Folyamatosan kevert tartályreaktorok ultrahanggal keverve

A folyamatosan kevert tartályreaktorokat (CSTR) széles körben alkalmazzák különböző kémiai reakciókban, beleértve a katalízist, az emulziós kémiát, a polimerizációt, a szintézist, az extrakciót és a kristályosítást. A lassú reakciókinetika gyakori probléma a CSTR-ben, amely könnyen leküzdhető a teljesítmény-ultrahang alkalmazásával. Az intenzív keverés, keverés és a teljesítmény-ultrahang szonokémiai hatásai felgyorsítják a reakciókinetikát és jelentősen javítják az átalakítási sebességet. Az ultrahangos készülékek könnyen integrálhatók bármilyen térfogatú CSTR-ekbe.

Miért kell teljesítmény-ultrahangot alkalmazni egy folyamatosan kevert tartályreaktorban?

A folyamatosan kevert tartályreaktor (CSTR, vagy egyszerűen kevert tartályreaktor (STR)) fő jellemzői meglehetősen hasonlóak a szakaszos reaktorhoz. A legfontosabb különbség az, hogy a folyamatos kevert tartályos reaktor (CSTR) beállításához az anyagadagolást folyamatos áramlással kell biztosítani a reaktorba és a reaktorból. A reaktor táplálása gravitációs áramlással vagy kényszerkeringéssel érhető el szivattyú segítségével. A CSTR-t néha visszakevert áramlású reaktornak (BMR) is nevezik.
A CSTR-eket általában akkor használják, ha két vagy több folyadék keverésére van szükség. A CSTR-ek használhatók egyetlen reaktorként, vagy telepíthetők konfigurációk sorozataként különböző koncentrációs áramokhoz és reakciólépésekhez. Az egytartályos reaktor használata mellett gyakran használják a különböző tartályok sorozatos telepítését (egymás után) vagy a kaszkád beállítását.
Miért ultrahangos? Az ultrahangos keverés és keverés, valamint a teljesítmény ultrahang szonokémiai hatásai jól ismertek, hogy hozzájárulnak a kémiai reakciók hatékonyságához. Az ultrahangos rezgések és kavitáció miatt a továbbfejlesztett keverés és részecskeméret-csökkentés jelentősen felgyorsult kinetikát és fokozott konverziós sebességet biztosít. A szonokémiai hatások biztosíthatják a szükséges energiát a kémiai reakciók elindításához, a kémiai útvonalak megváltoztatásához és a teljesebb reakció miatt magasabb hozamhoz.

Az ultrahanggal intenzívebb CSTR olyan alkalmazásokhoz használható, mint:

• 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 szintetikus kémiai rendszer

A nagy sebességű szintetikus kémia egy új reakciótechnika, amelyet a kémiai szintézis elindítására és fokozására használnak. A hagyományos reakcióutakhoz képest, amelyek több órát vagy napot igényelnek reflux alatt, az ultrahanggal támogatott szintézisreaktorok minimalizálhatják a reakció időtartamát néhány percre, ami jelentős gyorsított szintézis reakciót eredményez. Az ultrahangos szintézis intenzívebbé tétele az akusztikus kavitáció működési elvén és a kapcsolódó erőkön alapul, beleértve a helyileg korlátozott túlhevítést is. Tudjon meg többet az ultrahangról, az akusztikus kavitációról és a szonokémiáról a következő részben.

Ultrahangos kavitáció és szonokémiai hatásai

Az ultrahangos (vagy akusztikus) kavitáció akkor fordul elő, amikor a teljesítmény ultrahang folyadékokba vagy szuszpenziókba van kapcsolva. A kavitáció a folyékony fázisból a gőzfázisba való átmenet, amely a folyadék gőzfeszültségének szintjére történő nyomásesés miatt következik be.
Az ultrahangos kavitáció nagyon nagy nyíróerőket és folyékony fúvókákat hoz létre, akár 1000m / s-ig. Ezek a folyadéksugarak felgyorsítják a részecskéket és részecskék közötti ütközéseket okoznak, ezáltal csökkentve a szilárd anyagok és cseppek részecskeméretét. Továbbá – az imploválódó kavitációs buborékon belül és annak közvetlen közelében helyezkedik el – rendkívül magas, több száz atmoszféra nagyságrendű nyomás és több ezer Kelvin fokos hőmérséklet keletkezik.
Bár az ultrahangos kezelés tisztán mechanikus feldolgozási módszer, helyileg korlátozott szélsőséges hőmérséklet-emelkedést okozhat. Ez az összeomló kavitációs buborékokban és azok közvetlen közelében keletkező intenzív erőknek köszönhető, ahol könnyen elérhető a több ezer Celsius fokos hőmérséklet. Az ömlesztett oldatban az egyetlen buborék implóziójából eredő hőmérséklet-emelkedés szinte elhanyagolható, de a kavitációs forró pontokban megfigyelt számos kavitációs buborékból származó hőelvezetés (amint azt nagy teljesítményű ultrahanggal történő ultrahangos kezelés generálja) végül mérhető hőmérséklet-emelkedést okozhat az ömlesztett hőmérsékletben. Az ultrahangos kezelés és a sonochemistry előnye a feldolgozás során szabályozható hőmérsékleti hatásokban rejlik: Az ömlesztett oldat hőmérséklet-szabályozása hűtőköpenyekkel ellátott tartályok, valamint impulzusos szonikálás alkalmazásával érhető el. A Hielscher Ultrasonics' kifinomult ultrahangos készülékei szüneteltethetik az ultrahangot, amikor elérik a felső hőmérsékleti határt, és folytathatják az ultrahangos kezelést, amint elérik a beállított ∆T alsó értékét. Ez különösen akkor fontos, ha hőérzékeny reagenseket használnak.

A szonokémia javítja a reakciókinetikát

Mivel az szonikáció intenzív rezgéseket és kavitációt generál, a kémiai kinetikát befolyásolja. Egy kémiai rendszer kinetikája szorosan korrelál a kavitációs buborék tágulásával és implóziójával, ami jelentősen befolyásolja a buborékmozgás dinamikáját. A kémiai reakcióoldatban oldott gázok befolyásolják a szonokémiai reakció jellemzőit mind a termikus hatások, mind a kémiai hatások révén. A termikus hatások befolyásolják a csúcshőmérsékleteket, amelyek a buborék összeomlása során érik el a kavitációs üregben; A kémiai hatások módosítják a reakcióban közvetlenül részt vevő gázok hatásait.
A lassú reakciókinetikával rendelkező heterogén és homogén reakciók, beleértve a Suzuki csatolási reakciókat, a csapadékot, a kristályosodást és az emulziós kémiát, predesztinálva vannak arra, hogy elindítsák és elősegítsék a teljesítmény-ultrahangot és annak szonokémiai hatásait.
Például a ferulinsav szintéziséhez az alacsony frekvenciájú (20kHz) ultrahangos kezelés 180 W teljesítményen 94% ferulinsav-hozamot eredményezett 60 ° C-on 3 óra alatt. Truong et al. (2018) ezen eredményei azt mutatják, hogy az alacsony frekvenciájú (kürt típusú és nagy teljesítményű besugárzás) használata jelentősen javította az átváltási arányt, így a hozamok meghaladják a 90% -ot.

Ultrahanggal intenzívebb emulziós kémia

A heterogén reakciók, mint például az emulziós kémia, jelentősen előnyösek a teljesítmény ultrahang alkalmazásából. Az ultrahangos kavitáció csökkentette és elosztotta az egyes fázisok cseppjeit homogén módon egymáson belül, szubmikron vagy nano-emulziót hozva létre. Mivel a nanoméretű cseppek drasztikusan megnövekedett felületet kínálnak a különböző cseppekkel való kölcsönhatáshoz, a tömegátadás és a reakciósebesség jelentősen javul. Szonikálás alatt a tipikusan lassú kinetikájukról ismert reakciók drámaian jobb konverziós arányt, magasabb hozamot, kevesebb mellékterméket vagy hulladékot és jobb általános hatékonyságot mutatnak. Az ultrahanggal javított emulziós kémia gyakran alkalmazható emulziók polimerizációjára, pl. polimer keverékek, vízbázisú ragasztók és speciális polimerek előállítására.

10 dolog, amit tudnia kell, mielőtt kémiai reaktort vásárolna

Amikor kémiai reaktort választ egy kémiai folyamathoz, számos tényező befolyásolja az optimális kémiai reaktor kialakítását. Ha az Ön kémiai folyamata többfázisú, heterogén kémiai reakciókat foglal magában, és lassú reakciókinetikával rendelkezik, a reaktor keverése és a folyamat aktiválása alapvető befolyásoló tényezők a sikeres kémiai átalakításhoz és a kémiai reaktor gazdaságos (működési) költségeihez.
Az ultrahangos kezelés jelentősen javítja a folyadék-folyadék és folyadék-szilárd kémiai reakciók reakciókinetikáját kémiai szakaszos reaktorokban és inline reakcióedényekben. Ezért az ultrahangos szondák kémiai reaktorba történő integrálása csökkentheti a reaktor költségeit, javíthatja az általános hatékonyságot és a végtermék minőségét.
Nagyon gyakran a kémiai reaktortechnika nem rendelkezik ismeretekkel az ultrahanggal segített folyamatfejlesztésről. Az ultrahang, az ultrahangos keverés, az akusztikus kavitáció és a szonokémiai hatások kémiai reaktorteljesítményre gyakorolt hatásának mélyreható ismerete nélkül a kémiai reaktorelemzés és a hagyományos tervezési alapok csak rosszabb eredményeket hozhatnak. Az alábbiakban áttekintést kap az ultrahang alapvető előnyeiről a kémiai reaktor tervezéséhez és optimalizálásához.

Az ultrahanggal intenzívebb folyamatos kevert tartályreaktor (CSTR) előnyei

• • Ultrahanggal továbbfejlesztett reaktorok laboratóriumi és gyártási célokra:
    Egyszerű méretezhetőség: Az ultrahangos processzorok könnyen elérhetők laboratóriumi mérethez, kísérleti és nagyszabású gyártáshoz
    Reprodukálható / megismételhető Eredmények a pontosan szabályozható ultrahangos paraméterek miatt
    Kapacitás és reakciósebesség: ultrahanggal fokozott reakciók gyorsabbak és ezáltal gazdaságosabbak (alacsonyabb költségek)
  • A sonokémia általános és speciális célokra is alkalmazható

– alkalmazkodóképesség & sokoldalúság, pl. rugalmas telepítési és beállítási lehetőségek, valamint interdiszciplináris használat

• Az ultrahangos kezelés robbanásveszélyes környezetben használható
  – tisztítás (pl. nitrogéntakaró)
  – nincs nyitott felület
• Egyszerű tisztítás: öntisztítás (CIP – helyben tisztítható)
• Válassza ki a kívánt építési anyagokat
  – üveg, rozsdamentes acél, titán
  – nincs forgó tömítés
  – tömítőanyagok széles választéka
• Az ultrahangos készülékek széles hőmérséklet-tartományban használhatók
• Az ultrahangos készülékek széles nyomástartományban használhatók
• Szinergikus hatás más technológiákkal, pl. elektrokémia (sono-elektrokémia), katalízis (sono-katalízis), kristályosítás (sono-kristályosítás) stb.
• Sonication ideális a bioreaktorok fokozására, pl. fermentáció.
• Oldódás / feloldás: Az oldódási folyamatokban a részecskék egyik fázisból a másikba kerülnek, pl. amikor a szilárd részecskék feloldódnak egy folyadékban. Megállapítást nyert, hogy a keverés mértéke befolyásolja a folyamat sebességét. Sok kis kristály sokkal gyorsabban oldódik ultrahangos kavitáció alatt, mint egy hagyományosan kevert szakaszos reaktorban. Az eltérő sebességek oka itt is a részecskefelületek eltérő tömegátadási sebességében rejlik. Például az ultrahangos kezelést sikeresen alkalmazzák túltelített oldatok létrehozására, pl. kristályosítási folyamatokban (sono-kristályosítás).
• Ultrahanggal támogatott kémiai extrakció:
  – Folyékony-szilárd, pl. botanikai extrakció, kémiai extrakció
  – Folyadék-folyadék: Amikor ultrahangot alkalmazunk egy folyadék-folyadék extrakciós rendszerre, a másik egyik fázisának emulziója jön létre. Ez az emulzióképződés megnövekedett határfelületi területeket eredményez a két nem elegyedő fázis között, ami fokozott tömegátadási fluxust eredményez a fázisok között.

Hogyan javítja az ultrahangos kezelés a kémiai reakciókat kevert tartályreaktorokban?

• Nagyobb érintkezési felület: A heterogén fázisú reagensek közötti reakciókban csak azok a részecskék reagálhatnak, amelyek egymással ütköznek a határfelületen. Minél nagyobb az interfész, annál több ütközés fordulhat elő. Mivel az anyag folyékony vagy szilárd része kisebb cseppekre vagy szilárd részecskékre bomlik, amelyek folyamatos fázisú folyadékban szuszpendálódnak, az anyag felülete nő. Továbbá a méretcsökkentés eredményeként a részecskék száma növekszik, és így a részecskék közötti átlagos távolság csökken. Ez javítja a folyamatos fázis diszpergált fázisnak való kitettségét. Ezért a reakciósebesség a diszperziós fázis töredezettségének mértékével nő. Számos kémiai reakció diszperziókban vagy emulziókban drasztikus javulást mutat a reakciósebességben az ultrahangos részecskeméret csökkentése következtében.
• Katalízis (aktiválási energia): A katalizátorok nagy jelentőséggel bírnak számos kémiai reakcióban, a laboratóriumi fejlesztésben és az ipari termelésben. A katalizátorok gyakran szilárd vagy folyékony fázisúak, és nem elegyednek egy reagenssel vagy az összes reagenssel. Ezért a katalízis leggyakrabban heterogén kémiai reakció. A legfontosabb vegyi alapanyagok, például kénsav, ammónia, salétromsav, etén és metanol előállításában a katalizátorok fontos szerepet játszanak. A környezetvédelmi technológia nagy területei katalitikus folyamatokon alapulnak. A részecskék ütközése kémiai reakcióhoz, azaz az atomok átcsoportosításához vezet, csak akkor, ha a részecskék elegendő kinetikus energiával ütköznek. Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony eszköz a kémiai reaktorok kinetikájának növelésére. Heterogén katalízis folyamatban az ultrahang hozzáadása a kémiai reaktor kialakításához csökkentheti a katalizátor szükségességét. Ez kevesebb katalizátor vagy alsóbbrendű, kevésbé nemes katalizátorok használatát eredményezheti.
• Nagyobb érintkezési gyakoriság / Jobb tömegátvitel: Az ultrahangos keverés és keverés rendkívül hatékony módszer apró cseppek és részecskék (azaz szubmikron és nano-részecskék) előállítására, amelyek nagyobb aktív felületet kínálnak a reakciókhoz. A teljesítmény-ultrahang által okozott további intenzív keverés és mikromozgás hatására a részecskék közötti érintkezés gyakorisága drasztikusan megnő, ami jelentősen javítja az átalakítási sebességet.
• Sűrített plazma: Számos reakció esetében a reaktor hőmérsékletének 10 Kelvinnel történő emelkedése a reakciósebesség nagyjából megduplázódását okozza. Az ultrahangos kavitáció lokalizált, erősen reaktív hotspotokat hoz létre, akár 5000K-ig a folyadékban, anélkül, hogy a kémiai reaktor teljes folyadéktérfogatát jelentősen melegítené.
• Hőenergia: Bármilyen ultrahangos energia, amelyet hozzáad egy kémiai reaktor tervezéséhez, végül hőenergiává alakul. Ezért újra felhasználhatja az energiát a kémiai folyamathoz. A fűtőelemek vagy gőz hőenergia-bevitele helyett az ultrahangos kezelés olyan folyamatot vezet be, amely nagyfrekvenciás rezgések segítségével aktiválja a mechanikai energiát. A kémiai reaktorban ez ultrahangos kavitációt eredményez, amely több szinten aktiválta a kémiai folyamatot. Végül a vegyi anyagok hatalmas ultrahangos nyírása hőenergiává, azaz hővé alakul. A hűtéshez köpenyes szakaszos reaktorokat vagy gyártósori reaktorokat használhat annak érdekében, hogy a kémiai reakcióhoz állandó folyamathőmérsékletet tartson fenn.

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek a jobb kémiai reakciókhoz a CSTR-ben

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat és diszpergálószereket tervez, gyárt és forgalmaz a folyamatos kevert tartályreaktorokba (CSTR) történő integráláshoz. A Hielscher ultrasonicators világszerte használják a kémiai reakciók előmozdítására, fokozására, felgyorsítására és javítására.
Hielscher Ultrasonics’ Az ultrahangos processzorok bármilyen méretben kaphatók a kis laboratóriumi eszközöktől a nagy ipari processzorokig az áramlási kémiai alkalmazásokhoz. Az ultrahangos amplitúdó pontos beállítása (ami a legfontosabb paraméter) lehetővé teszi a Hielscher ultrasonicators működését alacsony és nagyon magas amplitúdókkal, és az amplitúdó finomhangolását pontosan a szükséges ultrahangos folyamatfeltételekhez az adott kémiai reakciórendszerben.
A Hielscher ultrahangos generátora intelligens szoftvert tartalmaz automatikus adatprotokollal. Minden fontos feldolgozási paraméter, például az ultrahangos energia, a hőmérséklet, a nyomás és az idő automatikusan tárolódik a beépített SD-kártyán, amint a készülék be van kapcsolva.
A folyamatfelügyelet és az adatrögzítés fontos a folyamatos folyamatszabványosítás és a termékminőség szempontjából. Az automatikusan rögzített folyamatadatok elérésével felülvizsgálhatja a korábbi szonikálási futtatásokat és értékelheti az eredményt.
Egy másik felhasználóbarát funkció a digitális ultrahangos rendszereink böngésző távirányítója. A távoli böngészővezérléssel bárhonnan távolról elindíthatja, leállíthatja, beállíthatja és felügyelheti ultrahangos processzorát.
Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy többet megtudjon nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorainkról, amelyek javíthatják a folyamatosan kevert tartályreaktort (CSTR)!
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: