Ultrahanggal kevert, folyamatos üzemű kevert tartályreaktorok

A folyamatos üzemű kevert tartályreaktorokat (CSTR) széles körben alkalmazzák különféle kémiai reakciókhoz, többek között katalízishez, emulziós kémiához, polimerizációhoz, szintézishez, extrakcióhoz és kristályosításhoz. A lassú reakciókinetika gyakori probléma a CSTR-ekben, amely nagyteljesítményű ultrahangos kezeléssel könnyen leküzdhető. A nagyteljesítményű ultrahang által előidézett intenzív keverés, mozgatás és szonokémiai hatások felgyorsítják a reakciókinetikát, és jelentősen javítják a konverziós arányt. Az ultrahangos készülékek bármilyen térfogatú CSTR-be könnyen beépíthetők.

Miért alkalmazzunk nagyteljesítményű ultrahangot egy folyamatos üzemű kevert tartályreaktorban?

A folyamatos üzemű kevert tartályreaktor (CSTR, vagy egyszerűen kevert tartályreaktor (STR)) alapvető jellemzőit tekintve meglehetősen hasonló a szakaszos reaktorhoz. A legfontosabb különbség az, hogy a folyamatos üzemű kevert tartályreaktor (CSTR) kialakításánál az anyagot folyamatos áramlással kell a reaktorba bevezetni és onnan elvezetni. A reaktor táplálása gravitációs áramlással vagy szivattyúval létrehozott kényszerkeringetéssel valósítható meg. A CSTR-t időnként visszakeveréses áramlásos reaktornak (BMR) is nevezik.
A CSTR-eket általában akkor használják, amikor két vagy több folyadék keverésére van szükség. A CSTR-ek önálló reaktorként is használhatók, vagy sorba kapcsolt elrendezésekben telepíthetők különböző koncentrációjú anyagáramokhoz és reakciólépésekhez. Az egyetlen tartályreaktor alkalmazása mellett gyakori több tartály soros, egymás utáni telepítése vagy a kaszkádelrendezés is.
Miért alkalmazzunk ultrahangos kezelést? Az ultrahangos keverés és mozgatás, valamint a nagyteljesítményű ultrahang szonokémiai hatásai közismerten hozzájárulnak a kémiai reakciók hatékonyságához. Az ultrahangos rezgések és a kavitáció révén javuló keveredés és csökkenő részecskeméret jelentősen felgyorsítja a reakciókinetikát, és növeli a konverziós arányt. A szonokémiai hatások biztosíthatják a kémiai reakciók elindításához szükséges energiát, megváltoztathatják a reakcióutakat, és a teljesebb reakció révén nagyobb hozamokat eredményezhetnek.

Az ultrahanggal intenzifikált CSTR például a következő alkalmazásokhoz használható:

• Heterogén folyadék–folyadék reakciók
• Heterogén szilárd–folyadék reakciók
• Homogén folyadékfázisú reakciók
• Heterogén gáz–folyadék reakciók
• Heterogén gáz–szilárd–folyadék reakciók

Ultrahangos kezelés mint nagy sebességű kémiai szintézisrendszer

A nagy sebességű szintetikus kémia új reakciótechnika, amelyet a kémiai szintézis elindítására és intenzifikálására használnak. A hagyományos reakcióutakhoz képest, amelyek reflux mellett több órát vagy napot igényelnek, az ultrahanggal elősegített szintézisreaktorok néhány percre csökkenthetik a reakció időtartamát, ezáltal jelentősen felgyorsítva a szintézisreakciót. A szintézis ultrahangos intenzifikálása az akusztikus kavitáció működési elvén és a hozzá kapcsolódó erőkön alapul, beleértve a helyileg korlátozott túlhevülést is. A következő részben többet megtudhat az ultrahangról, az akusztikus kavitációról és a szonokémiáról.

Ultrahangos kavitáció és szonokémiai hatásai

Ultrahangos (vagy akusztikus) kavitáció akkor lép fel, amikor nagyteljesítményű ultrahangot csatolnak folyadékokba vagy zagyokba. A kavitáció a folyadékfázisból gőzfázisba történő átmenet, amely akkor következik be, amikor a nyomás a folyadék gőznyomásának szintjére csökken.
Az ultrahangos kavitáció igen nagy nyíróerőket és akár 1000m/s sebességű folyadéksugarakat hoz létre. Ezek a folyadéksugarak felgyorsítják a részecskéket, és részecskék közötti ütközéseket idéznek elő, ezáltal csökkentve a szilárd anyagok részecskeméretét és a cseppek méretét. Emellett – az összeroppanó kavitációs buborékon belül és annak közvetlen közelében, helyileg – rendkívül nagy, több száz atmoszféra nagyságrendű nyomás és több ezer Kelvin-fok nagyságrendű hőmérséklet alakul ki.
Bár az ultrahangos kezelés tisztán mechanikai feldolgozási módszer, helyileg korlátozott, szélsőséges hőmérséklet-emelkedést idézhet elő. Ez az összeomló kavitációs buborékokon belül és azok közvetlen közelében keletkező intenzív erőknek köszönhető, ahol könnyen elérhető a több ezer Celsius-fokos hőmérséklet. Az oldat teljes térfogatában az egyetlen buborék összeroppanásából eredő hőmérséklet-emelkedés szinte elhanyagolható, de a számos kavitációs buborékból származó hőleadás, amely a kavitációs forró pontokban figyelhető meg (amilyeneket a nagyteljesítményű ultrahanggal végzett kezelés hoz létre), végül mérhető emelkedést okozhat az oldat egészének hőmérsékletében. Az ultrahangos kezelés és a szonokémia előnye a feldolgozás során szabályozható hőmérsékleti hatásokban rejlik: az oldat egészének hőmérséklete hűtőköpenyes tartályokkal, valamint impulzusos ultrahangos kezeléssel szabályozható. A Hielscher Ultrasonics fejlett ultrahangos készülékei szüneteltethetik az ultrahangot egy felső hőmérsékleti határérték elérésekor, és folytathatják az ultrahangos kezelést, amint elérik a beállított ∆T alsó értékét. Ez különösen fontos hőérzékeny reaktánsok használatakor.

A szonokémia javítja a reakciókinetikát

Mivel az ultrahangos kezelés intenzív rezgéseket és kavitációt hoz létre, hatással van a kémiai kinetikára. Egy kémiai rendszer kinetikája szorosan összefügg a kavitációs buborék tágulásával és összeroppanásával, ezáltal jelentősen befolyásolva a buborékmozgás dinamikáját. A kémiai reakció oldatában oldott gázok mind hőhatások, mind kémiai hatások révén befolyásolják a szonokémiai reakció jellemzőit. A hőhatások befolyásolják a kavitációs üregben a buborék összeomlásakor elért csúcshőmérsékleteket; a kémiai hatások módosítják a reakcióban közvetlenül részt vevő gázok hatását.
A lassú reakciókinetikájú heterogén és homogén reakciók, köztük a Suzuki-kapcsolási reakciók, a kicsapás, a kristályosítás és az emulziós kémiai reakciók különösen alkalmasak arra, hogy nagyteljesítményű ultrahanggal és annak szonokémiai hatásaival indítsák el és segítsék elő őket.
Például a ferulasav szintézisénél az alacsony frekvenciájú (20kHz), 180 W teljesítményű ultrahangos kezelés 60°C-on, 3 h alatt 94%-os ferulasavhozamot eredményezett. Truong és munkatársai (2018) ezen eredményei azt mutatják, hogy az alacsony frekvencia alkalmazása (szonotróda típusú eszközzel és nagyteljesítményű besugárzással) jelentősen javította a konverziós arányt, és 90%-nál nagyobb hozamokat eredményezett.

Ultrahanggal intenzifikált emulziós kémia

A heterogén reakciók, például az emulziós kémiai reakciók jelentősen profitálnak a nagyteljesítményű ultrahang alkalmazásából. Az ultrahangos kavitáció csökkenti az egyes fázisok cseppméretét, és a cseppeket homogénen eloszlatja egymásban, szubmikronos emulziót vagy nanoemulziót hozva létre. Mivel a nanoméretű cseppek drasztikusan megnövekedett felületet kínálnak a különböző cseppekkel való kölcsönhatáshoz, az anyagátadás és a reakciósebesség jelentősen javul. Ultrahangos kezelés hatására a jellemzően lassú kinetikájukról ismert reakciók drámaian javuló konverziós arányt, nagyobb hozamot, kevesebb mellékterméket vagy hulladékot és jobb összhatékonyságot mutatnak. Az ultrahanggal javított emulziós kémiát gyakran alkalmazzák emulziós polimerizációhoz, például polimerkeverékek, vizes bázisú ragasztók és speciális polimerek előállítására.

10 dolog, amelyet érdemes tudnia, mielőtt kémiai reaktort vásárol

Amikor kémiai reaktort választ egy kémiai folyamathoz, számos tényező befolyásolja az optimális reaktorkialakítást. Ha a kémiai folyamat többfázisú, heterogén kémiai reakciókat foglal magában, és lassú reakciókinetikával rendelkezik, a reaktorban végzett keverés és a folyamat aktiválása alapvető tényezők a sikeres kémiai átalakulás és a kémiai reaktor gazdaságos (üzemeltetési) költségei szempontjából.
Az ultrahangos kezelés jelentősen javítja a folyadék–folyadék és folyadék–szilárd kémiai reakciók kinetikáját szakaszos kémiai reaktorokban és az áramlási rendszerbe épített reakcióedényekben. Ezért az ultrahangos szondák kémiai reaktorba történő beépítése csökkentheti a reaktor költségeit, és javíthatja az összhatékonyságot és a végtermék minőségét.
A kémiai reaktorok tervezésénél igen gyakran hiányzik az ultrahanggal támogatott folyamatjavítással kapcsolatos tudás. A nagyteljesítményű ultrahang, az ultrahangos keverés, az akusztikus kavitáció és a szonokémiai hatások reaktorteljesítményre gyakorolt befolyásának alapos ismerete nélkül a kémiai reaktorok elemzése és a hagyományos tervezési alapelvek csak gyengébb eredményeket hozhatnak. Az alábbiakban áttekintést kap az ultrahang alapvető előnyeiről a kémiai reaktorok tervezése és optimalizálása szempontjából.

Az ultrahanggal intenzifikált folyamatos üzemű kevert tartályreaktor (CSTR) előnyei

• • Ultrahanggal továbbfejlesztett reaktorok laboratóriumi és gyártási célokra:
    Könnyű méretnövelés: Az ultrahangos processzorok könnyen elérhetők laboratóriumi méretben, kísérleti üzemi és nagyüzemi gyártáshoz
    Reprodukálható / megismételhető eredmények a pontosan szabályozható ultrahangos paramétereknek köszönhetően
    Kapacitás és reakciósebesség: az ultrahanggal intenzifikált reakciók gyorsabbak, és ezáltal gazdaságosabbak (alacsonyabb költségek)
  • A szonokémia általános és speciális célokra egyaránt alkalmazható

– alkalmazkodóképesség és sokoldalúság, például rugalmas telepítési és elrendezési lehetőségek, valamint több szakterületet átfogó használat

• Az ultrahangos kezelés robbanásveszélyes környezetben is alkalmazható
  – gázöblítés (például nitrogénes védőgázréteg)
  – nincs nyitott felület
• Egyszerű tisztítás: öntisztítás (CIP – helyben történő tisztítás)
• Válassza ki az Önnek megfelelő szerkezeti anyagokat
  – üveg, rozsdamentes acél, titán
  – nincsenek forgó tömítések
  – tömítőanyagok széles választéka
• Az ultrahangos készülékek széles hőmérséklet-tartományban használhatók
• Az ultrahangos készülékek széles nyomástartományban használhatók
• Szinergikus hatás más technológiákkal, például elektrokémiával (szonoelektrokémia), katalízissel (szonokatalízis), kristályosítással (szonokristályosítás) stb.
• Az ultrahangos kezelés ideális a bioreaktorok működésének, például a fermentációnak a javítására.
• Oldódás / oldás: Az oldódási folyamatok során a részecskék egyik fázisból a másikba kerülnek, például amikor szilárd részecskék oldódnak fel egy folyadékban. Megfigyelhető, hogy a keverés mértéke befolyásolja a folyamat sebességét. Sok kis kristály ultrahangos kavitáció hatására sokkal gyorsabban oldódik fel, mint egyetlen kristály a hagyományosan kevert szakaszos reaktorokban. Az eltérő sebességek oka itt is a részecskefelületeken tapasztalható eltérő anyagátadási sebességben rejlik. Az ultrahangos kezelést például sikeresen alkalmazzák túltelített oldatok létrehozására, többek között kristályosítási folyamatokban (szonokristályosítás).
• Ultrahanggal elősegített kémiai extrakció:
  – Folyadék–szilárd, például növényi extrakció, kémiai extrakció
  – Folyadék–folyadék: Amikor ultrahangot alkalmaznak egy folyadék–folyadék extrakciós rendszerben, az egyik fázis emulziót képez a másikban. Ez az emulzióképződés megnöveli a két nem elegyedő fázis közötti határfelületet, ezáltal fokozva a fázisok közötti anyagátadási fluxust.

Hogyan javítja az ultrahangos kezelés a kémiai reakciókat a kevert tartályreaktorokban?

• Nagyobb érintkezési felület: A heterogén fázisokban lévő reaktánsok közötti reakciókban csak azok a részecskék reagálhatnak, amelyek a határfelületen egymással ütköznek. Minél nagyobb a határfelület, annál több ütközés történhet. Amikor egy anyag folyékony vagy szilárd részét kisebb cseppekre vagy szilárd részecskékre bontják, amelyek egy folytonos folyadékfázisban szuszpendálódnak, az anyag felülete megnő. Ezenkívül a méretcsökkenés következtében nő a részecskék száma, ezért csökken a részecskék közötti átlagos távolság. Ez javítja a folytonos fázis érintkezését a diszpergált fázissal. Ezért a reakciósebesség a diszpergált fázis aprózódásának mértékével nő. A diszperziókban vagy emulziókban végbemenő számos kémiai reakció sebessége drasztikusan javul az ultrahangos részecskeméret-csökkentés eredményeként.
• Katalízis (aktiválási energia): A katalizátorok nagy jelentőséggel bírnak számos kémiai reakcióban, a laboratóriumi fejlesztésben és az ipari termelésben. A katalizátorok gyakran szilárd vagy folyadékfázisban vannak, és nem elegyednek egy vagy az összes reaktánssal. Ezért a katalízis az esetek többségében heterogén kémiai reakció. A legfontosabb alapvegyületek, például a kénsav, az ammónia, a salétromsav, az etén és a metanol előállításában a katalizátorok fontos szerepet játszanak. A környezettechnológia nagy területei katalitikus folyamatokon alapulnak. A részecskék ütközése csak akkor vezet kémiai reakcióhoz, azaz az atomok átrendeződéséhez, ha a részecskék elegendő kinetikus energiával ütköznek. Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony eszköz a kémiai reaktorokban zajló reakciók kinetikájának fokozására. Heterogén katalitikus folyamatban az ultrahang beépítése a kémiai reaktor kialakításába csökkentheti a katalizátorigényt. Ez kevesebb katalizátor vagy gyengébb minőségű, kevésbé nemes katalizátorok használatát eredményezheti.
• Gyakoribb érintkezés / jobb anyagátadás: Az ultrahangos keverés és mozgatás rendkívül hatékony módszer apró cseppek és részecskék (azaz szubmikronos részecskék és nanorészecskék) létrehozására, amelyek nagyobb aktív felületet biztosítanak a reakciókhoz. A nagyteljesítményű ultrahang által előidézett további intenzív keverés és mikromozgás hatására a részecskék közötti érintkezések gyakorisága drasztikusan megnő, ami jelentősen javítja a konverziós arányt.
• Összenyomott plazma: Sok reakció esetében a reaktor hőmérsékletének 10 Kelvin mértékű növelése nagyjából megkétszerezi a reakciósebességet. Az ultrahangos kavitáció helyileg akár 5000K hőmérsékletű, rendkívül reakcióképes forró pontokat hoz létre a folyadékban, anélkül, hogy a kémiai reaktorban lévő teljes folyadéktérfogat jelentősen felmelegedne.
• Hőenergia: A kémiai reaktor kialakításába bevitt minden ultrahangos energia végül hőenergiává alakul. Ezért az energiát újra felhasználhatja a kémiai folyamathoz. A fűtőelemekkel vagy gőzzel történő hőenergia-bevitel helyett az ultrahangos kezelés nagyfrekvenciás rezgések révén a folyamatot aktiváló mechanikai energiát juttat be. A kémiai reaktorban ez ultrahangos kavitációt hoz létre, amely több szinten aktiválja a kémiai folyamatot. Végül a vegyi anyagokat érő hatalmas ultrahangos nyíróhatás hőenergiává, azaz hővé alakulást eredményez. A hűtéshez köpenyes szakaszos reaktorokat vagy az áramlási rendszerbe épített reaktorokat használhat, hogy a kémiai reakció során állandó folyamathőmérsékletet tartson fenn.

Nagyteljesítményű ultrahangos készülékek a CSTR-ekben végbemenő kémiai reakciók javításához

A Hielscher Ultrasonics nagyteljesítményű ultrahangos homogenizátorokat és diszpergáló készülékeket tervez, gyárt és forgalmaz folyamatos üzemű kevert tartályreaktorokba (CSTR) történő beépítéshez. A Hielscher ultrahangos készülékeket világszerte használják a kémiai reakciók elősegítésére, intenzifikálására, gyorsítására és javítására.
A Hielscher Ultrasonics ultrahangos processzorai minden méretben elérhetők, a kis laboratóriumi készülékektől a nagy ipari processzorokig, áramlásos kémiai alkalmazásokhoz. Az ultrahangos amplitúdó (amely a legfontosabb paraméter) pontos beállítása lehetővé teszi a Hielscher ultrahangos készülékek alacsonytól egészen igen magas amplitúdóig történő üzemeltetését, valamint az amplitúdó pontos finomhangolását az adott kémiai reakciórendszer megkövetelt ultrahangos folyamatfeltételeihez.
A Hielscher ultrahangos generátora automatikus adatnaplózást végző intelligens szoftverrel rendelkezik. A készülék bekapcsolásától kezdve minden fontos feldolgozási paraméter, például az ultrahangos energia, a hőmérséklet, a nyomás és az idő automatikusan a beépített SD-kártyára kerül.
A folyamatfelügyelet és az adatrögzítés fontos a folyamat folyamatos szabványosítása és a termékminőség szempontjából. Az automatikusan rögzített folyamatadatok elérésével áttekintheti a korábbi ultrahangos kezeléseket, és értékelheti az eredményeket.
Digitális ultrahangos rendszereink további felhasználóbarát funkciója a böngészőn keresztüli távvezérlés. A böngészős távvezérléssel bárhonnan elindíthatja, leállíthatja, beállíthatja és felügyelheti ultrahangos processzorát.
Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy többet megtudjon arról, hogyan javíthatják nagyteljesítményű ultrahangos homogenizátoraink az Ön folyamatos üzemű kevert tartályreaktorát (CSTR)!
Az alábbi táblázat tájékoztatást nyújt ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: