Spremnički reaktori s kontinuiranim miješanjem potpomognutim ultrazvukom

Spremnički reaktori s kontinuiranim miješanjem (CSTR) široko se primjenjuju za različite kemijske reakcije, uključujući katalizu, emulzijsku kemiju, polimerizaciju, sintezu, ekstrakciju i kristalizaciju. Spora kinetika reakcije čest je problem u CSTR-ovima koji se lako može prevladati primjenom sonikacije ultrazvukom velike snage. Intenzivno miješanje, pobuđivanje gibanja i sonokemijski učinci ultrazvuka velike snage ubrzavaju kinetiku reakcije i znatno poboljšavaju stopu konverzije. Ultrazvučni uređaji mogu se lako integrirati u CSTR-ove bilo kojeg volumena.

Zašto primijeniti ultrazvuk velike snage u spremničkom reaktoru s kontinuiranim miješanjem?

Spremnički reaktor s kontinuiranim miješanjem (CSTR ili jednostavno spremnički reaktor s miješanjem (STR)) po svojim je osnovnim značajkama prilično sličan šaržnom reaktoru. Glavna je razlika u tome što se u konfiguraciji spremničkog reaktora s kontinuiranim miješanjem (CSTR) mora osigurati kontinuirani dotok materijala u reaktor i odvod iz njega. Materijal se može dovoditi u reaktor gravitacijskim tokom ili prisilnom cirkulacijom pomoću pumpe. CSTR se ponekad naziva protočnim reaktorom s povratnim miješanjem (BMR).
CSTR-ovi se obično upotrebljavaju kada je potrebno miješati dvije ili više tekućina. CSTR-ovi se mogu upotrebljavati kao pojedinačni reaktori ili se mogu postaviti u niz konfiguracija za tokove različitih koncentracija i različite reakcijske korake. Osim primjene jednog spremničkog reaktora, često se primjenjuje serijsko postavljanje više spremnika (jednog za drugim) ili kaskadna konfiguracija.
Zašto sonikacija? Dobro je poznato da ultrazvučno miješanje i pobuđivanje gibanja, kao i sonokemijski učinci ultrazvuka velike snage, pridonose učinkovitosti kemijskih reakcija. Poboljšano miješanje i smanjenje veličine čestica uslijed ultrazvučnih vibracija i kavitacije osiguravaju znatno ubrzanu kinetiku i poboljšanu stopu konverzije. Sonokemijski učinci mogu osigurati energiju potrebnu za pokretanje kemijskih reakcija, promjenu reakcijskih putova i postizanje većih prinosa zahvaljujući potpunijoj reakciji.

CSTR s procesima intenziviranima ultrazvukom može se upotrebljavati za primjene kao što su:

• Heterogene reakcije tekućina–tekućina
• Heterogene reakcije krutina–tekućina
• Homogene reakcije u tekućoj fazi
• Heterogene reakcije plin–tekućina
• Heterogene reakcije plin–krutina–tekućina

Sonikacija kao sustav za brzu kemijsku sintezu

Brza sintetska kemija nova je reakcijska tehnika koja se upotrebljava za pokretanje i intenziviranje kemijske sinteze. U usporedbi s tradicionalnim reakcijskim putovima, koji zahtijevaju nekoliko sati ili dana uz refluks, reaktori za sintezu potpomognutu ultrazvukom mogu skratiti trajanje reakcije na svega nekoliko minuta, što rezultira znatno ubrzanom reakcijom sinteze. Intenziviranje sinteze ultrazvukom temelji se na principu djelovanja 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 njezini sonokemijski učinci

