Reaktori u spremnicima s kontinuiranim miješanjem koji se miješaju ultrazvukom

Reaktori u spremniku s kontinuiranim miješanjem (CSTR) široko se primjenjuju za razne kemijske reakcije uključujući katalizu, kemiju emulzije, polimerizaciju, sintezu, ekstrakciju i kristalizaciju. Spora kinetika reakcije čest je problem u CSTR-u, koji se lako može prevladati primjenom ultrazvuka. Intenzivno miješanje, miješanje i sonokemijski učinci snažnog ultrazvuka ubrzavaju kinetiku reakcije i značajno poboljšavaju stopu konverzije. Ultrasonicators se lako mogu integrirati u CSTRs bilo kojeg volumena.

Zašto primjenjivati Power-Ultrasound na reaktor spremnika s kontinuiranim miješanjem?

Reaktor u spremniku s kontinuiranim miješanjem (CSTR, ili jednostavno reaktor u spremniku s miješanjem (STR)) po svojim je glavnim karakteristikama prilično sličan šaržnom reaktoru. Glavna važna razlika je u tome što se za postavljanje reaktora sa spremnikom s kontinuiranim miješanjem (CSTR) dovod materijala mora osigurati kontinuiranim protokom u i iz reaktora. Napajanje reaktora može se postići gravitacijskim strujanjem ili strujanjem prisilne cirkulacije pomoću pumpe. CSTR se ponekad naziva reaktor s povratnim miješanim protokom (BMR).
CSTR se obično koriste kada je potrebno miješanje dviju ili više tekućina. CSTR se mogu koristiti kao pojedinačni reaktori ili se mogu instalirati kao niz konfiguracija za različite tokove koncentracije i korake reakcije. Osim upotrebe reaktora s jednim spremnikom, uobičajeno se koristi serijska ugradnja različitih spremnika (jedan za drugim) ili kaskadni postav.
Zašto Ultrasonication? Dobro je poznato da ultrazvučno miješanje i miješanje, kao i sonokemijski učinci snažnog ultrazvuka doprinose učinkovitosti kemijskih reakcija. Poboljšano miješanje i smanjenje veličine čestica zbog ultrazvučnih vibracija i kavitacije osiguravaju značajno ubrzanu kinetiku i povećanu stopu konverzije. Sonokemijski učinci mogu isporučiti potrebnu energiju za pokretanje kemijskih reakcija, promjenu kemijskih putova i dati veće prinose zbog potpunije reakcije.

Ultrazvučno pojačani CSTR može se koristiti za aplikacije kao što su:

• Heterogene reakcije tekućina-tekućina
• Heterogene reakcije čvrsto-tekuće
• Homogene reakcije tekuće faze
• Heterogene reakcije plin-tekućina
• Heterogene reakcije plin-krutina-tekućina

Ultrasonication kao sintetski kemijski sustav velike brzine

Sintetička kemija velike brzine nova je reakcijska tehnika koja se koristi za pokretanje i intenziviranje kemijske sinteze. U usporedbi s tradicionalnim reakcijskim putovima, kojima je potrebno nekoliko sati ili dana pod refluksom, ultrazvučno potaknuti sintezni reaktori mogu minimizirati trajanje reakcije na nekoliko minuta, što rezultira značajno ubrzanom sinteznom reakcijom. Intenzifikacija ultrazvučne sinteze temelji se na principu rada akustične kavitacije i s njom povezanih sila, uključujući lokalno ograničeno pregrijavanje. Saznajte više o ultrazvuku, akustičnoj kavitaciji i sonokemiji u sljedećem odjeljku.

Ultrazvučna kavitacija i njeni sonokemijski učinci

Ultrazvučna (ili akustična) kavitacija nastaje kada se moćni ultrazvuk spoji u tekućine ili kaše. Kavitacija je prijelaz iz tekuće faze u parnu fazu, koji nastaje zbog pada tlaka do razine napetosti pare tekućine.
Ultrazvučna kavitacija stvara vrlo visoke sile smicanja i mlazove tekućine do 1000 m/s. Ovi tekući mlazovi ubrzavaju čestice i uzrokuju sudare među česticama smanjujući tako veličinu čestica krutih tvari i kapljica. Dodatno – lokaliziran unutar iu neposrednoj blizini implodirajućeg kavitacijskog mjehurića – stvaraju se ekstremno visoki pritisci reda veličine stotina atmosfera i temperature reda veličine tisuća stupnjeva Kelvina.
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.

Sonokemija poboljšava kinetiku reakcije

Budući da ultrazvuk stvara intenzivne vibracije i kavitaciju, to utječe na kemijsku kinetiku. Kinetika kemijskog sustava usko je povezana s kavitacijskim širenjem i implozijom mjehurića, pri čemu značajno utječe na dinamiku kretanja mjehurića. Otopljeni plinovi u otopini za kemijsku reakciju utječu na karakteristike sonokemijske reakcije putem toplinskih i kemijskih učinaka. Toplinski učinci utječu na vršne temperature koje se postižu tijekom kolapsa mjehurića unutar kavitacijske šupljine; kemijski učinci modificiraju učinke plinova koji su izravno uključeni u reakciju.
Heterogene i homogene reakcije sa sporom kinetikom reakcija uključujući Suzukijeve reakcije spajanja, taloženje, kristalizaciju i kemiju emulzije predodređene su za pokretanje i promicanje pomoću ultrazvuka snage i njegovih sonokemijskih učinaka.
Na primjer, za sintezu ferulinske kiseline, niskofrekventna (20kHz) sonikacija pri snazi od 180 W dala je prinos ferulinske kiseline od 94% na 60°C u 3 sata. Ovi rezultati Truonga i sur. (2018.) pokazuju da je uporaba niske frekvencije (tip roga i zračenje velike snage) značajno poboljšala stopu konverzije dajući prinose veće od 90%.

Ultrazvučno pojačana kemija emulzija

Heterogene reakcije kao što je kemija emulzije imaju značajnu korist od primjene snažnog ultrazvuka. Ultrazvučna kavitacija smanjila je i distribuirala kapljice svake faze homogeno jednu unutar druge stvarajući submikronsku ili nano-emulziju. Budući da kapljice nano veličine nude drastično povećanu površinu za interakciju s različitim kapljicama, prijenos mase i brzina reakcije značajno su poboljšani. Pod sonikacijom, reakcije poznate po svojoj tipično sporoj kinetici pokazuju dramatično poboljšane stope konverzije, veće prinose, manje nusproizvoda ili otpada i bolju ukupnu učinkovitost. Ultrazvučno poboljšana kemija emulzije često se primjenjuje za polimerizaciju emulzija, npr. za proizvodnju polimernih mješavina, ljepila na bazi vode i posebnih polimera.

10 stvari koje biste trebali znati prije nego kupite kemijski reaktor

Kada odaberete kemijski reaktor za kemijski proces, postoji mnogo čimbenika koji utječu na optimalni dizajn kemijskog reaktora. Ako vaš kemijski proces uključuje višefazne, heterogene kemijske reakcije i ima sporu kinetiku reakcije, miješanje reaktora i aktivacija procesa ključni su utjecajni čimbenici za uspješnu kemijsku pretvorbu i za ekonomične (operativne) troškove kemijskog reaktora.
Ultrasonication poboljšava reakcijsku kinetiku tekućina-tekućina i tekućina-krutina kemijskih reakcija u kemijskim šaržnim reaktorima i inline reakcijskim posudama značajno. Stoga integracija ultrazvučnih sondi u kemijski reaktor može smanjiti troškove reaktora i poboljšati ukupnu učinkovitost i kvalitetu konačnog proizvoda.
Vrlo često inženjerstvu kemijskih reaktora nedostaje znanje o poboljšanju procesa uz pomoć ultrazvuka. Bez dubokog znanja o utjecaju snažnog ultrazvuka, ultrazvučne agitacije, akustične kavitacije i sonokemijskih učinaka na performanse kemijskog reaktora, analiza kemijskog reaktora i konvencionalne osnove dizajna mogu proizvesti samo lošije rezultate. U nastavku ćete dobiti pregled temeljnih prednosti ultrazvuka za dizajn i optimizaciju kemijskog reaktora.

Prednosti ultrazvučno pojačanog kontinuiranog spremnika reaktora s miješanjem (CSTR)

• • Ultrazvučno poboljšani reaktori za laboratorije i proizvodnju:
    Jednostavna skalabilnost: Ultrazvučni procesori su lako dostupni za laboratorijske veličine, pilot i proizvodnju velikih razmjera
    Ponovljivo/ponovljivo rezultate zahvaljujući precizno kontroliranim ultrazvučnim parametrima
    Kapacitet i brzina reakcije: ultrazvučno pojačane reakcije su brže i time ekonomičnije (niži troškovi)
  • Sonokemija je primjenjiva kako za opće tako i za posebne svrhe

– prilagodljivost & svestranost, npr. fleksibilne mogućnosti instalacije i postavljanja te interdisciplinarna uporaba

• Ultrasonication se može koristiti u eksplozivnim okruženjima
  – pročišćavanje (npr. dušikov sloj)
  – nema otvorene površine
• Jednostavno čišćenje: samočišćenje (CIP – čišćenje na mjestu)
• Odaberite željeni materijal za izradu
  – staklo, nehrđajući čelik, titan
  – nema rotirajućih brtvila
  – širok izbor brtvila
• Ultrasonicators se može koristiti u širokom rasponu temperatura
• Ultrasonicators se može koristiti u širokom rasponu tlakova
• Sinergijski učinak s drugim tehnologijama, npr. elektrokemija (sono-elektrokemija), kataliza (sono-kataliza), kristalizacija (sono-kristalizacija) itd.
• Sonikacija je idealna za poboljšanje bioreaktora, npr. fermentacije.
• Otapanje? Otapanje: U procesima otapanja čestice prelaze iz jedne faze u drugu, npr. kada se čvrste čestice otope u tekućini. Utvrđeno je da stupanj miješanja utječe na brzinu procesa. Mnogi mali kristali otapaju se mnogo brže pod ultrazvučnom kavitacijom nego oni u šaržnim reaktorima s uobičajenim miješanjem. I ovdje razlog za različite brzine leži u različitim brzinama prijenosa mase na površini čestica. Na primjer, ultrazvuk se uspješno primjenjuje za stvaranje prezasićenih otopina, npr. u procesima kristalizacije (sono-kristalizacija).
• Ultrazvučno potaknuta kemijska ekstrakcija:
  – Tekućina-krutina, npr. botanička ekstrakcija, kemijska ekstrakcija
  – Tekućina-tekućina: Kada se ultrazvuk primijeni na sustav ekstrakcije tekućina-tekućina, stvara se emulzija jedne od faza u drugoj. Ovakvo stvaranje emulzije dovodi do povećanih međufaznih površina između dviju faza koje se ne miješaju, što rezultira pojačanim protokom prijenosa mase između faza.

Kako ultrazvuk poboljšava kemijske reakcije u reaktorima s miješalicom?

• Veća kontaktna površina: U reakcijama između reaktanata u heterogenim fazama mogu reagirati samo čestice koje se sudaraju jedna s drugom na graničnoj površini. Što je veće sučelje, može doći do više sudara. Kako se tekući ili kruti dio tvari razbija u manje kapljice ili krute čestice suspendirane u kontinuiranoj fazi tekućine, površina te tvari se povećava. Nadalje, kao rezultat smanjenja veličine, povećava se broj čestica i stoga se smanjuje prosječna udaljenost između tih čestica. Ovo poboljšava izloženost kontinuirane faze disperziranoj fazi. Stoga se brzina reakcije povećava sa stupnjem fragmentacije disperzne faze. Mnoge kemijske reakcije u disperzijama ili emulzijama pokazuju drastična poboljšanja u brzini reakcije kao rezultat ultrazvučnog smanjenja veličine čestica.
• Kataliza (Energija aktivacije): Katalizatori su od velike važnosti u mnogim kemijskim reakcijama, u laboratorijskom razvoju i industrijskoj proizvodnji. Često su katalizatori u čvrstoj ili tekućoj fazi i ne mogu se miješati s jednim ili svim reaktantima. Stoga je kataliza najčešće heterogena kemijska reakcija. U proizvodnji najvažnijih osnovnih kemikalija kao što su sumporna kiselina, amonijak, dušična kiselina, eten i metanol, katalizatori imaju važnu ulogu. Velika područja ekološke tehnologije temelje se na katalitičkim procesima. Sudar čestica dovodi do kemijske reakcije, odnosno pregrupiranja atoma, samo ako se čestice sudaraju s dovoljnom kinetičkom energijom. Ultrasonication je vrlo učinkovito sredstvo za povećanje kinetike u kemijskim reaktorima. U procesu heterogene katalize, dodavanje ultrazvuka dizajnu kemijskog reaktora može smanjiti potrebu za katalizatorom. To može dovesti do upotrebe manje katalizatora ili lošijih, manje plemenitih katalizatora.
• Veća učestalost kontakta? poboljšan prijenos mase: Ultrazvučno miješanje i miješanje vrlo je učinkovita metoda za stvaranje sitnih kapljica i čestica (tj. sub-mikronskih i nano-čestica), koje nude veću aktivnu površinu za reakcije. Pod dodatnom intenzivnom agitacijom i mikrokretanjem uzrokovanim snažnim ultrazvukom, učestalost međučestičnog kontakta drastično se povećava što rezultira značajno poboljšanom stopom konverzije.
• Komprimirana plazma: Za mnoge reakcije, povećanje temperature reaktora za 10 Kelvina uzrokuje približno udvostručenje brzine reakcije. Ultrazvučna kavitacija proizvodi lokalizirane visoko reaktivne vruće točke do 5000 K unutar tekućine, bez značajnog zagrijavanja ukupnog volumena tekućine u kemijskom reaktoru.
• Termalna energija: Svaka ultrazvučna energija koju dodate dizajnu kemijskog reaktora, konačno će se pretvoriti u toplinsku energiju. Stoga možete ponovno upotrijebiti energiju za kemijski proces. Umjesto unosa toplinske energije pomoću grijaćih elemenata ili pare, ultrazvučna obrada uvodi proces koji aktivira mehaničku energiju pomoću visokofrekventnih vibracija. U kemijskom reaktoru to proizvodi ultrazvučnu kavitaciju koja aktivira kemijski proces na više razina. Konačno, ogromno ultrazvučno smicanje kemikalija rezultira pretvorbom u toplinsku energiju, tj. toplinu. Možete koristiti šaržne reaktore s omotačem ili inline reaktore za hlađenje kako biste održali konstantnu temperaturu procesa za svoju kemijsku reakciju.

Ultrasonicators visokih performansi za poboljšane kemijske reakcije u CSTR

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne homogenizatore i raspršivače visokih performansi za integraciju u reaktore s kontinuiranim miješanjem u spremniku (CSTR). Hielscher ultrasonicators se koriste u cijelom svijetu za promicanje, intenzivirati, ubrzati i poboljšati kemijske reakcije.
Hielscher Ultrasonics’ ultrazvučni procesori dostupni su u svim veličinama od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za aplikacije u kemiji protoka. Precizna prilagodba ultrazvučne amplitude (što je najvažniji parametar) omogućuje rad Hielscher ultrasonicatorsa na niskim do vrlo visokim amplitudama i fino podešavanje amplitude točno prema potrebnim uvjetima ultrazvučnog procesa specifičnog kemijskog reakcijskog sustava.
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.
Praćenje procesa i bilježenje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitetu proizvoda. Pristupom automatski snimljenim procesnim podacima možete revidirati prethodne sonikacijske radove i procijeniti ishod.
Još jedna značajka prilagođena korisniku je daljinsko upravljanje našim digitalnim ultrazvučnim sustavima putem preglednika. Putem daljinskog upravljanja preglednikom možete pokrenuti, zaustaviti, prilagoditi i nadzirati svoj ultrazvučni procesor daljinski s bilo kojeg mjesta.
Kontaktirajte nas sada kako biste saznali više o našim visokoučinkovitim ultrazvučnim homogenizatorima koji mogu poboljšati vaš reaktor spremnika s kontinuiranim miješanjem (CSTR)!
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: