoj konfiguraciji, ultrazvučni procesori Hielscher mogu se ugraditi u šaržne reaktore, kontinuirane kotlaste reaktore s miješanjem, linijske protočne reaktore, recirkulacijske petlje, sustave pod tlakom te pilotna postrojenja ili postrojenja proizvodnog mjerila. Ta fleksibilnost omogućuje primjenu ultrazvuka upravo ondje gdje je kavitacija najučinkovitija: na međufaznoj površini tekućina–krutina, tekućina–tekućina ili tekućina–plin. Hielscher Ultrasonics također nudi različite vrste ultrazvučnih šaržnih i linijskih reaktora, koji omogućuju kontroliranu sonokemijsku obradu, emulgiranje, dispergiranje, aktivaciju katalizatora, čišćenje površina, intenzifikaciju prijenosa tvari i ubrzavanje reakcija. Uz preciznu kontrolu amplitude, unesene snage, temperature, tlaka, protoka i vremena zadržavanja, sonikatori Hielscher mogu se prilagoditi specifičnim zahtjevima laboratorijskih istraživanja, razvoja procesa, povećanja mjerila i industrijske kemijske proizvodnje.

Tablica u nastavku daje okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je tvrtka s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću uporabe. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

---

---

 

Literatura / Reference

• 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.