Ultrazvučna (ili akustična) kavitacija nastaje kada se energija ultrazvuka velike snage prenosi u tekućine ili suspenzije. Kavitacija je prijelaz iz tekuće u parnu fazu, koji nastaje zbog pada tlaka na razinu tlaka pare fluida.
Ultrazvučna kavitacija stvara vrlo velike smične sile i mlazove tekućine brzine do 1000m/s. Ti mlazovi tekućine ubrzavaju čestice i uzrokuju sudare među njima, čime smanjuju veličinu krutih čestica i kapljica. Osim toga, lokalno unutar implodirajućeg kavitacijskog mjehurića i u njegovoj neposrednoj blizini nastaju iznimno visoki tlakovi reda veličine stotina atmosfera i temperature reda veličine tisuća stupnjeva Kelvina.
Iako je ultrazvučna obrada isključivo mehanička metoda obrade, može izazvati lokalno ograničen ekstreman porast temperature. To je posljedica intenzivnih sila koje nastaju unutar kolabirajućih kavitacijskih mjehurića i u njihovoj neposrednoj blizini, gdje se lako mogu postići temperature od nekoliko tisuća stupnjeva Celzija. U ukupnom volumenu otopine porast temperature nastao implozijom jednog mjehurića gotovo je zanemariv, ali odvođenje topline iz brojnih kavitacijskih mjehurića, kakvo se opaža u kavitacijskim vrućim točkama (koje nastaju sonikacijom ultrazvukom velike snage), naposljetku može prouzročiti mjerljiv porast temperature ukupnog volumena otopine. Prednost ultrazvučne obrade i sonokemije leži u mogućnosti kontroliranja temperaturnih učinaka tijekom obrade: temperatura ukupnog volumena otopine može se kontrolirati uporabom spremnika s rashladnim plaštevima te pulsnom sonikacijom. Napredni ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu privremeno zaustaviti ultrazvuk kada se dosegne gornja temperaturna granica i nastaviti ultrazvučnu obradu čim se dosegne donja vrijednost zadanog ∆T. To je osobito važno kada se upotrebljavaju reaktanti osjetljivi na toplinu.

Sonokemija poboljšava kinetiku reakcije

Budući da sonikacija stvara intenzivne vibracije i kavitaciju, ona utječe na kemijsku kinetiku. Kinetika kemijskog sustava usko je povezana sa širenjem i implozijom kavitacijskih mjehurića, pri čemu znatno utječe na dinamiku njihova gibanja. Otopljeni plinovi u otopini u kojoj se odvija kemijska reakcija utječu na značajke sonokemijske reakcije i toplinskim i kemijskim učincima. Toplinski učinci utječu na vršne temperature koje se postižu tijekom kolapsa mjehurića unutar kavitacijske šupljine; kemijski učinci mijenjaju učinke plinova koji izravno sudjeluju u reakciji.
Heterogene i homogene reakcije sa sporom kinetikom, uključujući reakcije Suzukijeva spajanja, taloženje, kristalizaciju i emulzijsku kemiju, osobito su prikladne za pokretanje i pospješivanje ultrazvukom velike snage i njegovim sonokemijskim učincima.
Primjerice, pri sintezi ferulinske kiseline niskofrekventna (20kHz) sonikacija pri snazi od 180 W dala je iskorištenje ferulinske kiseline od 94% pri 60°C za 3 h. Ti rezultati autora Truong i sur. (2018) pokazuju da je primjena niske frekvencije (sonotroda tipa roga i ozračivanje velikom snagom) znatno poboljšala stupanj konverzije, dajući iskorištenja veća od 90%.

Ultrazvučno intenzivirana emulzijska kemija

Heterogene reakcije, poput onih u kemiji emulzija, imaju znatnu korist od primjene ultrazvuka velike snage. Ultrazvučna kavitacija smanjuje kapljice svake faze i homogeno ih raspodjeljuje unutar druge faze, stvarajući submikronsku emulziju ili nanoemulziju. Budući da kapljice nanometarskih dimenzija nude drastično povećanu površinu za interakciju s drugim kapljicama, prijenos tvari i brzina reakcije znatno se poboljšavaju. Pri sonikaciji reakcije poznate po svojoj tipično sporoj kinetici pokazuju izrazito poboljšane stupnjeve konverzije, veće prinose, manje nusproizvoda ili otpada te bolju ukupnu učinkovitost. Ultrazvučno poboljšana kemija emulzija često se primjenjuje za emulzijsku polimerizaciju, primjerice za proizvodnju polimernih mješavina, ljepila na bazi vode i specijalnih polimera.

10 stvari koje trebate znati prije kupnje kemijskog reaktora

Pri odabiru kemijskog reaktora za kemijski proces brojni čimbenici utječu na optimalnu konstrukciju kemijskog reaktora. Ako vaš kemijski proces uključuje višefazne, heterogene kemijske reakcije i ima sporu reakcijsku kinetiku, miješanje u reaktoru i aktivacija procesa ključni su čimbenici koji utječu na uspješnu kemijsku konverziju i ekonomičnost (operativnih) troškova kemijskog reaktora.
Ultrazvučna obrada znatno poboljšava kinetiku kemijskih reakcija tekućina–tekućina i tekućina–krutina u šaržnim kemijskim reaktorima i protočnim reakcijskim posudama. Stoga ugradnja ultrazvučnih sondi u kemijski reaktor može smanjiti troškove reaktora te poboljšati ukupnu učinkovitost i kvalitetu konačnog proizvoda.
U projektiranju kemijskih reaktora vrlo često nedostaje znanja o poboljšanju procesa uz pomoć ultrazvuka. Bez temeljitog poznavanja utjecaja ultrazvuka velike snage, ultrazvučnog miješanja, akustične kavitacije i sonokemijskih učinaka na rad kemijskog reaktora, analiza kemijskog reaktora i konvencionalna načela projektiranja mogu dati samo slabije rezultate. U nastavku ćete dobiti pregled temeljnih prednosti ultrazvuka za projektiranje i optimizaciju kemijskih reaktora.

Prednosti ultrazvučno intenziviranog kontinuiranog kotlastog reaktora s miješanjem (CSTR)

• • Ultrazvučno poboljšani reaktori za laboratorij i proizvodnju:
    Jednostavno skaliranje: Ultrazvučni procesori lako su dostupni za laboratorijsko mjerilo, pilot-proizvodnju i proizvodnju velikih razmjera
    Reproducibilni / ponovljivi rezultati zahvaljujući precizno podesivim ultrazvučnim parametrima
    Kapacitet i brzina reakcije: ultrazvučno intenzivirane reakcije brže su i stoga ekonomičnije (niži troškovi)
  • Sonokemija je primjenjiva za opće i posebne namjene

– prilagodljivost i svestranost, npr. fleksibilne mogućnosti ugradnje i konfiguracije te interdisciplinarna primjena

• Ultrazvučna obrada može se primjenjivati u eksplozivnim okruženjima
  – ispiranje (npr. zaštitna atmosfera dušika)
  – nema otvorene površine
• Jednostavno čišćenje: samočišćenje (CIP – čišćenje na mjestu)
• Odaberite željene konstrukcijske materijale
  – staklo, nehrđajući čelik, titanij
  – bez rotacijskih brtvi
  – širok izbor brtvenih materijala
• Ultrazvučni uređaji mogu se upotrebljavati u širokom rasponu temperatura
• Ultrazvučni uređaji mogu se upotrebljavati u širokom rasponu tlakova
• Sinergijski učinak s drugim tehnologijama, npr. elektrokemijom (sono-elektrokemija), katalizom (sono-kataliza), kristalizacijom (sono-kristalizacija) itd.
• Sonikacija je idealna za poboljšanje rada bioreaktora, npr. fermentacije.
• Otapanje / otapanje tvari: U procesima otapanja čestice prelaze iz jedne faze u drugu, npr. kada se čvrste čestice otapaju u tekućini. Utvrđeno je da intenzitet miješanja utječe na brzinu procesa. Mnogi mali kristali pod djelovanjem ultrazvučne kavitacije otapaju se mnogo brže nego jedan kristal u konvencionalno miješanim šaržnim reaktorima. I ovdje razlog različitih brzina leži u različitim brzinama prijenosa tvari na površinama čestica. Primjerice, ultrazvučna obrada uspješno se primjenjuje za stvaranje prezasićenih otopina, npr. u procesima kristalizacije (sono-kristalizacija).
• Ultrazvučno potpomognuta kemijska ekstrakcija:
  – Tekuće–kruto, npr. ekstrakcija iz biljnog materijala, kemijska ekstrakcija
  – Tekuće–tekuće: Kada se ultrazvuk primjenjuje na sustav za ekstrakciju tekuće–tekuće, nastaje emulzija jedne faze u drugoj. Nastanak te emulzije povećava međufaznu površinu između dviju faza koje se međusobno ne miješaju, što rezultira povećanim tokom prijenosa tvari između faza.

Kako sonikacija poboljšava kemijske reakcije u kotlastim reaktorima s miješanjem?

• Veća kontaktna površina: U reakcijama između reaktanata u heterogenim fazama mogu reagirati samo čestice koje se međusobno sudaraju na međufaznoj površini. Što je međufazna površina veća, to može doći do više sudara. Kada se tekući ili kruti dio tvari razbije na manje kapljice ili krute čestice suspendirane u tekućini koja čini kontinuiranu fazu, površina te tvari se povećava. Nadalje, zbog smanjenja veličine povećava se broj čestica, pa se prosječna udaljenost između njih smanjuje. Time se poboljšava izloženost kontinuirane faze dispergiranoj fazi. Stoga brzina reakcije raste sa stupnjem usitnjavanja dispergirane faze. Mnoge kemijske reakcije u disperzijama ili emulzijama pokazuju drastično povećanje brzine 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. Katalizatori su često u krutoj ili tekućoj fazi i ne miješaju se s jednim reaktantom ili sa svim reaktantima. Stoga je kataliza najčešće heterogena kemijska reakcija. Katalizatori imaju važnu ulogu u proizvodnji najvažnijih osnovnih kemikalija kao što su sumporna kiselina, amonijak, dušična kiselina, eten i metanol. Velika područja tehnologije zaštite okoliša temelje se na katalitičkim procesima. Sudar čestica dovodi do kemijske reakcije, odnosno preraspodjele atoma, samo ako se čestice sudare s dovoljnom kinetičkom energijom. Sonikacija je vrlo učinkovito sredstvo za poboljšanje kinetike u kemijskim reaktorima. U procesu heterogene katalize uključivanje ultrazvuka u konstrukciju kemijskog reaktora može smanjiti potrebu za katalizatorom. To može rezultirati uporabom manje količine katalizatora ili manje kvalitetnih, manje plemenitih katalizatora.
• Veća učestalost kontakta / poboljšan prijenos tvari: Ultrazvučno miješanje i agitacija vrlo su učinkovita metoda za stvaranje vrlo sitnih kapljica i čestica (odnosno submikronskih čestica i nanočestica), koje pružaju veću aktivnu površinu za reakcije. Uz dodatnu intenzivnu agitaciju i mikrogibanje uzrokovane ultrazvukom velike snage, učestalost kontakta između čestica drastično se povećava, što rezultira znatno poboljšanim stupnjem konverzije.
• Komprimirana plazma: Kod mnogih reakcija povećanje temperature reaktora za 10 kelvina uzrokuje približno udvostručenje brzine reakcije. Ultrazvučna kavitacija stvara lokalizirane, vrlo reaktivne vruće točke s temperaturama do 5000K unutar tekućine, bez znatnog zagrijavanja ukupnog volumena tekućine u kemijskom reaktoru.
• Toplinska energija: Sva ultrazvučna energija koju unesete u kemijski reaktor na kraju će se pretvoriti u toplinsku energiju. Stoga tu energiju možete ponovno upotrijebiti za kemijski proces. Umjesto unosa toplinske energije grijaćim elementima ili parom, sonikacijom se putem visokofrekventnih vibracija unosi mehanička energija koja aktivira proces. U kemijskom reaktoru time nastaje ultrazvučna kavitacija koja aktivira kemijski proces na više razina. Naposljetku, intenzivno ultrazvučno smicanje kemikalija rezultira pretvorbom u toplinsku energiju, odnosno toplinu. Za hlađenje možete upotrijebiti šaržne reaktore s plaštem ili protočne reaktore kako biste održavali stalnu procesnu temperaturu svoje kemijske reakcije.

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za poboljšane kemijske reakcije u CSTR-u

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne homogenizatore i dispergatore visokih performansi za integraciju u kontinuirane kotlaste reaktore s miješanjem (CSTR). Ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher upotrebljavaju se diljem svijeta za poticanje, intenziviranje, ubrzavanje i poboljšavanje kemijskih reakcija.
Ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics dostupni su u svim veličinama, od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za primjene u protočnoj kemiji. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude (koja je najvažniji parametar) omogućuje rad ultrazvučnih uređaja tvrtke Hielscher pri niskim do vrlo visokim amplitudama te fino podešavanje amplitude točno prema potrebnim uvjetima ultrazvučnog procesa u određenom kemijskom reakcijskom sustavu.
Ultrazvučni generator tvrtke Hielscher opremljen je pametnim softverom s automatskim bilježenjem podataka. Svi važni parametri obrade, kao što su ultrazvučna energija, temperatura, tlak i vrijeme, automatski se pohranjuju na ugrađenu SD karticu čim se uređaj uključi.
Praćenje procesa i bilježenje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitetu proizvoda. Pristupom automatski zabilježenim procesnim podacima možete pregledati prethodne cikluse sonikacije i procijeniti rezultate.
Još jedna značajka naših digitalnih ultrazvučnih sustava koja olakšava upotrebu jest daljinsko upravljanje putem preglednika. Daljinskim upravljanjem putem preglednika možete s bilo kojeg mjesta pokrenuti, zaustaviti, podešavati i nadzirati svoj ultrazvučni procesor.
Obratite nam se sada kako biste saznali više o tome kako naši ultrazvučni homogenizatori visokih performansi mogu poboljšati vaš kontinuirani kotlasti reaktor s miješanjem (CSTR)!
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: