Reaktor Tangki yang Diaduk Terus Menerus Diaduk dengan Ultrasound

Reaktor tangki yang diaduk terus menerus (CSTR) banyak diterapkan untuk berbagai reaksi kimia termasuk katalisis, kimia emulsi, polimerisasi, sintesis, ekstraksi dan kristalisasi. Kinetika reaksi lambat adalah masalah umum dalam CSTR, yang dapat dengan mudah diatasi dengan penerapan ultrasonikasi daya. Pencampuran yang intens, agitasi, dan efek sonokimia dari power-ultrasound mempercepat kinetika reaksi dan meningkatkan tingkat konversi secara signifikan. Ultrasonicators dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam CSTR dengan volume berapa pun.

Mengapa Menerapkan Power-Ultrasound ke Reaktor Tangki yang Terus Diaduk

Reaktor Tangki Aduk Terus Menerus (CSTR, atau reaktor tangki yang diaduk (STR)) dalam karakteristik utamanya sangat mirip dengan reaktor batch. Perbedaan penting utama adalah bahwa, untuk pengaturan reaktor tangki kacau kontinu (CSTR), umpan material harus disediakan dalam aliran kontinu masuk dan keluar dari reaktor. Memberi makan reaktor dapat dicapai dengan aliran gravitasi atau aliran sirkulasi paksa menggunakan pompa. CSTR kadang-kadang disebut reaktor aliran campuran balik (BMR).
CSTR biasanya digunakan ketika agitasi dua atau lebih cairan diperlukan. CSTR dapat digunakan sebagai reaktor tunggal atau dipasang sebagai serangkaian konfigurasi untuk aliran konsentrasi dan langkah reaksi yang berbeda. Selain penggunaan reaktor tangki tunggal, instalasi serial berbagai tangki (satu demi satu) atau pengaturan kaskade biasanya digunakan.
Mengapa Ultrasonikasi? Pencampuran dan agitasi ultrasonik serta efek sonokimia dari ultrasound daya terkenal berkontribusi pada efisiensi reaksi kimia. Pencampuran yang ditingkatkan dan pengurangan ukuran partikel karena getaran ultrasonik dan kavitasi memberikan kinetika yang dipercepat secara signifikan dan tingkat konversi yang ditingkatkan. Efek sonokimia dapat memberikan energi yang diperlukan untuk memulai reaksi kimia, mengalihkan jalur kimia, dan memberikan hasil yang lebih tinggi karena reaksi yang lebih lengkap.

CSTR yang diintensifkan secara ultrasonik dapat digunakan untuk aplikasi seperti:

• Reaksi cair-cair heterogen
• Reaksi padat-cair heterogen
• Reaksi fase cair homogen
• Reaksi gas-cair heterogen
• Reaksi gas-padat-cair heterogen

Ultrasonikasi sebagai Sistem Kimia Sintetis Berkecepatan Tinggi

Kimia sintetis berkecepatan tinggi adalah teknik reaksi baru yang digunakan untuk memulai dan mengintensifkan sintesis kimia. Dibandingkan dengan jalur reaksi tradisional, yang membutuhkan beberapa jam atau hari di bawah refluks, reaktor sintesis yang dipromosikan secara ultrasonik dapat meminimalkan durasi reaksi hingga beberapa menit yang menghasilkan reaksi sintesis yang dipercepat secara signifikan. Intensifikasi sintesis ultrasonik didasarkan pada prinsip kerja kavitasi akustik dan kekuatan terkaitnya termasuk pemanasan super yang terbatas secara lokal. Pelajari lebih lanjut tentang ultrasound, kavitasi akustik, dan sonokimia di bagian selanjutnya.

Kavitasi Ultrasonik dan Efek Sonokimianya

Kavitasi ultrasonik (atau akustik) terjadi ketika ultrasonografi daya digabungkan ke dalam cairan atau bubur. Kavitasi adalah transisi dari fase cair ke fase uap, yang terjadi karena penurunan tekanan ke tingkat tegangan uap fluida.
Kavitasi ultrasonik menciptakan gaya geser yang sangat tinggi dan jet cair hingga 1000m / s. Jet cair ini mempercepat partikel dan menyebabkan tumbukan antar-partikel sehingga mengurangi ukuran partikel padatan dan tetesan. Selain itu – terlokalisasi di dalam dan di dekat gelembung kavitasi yang meledak – tekanan yang sangat tinggi pada urutan ratusan atmosfer dan suhu pada urutan ribuan derajat Kelvin dihasilkan.
Meskipun ultrasonikasi adalah metode pemrosesan mekanis murni, ia dapat menghasilkan kenaikan suhu ekstrem yang terbatas secara lokal. Hal ini disebabkan oleh gaya intens yang dihasilkan di dalam dan di dekat gelembung kavitasi yang runtuh, di mana suhu beberapa ribu derajat Celcius dapat dicapai dengan mudah. Dalam larutan curah, peningkatan suhu yang dihasilkan dari ledakan gelembung tunggal hampir dapat diabaikan, tetapi pembuangan panas dari banyak gelembung kavitasi seperti yang diamati pada titik panas kavitasi (seperti yang dihasilkan oleh sonikasi dengan ultrasound berdaya tinggi) akhirnya dapat menyebabkan peningkatan suhu yang terukur dalam suhu curah. Keuntungan dari ultrasonikasi dan sonokimia terletak pada efek suhu yang dapat dikontrol selama pemrosesan: Kontrol suhu larutan curah dapat dicapai dengan menggunakan tangki dengan jaket pendingin serta sonikasi berdenyut. Ultrasonicator canggih Hielscher Ultrasonics dapat menjeda ultrasound ketika batas suhu atas tercapai dan melanjutkan ultrasonikasi segera setelah nilai yang lebih rendah dari ∆T yang ditetapkan tercapai. Ini sangat penting ketika reaktan peka panas digunakan.

Sonokimia Meningkatkan Kinetika Reaksi

Karena sonikasi menghasilkan getaran dan kavitasi yang intens, kinetika kimia terpengaruh. Kinetika sistem kimia berkorelasi erat dengan ekspansi dan ledakan gelembung kavitasi, di mana berdampak pada dinamika gerakan gelembung secara signifikan. Gas terlarut dalam larutan reaksi kimia mempengaruhi karakteristik reaksi sonokimia melalui, efek termal dan efek kimia. Efek termal mempengaruhi suhu puncak yang dicapai selama keruntuhan gelembung dalam rongga kavitasi; Efek kimia memodifikasi efek gas, yang terlibat langsung dalam reaksi.
Reaksi heterogen dan homogen dengan kinetika reaksi lambat termasuk reaksi kopling Suzuki, presipitasi, kristalisasi dan kimia emulsi ditakdirkan untuk dimulai dan dipromosikan melalui power-ultrasound dan efek sonokimianya.
Misalnya, untuk sintesis asam ferulat, sonikasi frekuensi rendah (20kHz) pada daya 180 W memberikan hasil asam ferulat 94% pada 60 °C dalam 3 jam. Hasil oleh Truong et al. (2018) ini menunjukkan bahwa penggunaan frekuensi rendah (tipe tanduk dan iradiasi berdaya tinggi) meningkatkan tingkat konversi secara signifikan memberikan hasil lebih tinggi dari 90%.

Kimia Emulsi yang Diintensifkan Secara Ultrasonik

Reaksi heterogen seperti kimia emulsi mendapat manfaat yang signifikan dari penerapan ultrasound daya. Kavitasi ultrasonik mengurangi dan mendistribusikan tetesan setiap fase secara homogen di dalam satu sama lain menciptakan sub-mikron atau nano-emulsi. Karena tetesan berukuran nano menawarkan luas permukaan yang meningkat secara drastis untuk berinteraksi dengan tetesan yang berbeda, perpindahan massa dan laju reaksi meningkat secara signifikan. Di bawah sonikasi, reaksi yang dikenal karena kinetika yang biasanya lambat menunjukkan tingkat konversi yang meningkat secara dramatis, hasil yang lebih tinggi, lebih sedikit produk sampingan atau pemborosan dan efisiensi keseluruhan yang lebih baik. Kimia emulsi yang ditingkatkan secara ultrasonik sering diterapkan untuk polimerisasi emulsi, misalnya, untuk menghasilkan campuran polimer, perekat yang ditularkan melalui air, dan polimer khusus.

10 Hal yang Harus Anda Ketahui, Sebelum Anda Membeli Reaktor Kimia

Ketika Anda memilih reaktor kimia untuk proses kimia, ada banyak faktor yang memengaruhi desain reaktor kimia yang optimal. Jika proses kimia Anda melibatkan reaksi kimia multi-fase dan heterogen dan memiliki kinetika reaksi yang lambat, agitasi reaktor dan aktivasi proses merupakan faktor penting yang mempengaruhi keberhasilan konversi kimia dan untuk biaya ekonomis (operasional) reaktor kimia.
Ultrasonikasi meningkatkan kinetika reaksi reaksi kimia cair-cair dan cair-padat dalam reaktor batch kimia dan bejana reaksi inline secara signifikan. Oleh karena itu, integrasi probe ultrasonik dalam reaktor kimia dapat mengurangi biaya reaktor dan meningkatkan efisiensi keseluruhan dan kualitas produk akhir.
Sangat sering, rekayasa reaktor kimia tidak memiliki pengetahuan tentang peningkatan proses yang dibantu ultrasonik. Tanpa pengetahuan mendalam tentang pengaruh ultrasonografi daya, agitasi ultrasonik, kavitasi akustik dan efek sonokimia pada kinerja reaktor kimia, analisis reaktor kimia dan dasar-dasar desain konvensional hanya dapat menghasilkan hasil yang lebih rendah. Di bawah ini, Anda akan mendapatkan gambaran umum tentang manfaat mendasar ultrasonik untuk desain dan pengoptimalan reaktor kimia.

Keuntungan dari Reaktor Tangki Pengaduk Kontinu yang Diintensifkan Secara Ultrasonik (CSTR)

• • Reaktor yang ditingkatkan secara ultrasonik untuk laboratorium dan produksi:
    Skalabilitas mudah: Prosesor ultrasonik tersedia untuk ukuran lab, percontohan, dan produksi skala besar
    Dapat direproduksi / berulang Hasil karena parameter ultrasonik yang dapat dikontrol secara tepat
    Kapasitas dan kecepatan reaksi: reaksi yang diintensifkan secara ultrasonik lebih cepat dan dengan demikian lebih ekonomis (biaya lebih rendah)
  • Sonochemistry berlaku untuk tujuan umum maupun khusus

– Adaptasi & keserbagunaan, misalnya, opsi pemasangan dan penyiapan yang fleksibel dan penggunaan interdisipliner

• Ultrasonikasi dapat digunakan di lingkungan yang mudah meledak
  – pembersihan (misalnya, selimut nitrogen)
  – Tidak ada permukaan terbuka
• Pembersihan sederhana: pembersihan sendiri (CIP – bersih-bersih di tempat)
• Pilih bahan konstruksi pilihan Anda
  – kaca, baja tahan karat, titanium
  – Tidak ada segel putar
  – Berbagai pilihan sealant
• Ultrasonicators dapat digunakan dalam berbagai suhu
• Ultrasonicators dapat digunakan pada berbagai tekanan
• Efek sinergis dengan teknologi lain, misalnya, elektrokimia (sono-elektrokimia), katalisis (sono-katalisis), kristalisasi (sono-kristalisasi) dll.
• Sonikasi sangat ideal untuk meningkatkan bioreaktor, misalnya, fermentasi.
• Pembubaran / Pelarutan: Dalam proses pembubaran, partikel berpindah dari satu fase ke fase lainnya, misalnya ketika partikel padat larut dalam cairan. Ditemukan bahwa tingkat agitasi mempengaruhi kecepatan proses. Banyak kristal kecil larut jauh lebih cepat di bawah kavitasi ultrasonik daripada yang ada di reaktor batch yang diaduk secara konvensional. Di sini juga, alasan kecepatan yang berbeda terletak pada laju perpindahan massa yang berbeda pada permukaan partikel. Misalnya, ultrasonikasi berhasil diterapkan untuk membuat larutan jenuh, misalnya, dalam proses kristalisasi (sono-kristalisasi).
• Ekstraksi kimia yang dipromosikan secara ultrasonik:
  – Cair-Padat, misalnya ekstraksi botani, ekstraksi kimia
  – Cairan-Cairan: Ketika ultrasonografi diterapkan pada sistem ekstraksi cair-cair, emulsi dari salah satu fase di fase lainnya dibuat. Pembentukan emulsi ini menyebabkan peningkatan area antarmuka antara dua fase yang tidak dapat bercampur yang menghasilkan fluks transfer massa yang ditingkatkan antara fase.

Bagaimana Sonikasi Meningkatkan Reaksi Kimia dalam Reaktor Tangki Aduk?

• Area Permukaan Kontak Lebih Besar: Dalam reaksi antara reaktan dalam fase heterogen, hanya partikel yang bertabrakan satu sama lain di antarmuka yang dapat bereaksi. Semakin besar antarmuka, semakin banyak tabrakan yang dapat terjadi. Ketika bagian cair atau padat dari suatu zat dipecah menjadi tetesan yang lebih kecil atau partikel padat yang tersuspensi dalam cairan fase kontinu, luas permukaan zat ini meningkat. Selanjutnya, sebagai akibat dari pengurangan ukuran, jumlah partikel meningkat dan oleh karena itu jarak rata-rata antara partikel-partikel ini berkurang. Ini meningkatkan paparan fase kontinu ke fase terdispersi. Oleh karena itu, laju reaksi meningkat dengan tingkat fragmentasi fase dispersi. Banyak reaksi kimia dalam dispersi atau emulsi menunjukkan peningkatan drastis dalam kecepatan reaksi sebagai akibat dari pengurangan ukuran partikel ultrasonik.
• Katalisis (Energi Aktivasi): Katalis sangat penting dalam banyak reaksi kimia, dalam pengembangan laboratorium dan dalam produksi industri. Seringkali katalis dalam fase padat atau cair dan tidak dapat bercampur dengan satu reaktan atau semua reaktan. Oleh karena itu, lebih sering daripada tidak, katalisis adalah reaksi kimia heterogen. Dalam produksi bahan kimia dasar yang paling penting seperti asam sulfat, amonia, asam nitrat, etena dan metanol, katalis memainkan peran penting. Bidang teknologi lingkungan yang luas didasarkan pada proses katalitik. Tabrakan partikel mengarah pada reaksi kimia, yaitu pengelompokan ulang atom, hanya jika partikel bertabrakan dengan energi kinetik yang cukup. Ultrasonikasi adalah cara yang sangat efisien untuk meningkatkan kinetika dalam reaktor kimia. Dalam proses katalisis heterogen, penambahan ultrasonik ke desain reaktor kimia dapat menurunkan kebutuhan untuk katalis. Hal ini dapat mengakibatkan penggunaan katalis yang lebih sedikit atau katalis yang lebih rendah dan kurang mulia.
• Frekuensi kontak yang lebih tinggi / Perpindahan massa yang ditingkatkan: Pencampuran dan agitasi ultrasonik adalah metode yang sangat efektif untuk menghasilkan tetesan dan partikel kecil (yaitu, sub-mikron dan nano-partikel), yang menawarkan permukaan aktif yang lebih tinggi untuk reaksi. Di bawah agitasi intens tambahan dan gerakan mikro yang disebabkan oleh ultrasonografi daya, frekuensi kontak antar-partikel meningkat secara drastis sehingga menghasilkan tingkat konversi yang meningkat secara signifikan.
• Plasma terkompresi: Untuk banyak reaksi, peningkatan suhu reaktor 10 Kelvin menyebabkan laju reaksi kira-kira dua kali lipat. Kavitasi ultrasonik menghasilkan hotspot yang sangat reaktif secara lokal hingga 5000K di dalam cairan, tanpa pemanasan substansial dari volume cairan keseluruhan dalam reaktor kimia.
• Energi panas: Setiap energi ultrasonik yang Anda tambahkan ke desain reaktor kimia, akhirnya akan diubah menjadi energi panas. Oleh karena itu, Anda dapat menggunakan kembali energi untuk proses kimia. Alih-alih input energi panas oleh elemen pemanas atau uap, ultrasonikasi memperkenalkan proses yang mengaktifkan energi mekanik melalui getaran frekuensi tinggi. Dalam reaktor kimia, ini menghasilkan kavitasi ultrasonik yang mengaktifkan proses kimia pada berbagai tingkatan. Akhirnya geser ultrasonik yang sangat besar dari bahan kimia menghasilkan konversi menjadi energi panas, yaitu panas. Anda dapat menggunakan reaktor batch berjaket atau reaktor inline untuk pendinginan guna mempertahankan suhu proses yang konstan untuk reaksi kimia Anda.

Ultrasonicators Kinerja Tinggi untuk Peningkatan Reaksi Kimia dalam CSTR

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan homogenizer dan disperser ultrasonik berkinerja tinggi untuk integrasi ke dalam reaktor tangki aduk kontinu (CSTR). Ultrasonicators Hielscher digunakan di seluruh dunia untuk mempromosikan, mengintensifkan, mempercepat dan meningkatkan reaksi kimia.
Hielscher Ultrasonics’ Prosesor ultrasonik tersedia dalam berbagai ukuran mulai dari perangkat laboratorium kecil hingga prosesor industri besar untuk aplikasi kimia aliran. Penyesuaian amplitudo ultrasonik yang tepat (yang merupakan parameter terpenting) memungkinkan untuk mengoperasikan ultrasonicators Hielscher pada amplitudo rendah hingga sangat tinggi dan untuk menyempurnakan amplitudo tepat dengan kondisi proses ultrasonik yang diperlukan dari sistem reaksi kimia tertentu.
Generator ultrasonik Hielscher memiliki perangkat lunak pintar dengan protokol data otomatis. Semua parameter pemrosesan penting seperti energi ultrasonik, suhu, tekanan, dan waktu secara otomatis disimpan ke kartu SD bawaan segera setelah perangkat dihidupkan.
Pemantauan proses dan pencatatan data penting untuk standarisasi proses dan kualitas produk yang berkelanjutan. Dengan mengakses data proses yang direkam secara otomatis, Anda dapat merevisi jalanan sonikasi sebelumnya dan mengevaluasi hasilnya.
Fitur ramah pengguna lainnya adalah remote control browser dari sistem ultrasonik digital kami. Melalui kontrol browser jarak jauh, Anda dapat memulai, menghentikan, menyesuaikan, dan memantau prosesor ultrasonik Anda dari jarak jauh dari mana saja.
Hubungi kami sekarang untuk mempelajari lebih lanjut tentang homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi kami dapat meningkatkan reaktor tangki yang terus diaduk (CSTR) Anda!
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: