Անընդհատ խառնված-տանկային ռեակտորներ, որոնք ակտիվանում են ուլտրաձայնով

Շարունակաբար խառնված տանկային ռեակտորները (CSTR) լայնորեն կիրառվում են տարբեր քիմիական ռեակցիաների համար, ներառյալ կատալիզը, էմուլսիայի քիմիան, պոլիմերացումը, սինթեզը, արդյունահանումը և բյուրեղացումը: Դանդաղ ռեակցիայի կինետիկան CSTR-ում տարածված խնդիր է, որը հեշտությամբ կարելի է հաղթահարել ուժային-ուլտրաձայնային կիրառմամբ: Ուլտրաձայնային հզորության ինտենսիվ խառնումը, գրգռումը և ձայնային քիմիական ազդեցությունները արագացնում են ռեակցիայի կինետիկան և զգալիորեն բարելավում փոխակերպման արագությունը: Ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ կարող են ինտեգրվել ցանկացած ծավալի CSTR-ների մեջ:

Ինչու՞ կիրառել էներգիայի ուլտրաձայնը շարունակաբար խառնված տանկի ռեակտորի վրա:

Անընդհատ խառնվող տանկի ռեակտորը (CSTR կամ պարզապես խառնված տանկի ռեակտորը (STR)) իր հիմնական բնութագրերով բավականին նման է խմբաքանակի ռեակտորին: Հիմնական կարևոր տարբերությունն այն է, որ շարունակական խառնված տանկի ռեակտորի (CSTR) տեղադրման համար նյութի սնուցումը պետք է ապահովվի անընդհատ հոսքով դեպի ռեակտոր և դուրս: Ռեակտորի սնուցումը կարող է իրականացվել ինքնահոս հոսքի կամ հարկադիր շրջանառության հոսքի միջոցով՝ օգտագործելով պոմպ: CSTR-ը երբեմն կոչվում է հետախառն հոսքի ռեակտոր (BMR):
CSTR-ները սովորաբար օգտագործվում են, երբ պահանջվում է երկու կամ ավելի հեղուկների խառնում: CSTR-ները կարող են օգտագործվել որպես մեկ ռեակտոր կամ տեղադրվել որպես կոնֆիգուրացիաների շարք տարբեր կոնցենտրացիայի հոսքերի և ռեակցիայի քայլերի համար: Բացի մեկ տանկային ռեակտորի օգտագործումից, սովորաբար օգտագործվում են տարբեր տանկերի սերիական տեղադրում (մեկը մյուսի հետևից) կամ կասկադի տեղադրումը:
Ինչու՞ ուլտրաձայնային հետազոտություն: Հայտնի է, որ ուլտրաձայնային խառնումը և գրգռումը, ինչպես նաև ուժային ուլտրաձայնի սոնոքիմիական ազդեցությունները նպաստում են քիմիական ռեակցիաների արդյունավետությանը: Ուլտրաձայնային թրթռումների և կավիտացիայի շնորհիվ խառնման բարելավված և մասնիկների չափի կրճատումը ապահովում է զգալիորեն արագացված կինետիկա և փոխակերպման բարձր մակարդակ: Սոնոքիմիական էֆեկտները կարող են տրամադրել անհրաժեշտ էներգիան քիմիական ռեակցիաներ սկսելու, քիմիական ուղիները փոխելու և ավելի ամբողջական ռեակցիայի շնորհիվ ավելի բարձր եկամտաբերություն տալու համար:

Ուլտրաձայնային ուժեղացված CSTR-ը կարող է օգտագործվել այնպիսի ծրագրերի համար, ինչպիսիք են.

• Հեղուկ-հեղուկ տարասեռ ռեակցիաներ
• Հետերոգեն պինդ-հեղուկ ռեակցիաներ
• Հեղուկ փուլային միատարր ռեակցիաներ
• Տարասեռ գազ-հեղուկ ռեակցիաներ
• Գազ-պինդ-հեղուկ տարասեռ ռեակցիաներ

Ultrasonication որպես բարձր արագությամբ սինթետիկ քիմիական համակարգ

Բարձր արագությամբ սինթետիկ քիմիան նոր ռեակցիայի տեխնիկա է, որն օգտագործվում է քիմիական սինթեզը սկսելու և ուժեղացնելու համար: Ի համեմատ ավանդական ռեակցիայի ուղիների, որոնք մի քանի ժամ կամ օր են պահանջում ռեֆլյուքսով, ուլտրաձայնային սինթեզի ռեակտորները կարող են նվազագույնի հասցնել ռեակցիայի տևողությունը մինչև մի քանի րոպե, ինչը հանգեցնում է զգալի արագացված սինթեզի ռեակցիայի: Ուլտրաձայնային սինթեզի ինտենսիվացումը հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի և դրա հետ կապված ուժերի աշխատանքի սկզբունքի վրա, ներառյալ տեղական սահմանափակ գերտաքացումը: Իմացեք ավելին ուլտրաձայնի, ակուստիկ կավիտացիայի և սոնոքիմիայի մասին հաջորդ բաժնում:

Ուլտրաձայնային կավիտացիա և դրա սոնոքիմիական ազդեցությունները

Ուլտրաձայնային (կամ ակուստիկ) կավիտացիան տեղի է ունենում, երբ ուժային ուլտրաձայնը զուգակցվում է հեղուկների կամ խառնուրդների մեջ: Կավիտացիան հեղուկ փուլից գոլորշի փուլի անցում է, որը տեղի է ունենում ճնշման անկման պատճառով հեղուկի գոլորշիների լարվածության մակարդակին:
Ուլտրաձայնային կավիտացիան ստեղծում է շատ բարձր կտրող ուժեր և հեղուկ շիթեր մինչև 1000 մ/վրկ արագությամբ: Այս հեղուկ շիթերը արագացնում են մասնիկը և առաջացնում միջմասնիկների բախումներ՝ դրանով իսկ նվազեցնելով պինդ մարմինների և կաթիլների մասնիկների չափը: Լրացուցիչ – տեղայնացված է պայթող կավիտացիոն փուչիկի ներսում և մոտակայքում – Ստեղծվում են չափազանց բարձր ճնշումներ հարյուրավոր մթնոլորտների և հազարավոր աստիճանի Քելվինի աստիճանի ջերմաստիճանների վրա:
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.

Սոնոքիմիան բարելավում է ռեակցիաների կինետիկան

Քանի որ sonication-ը առաջացնում է ինտենսիվ թրթռումներ և կավիտացիա, քիմիական կինետիկան ազդում է: Քիմիական համակարգի կինետիկան սերտորեն փոխկապակցված է կավիտացիոն պղպջակների ընդլայնման և պայթյունի հետ, ինչը զգալիորեն ազդում է պղպջակների շարժման դինամիկայի վրա: Քիմիական ռեակցիայի լուծույթում լուծված գազերը ազդում են սոնոքիմիական ռեակցիայի բնութագրերի վրա և՛ ջերմային, և՛ քիմիական ազդեցությունների միջոցով: Ջերմային էֆեկտները ազդում են գագաթնակետային ջերմաստիճանների վրա, որոնք հասնում են փուչիկների փլուզման ժամանակ կավիտացիոն դատարկության մեջ. քիմիական ազդեցությունը փոփոխում է գազերի ազդեցությունը, որոնք անմիջականորեն մասնակցում են ռեակցիային:
Հետերոգեն և միատարր ռեակցիաները դանդաղ ռեակցիայի կինետիկայով, ներառյալ Suzuki-ի միացման ռեակցիաները, տեղումները, բյուրեղացումը և էմուլսիայի քիմիան, կանխորոշված են սկսելու և խթանելու ուժա-ուլտրաձայնային և դրա սոնոքիմիական ազդեցությունների միջոցով:
Օրինակ, ֆերուլաթթվի սինթեզի համար ցածր հաճախականությամբ (20 կՀց) 180 Վտ հզորությամբ սինթեզումը 3 ժամում 60°C ջերմաստիճանում տվել է 94% ֆերուլաթթվի ելք: Այս արդյունքները Truong et al. (2018թ.) ցույց են տալիս, որ ցածր հաճախականության օգտագործումը (շչակի տեսակը և բարձր հզորության ճառագայթումը) զգալիորեն բարելավում է փոխակերպման արագությունը՝ տալով 90%-ից բարձր եկամտաբերություն։

Ուլտրաձայնային ուժեղացված էմուլսիայի քիմիա

Տարասեռ ռեակցիաները, ինչպիսիք են էմուլսիայի քիմիան, զգալիորեն օգուտ են բերում ուժային ուլտրաձայնի կիրառմանը: Ուլտրաձայնային կավիտացիան նվազեցրեց և յուրաքանչյուր փուլի կաթիլները միատարր բաշխեց միմյանց մեջ՝ ստեղծելով ենթամիկրոն կամ նանոէմուլսիա: Քանի որ նանո չափի կաթիլները տարբեր կաթիլների հետ փոխազդելու համար առաջարկում են կտրուկ մեծացած մակերես, զանգվածի փոխանցումը և ռեակցիայի արագությունը զգալիորեն բարելավվում են: Ձայնային ազդեցությամբ ռեակցիաները, որոնք հայտնի են իրենց սովորաբար դանդաղ կինետիկայով, ցույց են տալիս կտրուկ բարելավված փոխակերպման արագություն, ավելի բարձր եկամտաբերություն, պակաս կողմնակի արտադրանքներ կամ թափոններ և ավելի լավ ընդհանուր արդյունավետություն: Ուլտրաձայնային բարելավված էմուլսիաների քիմիան հաճախ կիրառվում է էմուլսիաների պոլիմերացման համար, օրինակ՝ պոլիմերային խառնուրդներ, ջրային սոսինձներ և հատուկ պոլիմերներ արտադրելու համար:

10 բան, որ դուք պետք է իմանաք, նախքան քիմիական ռեակտոր գնելը

Երբ դուք ընտրում եք քիմիական ռեակտոր քիմիական գործընթացի համար, կան բազմաթիվ գործոններ, որոնք ազդում են քիմիական ռեակտորի օպտիմալ նախագծման վրա: Եթե ձեր քիմիական գործընթացը ներառում է բազմաֆազ, տարասեռ քիմիական ռեակցիաներ և ունի դանդաղ ռեակցիայի կինետիկա, ռեակտորի ակտիվացումը և գործընթացի ակտիվացումը էական ազդող գործոններ են հաջող քիմիական փոխակերպման և քիմիական ռեակտորի տնտեսական (գործառնական) ծախսերի համար:
Ultrasonication-ը զգալիորեն բարելավում է հեղուկ-հեղուկ և հեղուկ-պինդ քիմիական ռեակցիաների ռեակցիայի կինետիկան քիմիական խմբաքանակի ռեակտորներում և ներկառուցված ռեակցիայի անոթներում: Հետևաբար, ուլտրաձայնային զոնդերի ինտեգրումը քիմիական ռեակտորում կարող է նվազեցնել ռեակտորի ծախսերը և բարելավել վերջնական արտադրանքի ընդհանուր արդյունավետությունը և որակը:
Շատ հաճախ քիմիական ռեակտորի ճարտարագիտությունը չունի գիտելիքներ ուլտրաձայնային օգնությամբ գործընթացի բարելավման մասին: Առանց հզոր ուլտրաձայնի, ուլտրաձայնային գրգռման, ակուստիկ կավիտացիայի և սոնոքիմիական ազդեցությունների քիմիական ռեակտորի աշխատանքի վրա ազդեցության մասին խորը գիտելիքների, ռեակտորի քիմիական վերլուծությունը և նախագծման սովորական հիմունքները կարող են տալ միայն ցածր արդյունքներ: Ստորև դուք կստանաք ակնարկ քիմիական ռեակտորի նախագծման և օպտիմալացման համար ուլտրաձայնային սարքերի հիմնական առավելությունների մասին:

Ուլտրաձայնային ուժեղացված շարունակական խառնված տանկի ռեակտորի (CSTR) առավելությունները

• • Ուլտրաձայնային ուժեղացված ռեակտորներ լաբորատորիայի և արտադրության համար.
    Հեշտ մասշտաբայնություն. Ուլտրաձայնային պրոցեսորները մատչելի են լաբորատոր չափի, փորձնական և լայնածավալ արտադրության համար
    Վերարտադրելի? կրկնվող արդյունքներ՝ շնորհիվ ճշգրիտ վերահսկելի ուլտրաձայնային պարամետրերի
    Կարողություն և արձագանքման արագությունՈւլտրաձայնային ուժեղացված ռեակցիաները ավելի արագ են և դրանով իսկ ավելի խնայող (ավելի ցածր ծախսեր)
  • Սոնոքիմիան կիրառելի է ինչպես ընդհանուր, այնպես էլ հատուկ նպատակների համար

– հարմարվողականություն & բազմակողմանիություն, օրինակ՝ ճկուն տեղադրման և տեղադրման ընտրանքներ և միջդիսցիպլինար օգտագործում

• Ultrasonication-ը կարող է օգտագործվել պայթուցիկ միջավայրերում
  – մաքրում (օրինակ՝ ազոտային ծածկոց)
  – բաց մակերես չկա
• Պարզ մաքրում. ինքնամաքրում (CIP – մաքուր տեղում)
• Ընտրեք ձեր նախընտրած շինանյութերը
  – ապակի, չժանգոտվող պողպատ, տիտան
  – առանց պտտվող կնիքների
  – հերմետիկների լայն ընտրություն
• Ուլտրաձայնային սարքերը կարող են օգտագործվել ջերմաստիճանների լայն շրջանակում
• Ուլտրաձայնային սարքերը կարող են օգտագործվել ճնշման լայն շրջանակի դեպքում
• Սիներգիկ ազդեցություն այլ տեխնոլոգիաների հետ, օրինակ՝ էլեկտրաքիմիա (սոնոէլեկտրոքիմիա), կատալիզ (սոնո-կատալիզ), բյուրեղացում (սոնո-բյուրեղացում) և այլն։
• Sonication-ը իդեալական է կենսառեակտորների ուժեղացման համար, օրինակ՝ խմորում:
• Տարրալուծում? Լուծում. Տարրալուծման գործընթացներում մասնիկները անցնում են մի փուլից մյուսը, օրինակ, երբ պինդ մասնիկները լուծվում են հեղուկի մեջ: Պարզվել է, որ գրգռվածության աստիճանը ազդում է գործընթացի արագության վրա։ Շատ փոքր բյուրեղներ շատ ավելի արագ են լուծվում ուլտրաձայնային կավիտացիայի տակ, քան մեկը սովորական խառնված խմբաքանակի ռեակտորներում: Այստեղ նույնպես տարբեր արագությունների պատճառը մասնիկների մակերեսների վրա զանգվածի փոխանցման տարբեր արագություններն են: Օրինակ, ուլտրաձայնայինացումը հաջողությամբ կիրառվում է գերհագեցած լուծույթներ ստեղծելու համար, օրինակ՝ բյուրեղացման գործընթացներում (սոնո-բյուրեղացում):
• Ուլտրաձայնային խթանված քիմիական արդյունահանում.
  – Հեղուկ-պինդ, օրինակ՝ բուսաբանական արդյունահանում, քիմիական արդյունահանում
  – Հեղուկ-Հեղուկ. Երբ ուլտրաձայնը կիրառվում է հեղուկ-հեղուկ արդյունահանման համակարգի վրա, ստեղծվում է մյուս փուլերից մեկի էմուլսիա: Էմուլսիայի այս ձևավորումը հանգեցնում է երկու չխառնվող փուլերի միջև միջերեսային տարածքների ավելացմանը, ինչը հանգեցնում է փուլերի միջև զանգվածի փոխանցման ուժեղացված հոսքի:

Ինչպե՞ս է Sonication-ը բարելավում քիմիական ռեակցիաները խառնված տանկի ռեակտորներում:

• Ավելի մեծ կոնտակտային մակերես. Հետերոգեն փուլերում ռեակտիվների միջև ռեակցիաներում կարող են արձագանքել միայն այն մասնիկները, որոնք միջերեսում բախվում են միմյանց: Որքան մեծ է ինտերֆեյսը, այնքան ավելի շատ բախումներ կարող են տեղի ունենալ: Քանի որ նյութի հեղուկ կամ պինդ մասը տրոհվում է ավելի փոքր կաթիլների կամ պինդ մասնիկների, որոնք կախված են շարունակական փուլային հեղուկում, այս նյութի մակերեսը մեծանում է: Ավելին, չափերի կրճատման արդյունքում մասնիկների քանակն ավելանում է, հետևաբար այդ մասնիկների միջև միջին հեռավորությունը նվազում է։ Սա բարելավում է շարունակական փուլի ազդեցությունը ցրված փուլին: Հետեւաբար, ռեակցիայի արագությունը մեծանում է ցրված փուլի մասնատման աստիճանի հետ: Դիսպերսիաներում կամ էմուլսիաներում շատ քիմիական ռեակցիաներ ցույց են տալիս ռեակցիայի արագության կտրուկ բարելավումներ՝ ուլտրաձայնային մասնիկների չափի կրճատման արդյունքում:
• Կատալիզ (ակտիվացման էներգիա): Կատալիզատորները մեծ նշանակություն ունեն բազմաթիվ քիմիական ռեակցիաների, լաբորատոր մշակման և արդյունաբերական արտադրության մեջ: Հաճախ կատալիզատորները գտնվում են պինդ կամ հեղուկ փուլում և չեն խառնվում մեկ կամ բոլոր ռեակտիվների հետ: Հետևաբար, ավելի հաճախ, քան ոչ, կատալիզը տարասեռ քիմիական ռեակցիա է: Ամենակարևոր հիմնական քիմիական նյութերի արտադրության մեջ, ինչպիսիք են ծծմբաթթուն, ամոնիակը, ազոտաթթուն, էթենը և մեթանոլը, կատալիզատորները կարևոր դեր են խաղում: Բնապահպանական տեխնոլոգիաների մեծ ոլորտները հիմնված են կատալիտիկ գործընթացների վրա: Մասնիկների բախումը հանգեցնում է քիմիական ռեակցիայի, այսինքն՝ ատոմների վերախմբավորման, միայն այն դեպքում, երբ մասնիկները բախվում են բավարար կինետիկ էներգիայով։ Ultrasonication-ը բարձր արդյունավետ միջոց է քիմիական ռեակտորների կինետիկան բարձրացնելու համար: Տարասեռ կատալիզացման գործընթացում քիմիական ռեակտորի նախագծման մեջ ուլտրաձայնային նյութերի ավելացումը կարող է նվազեցնել կատալիզատորի պահանջը: Սա կարող է հանգեցնել ավելի քիչ կատալիզատորների կամ ցածրորակ, ավելի քիչ ազնիվ կատալիզատորների օգտագործմանը:
• Շփման ավելի բարձր հաճախականություն? Բարելավված զանգվածային փոխանցում. Ուլտրաձայնային խառնումը և գրգռումը շատ արդյունավետ մեթոդ է փոքր կաթիլներ և մասնիկներ (այսինքն՝ ենթամիկրոն և նանո մասնիկներ) առաջացնելու համար, որոնք ավելի բարձր ակտիվ մակերես են առաջարկում ռեակցիաների համար: Լրացուցիչ ինտենսիվ գրգռման և ուլտրաձայնի հետևանքով առաջացած միկրո-շարժման պայմաններում միջմասնիկների շփման հաճախականությունը կտրուկ ավելանում է, ինչը հանգեցնում է փոխակերպման զգալիորեն բարելավված փոխարժեքի:
• Սեղմված պլազմա. Շատ ռեակցիաների դեպքում ռեակտորի ջերմաստիճանի 10 Կելվինի բարձրացումը հանգեցնում է ռեակցիայի արագության մոտավորապես կրկնապատկմանը: Ուլտրաձայնային կավիտացիան առաջացնում է մինչև 5000K տեղայնացված բարձր ռեակտիվ թեժ կետեր հեղուկի ներսում՝ առանց քիմիական ռեակտորում հեղուկի ընդհանուր ծավալի էական տաքացման:
• Ջերմային էներգիա. Ցանկացած ուլտրաձայնային էներգիա, որը դուք ավելացնում եք քիմիական ռեակտորի դիզայնին, վերջապես կվերածվի ջերմային էներգիայի: Այսպիսով, դուք կարող եք նորից օգտագործել էներգիան քիմիական գործընթացի համար: Ջեռուցման տարրերի կամ գոլորշու միջոցով ջերմային էներգիայի ներդրման փոխարեն, ուլտրաձայնային սարքավորումը ներկայացնում է բարձր հաճախականության թրթռումների միջոցով մեխանիկական էներգիայի ակտիվացման գործընթաց: Քիմիական ռեակտորում սա առաջացնում է ուլտրաձայնային կավիտացիա, որն ակտիվացնում է քիմիական գործընթացը մի քանի մակարդակներում: Վերջապես քիմիական նյութերի հսկայական ուլտրաձայնային կտրումը հանգեցնում է ջերմային էներգիայի, այսինքն՝ ջերմության: Դուք կարող եք օգտագործել բաճկոնով խմբաքանակային ռեակտորներ կամ ներկառուցված ռեակտորներ սառեցման համար՝ ձեր քիմիական ռեակցիայի համար պրոցեսի մշտական ջերմաստիճանը պահպանելու համար:

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքեր CSTR-ում բարելավված քիմիական ռեակցիաների համար

Hielscher Ultrasonics-ը նախագծում, արտադրում և տարածում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ և դիսպերսերներ՝ շարունակական շարժվող տանկային ռեակտորներում (CSTR) ինտեգրվելու համար: Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը օգտագործվում են ամբողջ աշխարհում քիմիական ռեակցիաները խթանելու, ուժեղացնելու, արագացնելու և բարելավելու համար:
Hielscher Ultrasonics’ Ուլտրաձայնային պրոցեսորները հասանելի են ցանկացած չափի` փոքր լաբորատոր սարքերից մինչև խոշոր արդյունաբերական պրոցեսորներ հոսքային քիմիայի կիրառման համար: Ուլտրաձայնային ամպլիտուդի ճշգրիտ կարգավորումը (որը ամենակարևոր պարամետրն է) թույլ է տալիս գործել Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը ցածրից շատ բարձր ամպլիտուդներով և ճշգրտորեն կարգավորել ամպլիտուդը կոնկրետ քիմիական ռեակցիայի համակարգի ուլտրաձայնային գործընթացի պահանջվող պայմաններին:
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.
Գործընթացների մոնիտորինգը և տվյալների գրանցումը կարևոր են գործընթացի շարունակական ստանդարտացման և արտադրանքի որակի համար: Մուտք գործելով ավտոմատ գրանցված գործընթացի տվյալները՝ կարող եք վերանայել նախորդ ձայնագրման գործարկումները և գնահատել արդյունքը:
Օգտագործողի համար հարմար մեկ այլ առանձնահատկություն է մեր թվային ուլտրաձայնային համակարգերի բրաուզերի հեռակառավարումը: Բրաուզերի հեռակառավարման միջոցով դուք կարող եք ցանկացած վայրից հեռակա սկսել, դադարեցնել, կարգավորել և վերահսկել ձեր ուլտրաձայնային պրոցեսորը:
Կապվեք մեզ հետ հիմա՝ ավելին իմանալու մեր բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորների մասին, որոնք կարող են բարելավել ձեր շարունակաբար խառնվող տանկի ռեակտորը (CSTR):
Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.