Reattori a vasca agitata continua agitati con ultrasuoni

I reattori in vasca ad agitazione continua (CSTR) sono ampiamente applicati per varie reazioni chimiche, tra cui catalisi, chimica delle emulsioni, polimerizzazione, sintesi, estrazione e cristallizzazione. La lentezza della cinetica di reazione è un problema comune nei CSTR, che può essere facilmente superato con l'applicazione della power-ultrasonication. L'intensa miscelazione, l'agitazione e gli effetti sicochimici dell'ultrasuono accelerano la cinetica di reazione e migliorano significativamente il tasso di conversione. Gli ultrasonici possono essere facilmente integrati in CSTR di qualsiasi volume.

Perché applicare gli ultrasuoni di potenza a un reattore in vasca ad agitazione continua?

Il reattore in vasca ad agitazione continua (CSTR, o semplicemente reattore in vasca ad agitazione (STR)) è abbastanza simile, nelle sue caratteristiche principali, al reattore batch. La differenza più importante è che, per la configurazione del reattore in vasca ad agitazione continua (CSTR), l'alimentazione del materiale deve avvenire in flusso continuo verso e fuori dal reattore. L'alimentazione del reattore può avvenire per gravità o per circolazione forzata mediante una pompa. Il CSTR è talvolta chiamato reattore a flusso rimescolato (BMR).
I CSTR sono comunemente utilizzati quando è necessaria l'agitazione di due o più liquidi. I CSTR possono essere utilizzati come reattori singoli o essere installati in una serie di configurazioni per diversi flussi di concentrazione e fasi di reazione. Oltre all'uso di un reattore a singolo serbatoio, sono comunemente utilizzate l'installazione in serie di vari serbatoi (uno dopo l'altro) o la configurazione a cascata.
Perché gli ultrasuoni? È risaputo che la miscelazione e l'agitazione a ultrasuoni e gli effetti sicochimici degli ultrasuoni di potenza contribuiscono all'efficienza delle reazioni chimiche. La migliore miscelazione e la riduzione delle dimensioni delle particelle dovute alle vibrazioni e alla cavitazione ultrasoniche consentono di accelerare notevolmente la cinetica e di aumentare il tasso di conversione. Gli effetti sicochimici possono fornire l'energia necessaria per avviare le reazioni chimiche, cambiare i percorsi chimici e ottenere rese più elevate grazie a una reazione più completa.

Il CSTR intensificato a ultrasuoni può essere utilizzato per applicazioni quali:

• Reazioni liquido-liquido eterogenee
• Reazioni eterogenee solido-liquido
• Reazioni omogenee in fase liquida
• Reazioni eterogenee gas-liquido
• Reazioni eterogenee gas-solido-liquido

Ultrasuoni come sistema chimico sintetico ad alta velocità

La chimica sintetica ad alta velocità è una nuova tecnica di reazione utilizzata per avviare e intensificare la sintesi chimica. Rispetto ai percorsi di reazione tradizionali, che richiedono diverse ore o giorni sotto riflusso, i reattori di sintesi promossi dagli ultrasuoni possono ridurre la durata della reazione a pochi minuti, ottenendo un'accelerazione significativa della reazione di sintesi. L'intensificazione della sintesi a ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica e delle forze ad essa correlate, compreso il surriscaldamento localmente confinato. Per saperne di più su ultrasuoni, cavitazione acustica e sicochimica, consultare la sezione successiva.

La cavitazione ultrasonica e i suoi effetti sonocromici

La cavitazione ultrasonica (o acustica) si verifica quando gli ultrasuoni di potenza vengono accoppiati a liquidi o fanghi. La cavitazione è la transizione da una fase liquida a una fase di vapore, che si verifica a causa di una caduta di pressione fino al livello della tensione di vapore del fluido.
La cavitazione a ultrasuoni crea forze di taglio molto elevate e getti di liquido con velocità fino a 1000m/s. Questi getti di liquido accelerano le particelle e causano collisioni interparticellari, riducendo così la dimensione delle particelle di solidi e gocce. Inoltre – localizzato all'interno e in prossimità della bolla di cavitazione implodente – Si generano pressioni estremamente elevate dell'ordine di centinaia di atmosfere e temperature dell'ordine di migliaia di gradi Kelvin.
Sebbene l'ultrasuonoterapia sia un metodo di lavorazione puramente meccanico, può produrre un aumento di temperatura estremo localmente confinato. Ciò è dovuto alle intense forze generate all'interno e in prossimità delle bolle di cavitazione che collassano, dove si possono raggiungere facilmente temperature di diverse migliaia di gradi Celsius. Nella soluzione in massa, l'aumento di temperatura derivante dall'implosione di una singola bolla è quasi trascurabile, ma la dissipazione di calore da parte di numerose bolle di cavitazione, come si osserva nei punti caldi di cavitazione (generati dalla sonicazione con ultrasuoni ad alta potenza), può infine causare un aumento misurabile della temperatura in massa. Il vantaggio dell'ultrasuonoterapia e della sicochimica risiede nella possibilità di controllare gli effetti della temperatura durante la lavorazione: Il controllo della temperatura della soluzione sfusa può essere ottenuto utilizzando serbatoi con camicie di raffreddamento e sonicazione pulsata. I sofisticati ultrasuonatori di Hielscher Ultrasonics possono sospendere gli ultrasuoni quando viene raggiunto un limite superiore di temperatura e continuare con l'ultrasuonazione non appena viene raggiunto il valore inferiore di un ∆T impostato. Questo è particolarmente importante quando si utilizzano reagenti sensibili al calore.

La stereochimica migliora la cinetica di reazione

Poiché la sonicazione genera vibrazioni intense e cavitazione, la cinetica chimica ne risente. La cinetica di un sistema chimico è strettamente correlata all'espansione e all'implosione delle bolle di cavitazione, con un impatto significativo sulla dinamica del movimento delle bolle. I gas disciolti nella soluzione di reazione chimica influenzano le caratteristiche di una reazione stereo-chimica attraverso effetti termici e chimici. Gli effetti termici influenzano le temperature di picco raggiunte durante il collasso delle bolle nel vuoto di cavitazione; gli effetti chimici modificano gli effetti dei gas direttamente coinvolti nella reazione.
Le reazioni eterogenee e omogenee con cinetiche di reazione lente, tra cui le reazioni di accoppiamento Suzuki, la precipitazione, la cristallizzazione e la chimica delle emulsioni, sono destinate a essere avviate e promosse attraverso gli ultrasuoni di potenza e i loro effetti sonici.
Ad esempio, per la sintesi dell'acido ferulico, la sonicazione a bassa frequenza (20kHz) con una potenza di 180 W ha dato una resa di acido ferulico del 94% a 60°C in 3 ore. Questi risultati di Truong et al. (2018) dimostrano che l'uso di una bassa frequenza (tipo a tromba e irradiazione ad alta potenza) ha migliorato significativamente il tasso di conversione, dando rese superiori al 90%.

Chimica dell'emulsione intensificata a ultrasuoni

Le reazioni eterogenee come la chimica delle emulsioni traggono notevoli vantaggi dall'applicazione degli ultrasuoni di potenza. La cavitazione a ultrasuoni riduce e distribuisce le goccioline di ciascuna fase in modo omogeneo l'una nell'altra, creando un'emulsione di dimensioni sub-microniche o nano-emulsione. Poiché le goccioline di dimensioni nanometriche offrono un'area superficiale drasticamente aumentata per interagire con le diverse goccioline, il trasferimento di massa e la velocità di reazione sono notevolmente migliorati. Con la sonicazione, le reazioni note per la loro cinetica tipicamente lenta mostrano tassi di conversione nettamente migliori, rese più elevate, meno sottoprodotti o scarti e una migliore efficienza complessiva. La chimica delle emulsioni migliorata con gli ultrasuoni viene spesso applicata per la polimerizzazione delle emulsioni, ad esempio per produrre miscele di polimeri, adesivi a base acquosa e polimeri speciali.

10 cose da sapere prima di acquistare un reattore chimico

Quando si sceglie un reattore chimico per un processo chimico, sono molti i fattori che influenzano la progettazione ottimale del reattore chimico. Se il processo chimico coinvolge reazioni chimiche eterogenee multifase e ha una cinetica di reazione lenta, l'agitazione del reattore e l'attivazione del processo sono fattori di influenza essenziali per il successo della conversione chimica e per i costi economici (operativi) del reattore chimico.
Gli ultrasuoni migliorano notevolmente la cinetica di reazione delle reazioni chimiche liquido-liquido e liquido-solido nei reattori chimici batch e nei recipienti di reazione in linea. Pertanto, l'integrazione di sonde a ultrasuoni in un reattore chimico può ridurre i costi del reattore e migliorare l'efficienza complessiva e la qualità del prodotto finale.
Molto spesso, l'ingegneria dei reattori chimici manca di conoscenze sul miglioramento dei processi assistiti dagli ultrasuoni. Senza una conoscenza approfondita dell'influenza degli ultrasuoni di potenza, dell'agitazione ultrasonica, della cavitazione acustica e degli effetti sicochimici sulle prestazioni dei reattori chimici, l'analisi dei reattori chimici e i fondamenti della progettazione convenzionale possono produrre solo risultati inferiori. Di seguito viene fornita una panoramica dei vantaggi fondamentali degli ultrasuoni per la progettazione e l'ottimizzazione dei reattori chimici.

I vantaggi del reattore a vasca agitata continua (CSTR) intensificato con ultrasuoni

• • Reattori a ultrasuoni per laboratorio e produzione:
    Facile scalabilità: I processori a ultrasuoni sono disponibili per la produzione in laboratorio, pilota e su larga scala.
    Riproducibile / ripetibile risultati grazie a parametri ultrasonici controllabili con precisione
    Capacità e velocità di reazioneLe reazioni intensificate con gli ultrasuoni sono più rapide e quindi più economiche (costi inferiori).
  • La sonochimica è applicabile sia per scopi generali che speciali

– adattabilità & versatilità, ad esempio opzioni di installazione e configurazione flessibili e uso interdisciplinare.

• Gli ultrasuoni possono essere utilizzati in ambienti esplosivi
  – spurgo (ad esempio, coperta di azoto)
  – nessuna superficie aperta
• Pulizia semplice: autopulente (CIP) – pulire sul posto)
• Scegliete i materiali di costruzione che preferite
  – vetro, acciaio inox, titanio
  – nessuna guarnizione rotante
  – ampia scelta di sigillanti
• Gli ultrasonici possono essere utilizzati in un'ampia gamma di temperature
• Gli ultrasonici possono essere utilizzati ad un'ampia gamma di pressioni
• Effetto sinergico con altre tecnologie, ad esempio elettrochimica (sono-elettrochimica), catalisi (sono-catalisi), cristallizzazione (sono-cristallizzazione) ecc.
• La sonicazione è ideale per migliorare i bioreattori, ad esempio la fermentazione.
• Dissoluzione / Dissoluzione: Nei processi di dissoluzione, le particelle passano da una fase all'altra, ad esempio quando le particelle solide si dissolvono in un liquido. Si è visto che il grado di agitazione influenza la velocità del processo. Molti piccoli cristalli si dissolvono molto più velocemente con la cavitazione a ultrasuoni che in reattori batch ad agitazione convenzionale. Anche in questo caso, la ragione delle diverse velocità risiede nei diversi tassi di trasferimento di massa sulle superfici delle particelle. Ad esempio, gli ultrasuoni vengono applicati con successo per creare soluzioni supersature, ad esempio nei processi di cristallizzazione (sono-cristallizzazione).
• Estrazione chimica a ultrasuoni:
  – Liquido-solido, ad es. estrazione botanica, estrazione chimica
  – Liquido-liquido: Quando gli ultrasuoni vengono applicati a un sistema di estrazione liquido-liquido, si crea un'emulsione di una delle fasi nell'altra. Questa formazione di emulsione porta a un aumento delle aree interfacciali tra le due fasi immiscibili, con conseguente aumento del flusso di trasferimento di massa tra le fasi.

In che modo la sonicazione migliora le reazioni chimiche nei reattori a serbatoio agitato?

• Maggiore superficie di contatto: Nelle reazioni tra reagenti in fasi eterogenee, solo le particelle che si scontrano tra loro all'interfaccia possono reagire. Più grande è l'interfaccia, più collisioni possono verificarsi. Quando una porzione liquida o solida di una sostanza viene spezzata in goccioline più piccole o in particelle solide sospese in un liquido in fase continua, l'area superficiale di questa sostanza aumenta. Inoltre, in seguito alla riduzione delle dimensioni, il numero di particelle aumenta e quindi la distanza media tra le particelle diminuisce. Ciò migliora l'esposizione della fase continua alla fase dispersa. Pertanto, la velocità di reazione aumenta con il grado di frammentazione della fase dispersa. Molte reazioni chimiche in dispersioni o emulsioni mostrano un drastico miglioramento della velocità di reazione a seguito della riduzione dimensionale delle particelle con gli ultrasuoni.
• Catalisi (Energia di attivazione): I catalizzatori sono di grande importanza in molte reazioni chimiche, nello sviluppo di laboratorio e nella produzione industriale. Spesso i catalizzatori sono in fase solida o liquida e immiscibili con un reagente o con tutti i reagenti. Di conseguenza, il più delle volte la catalisi è una reazione chimica eterogenea. Nella produzione dei più importanti prodotti chimici di base, come acido solforico, ammoniaca, acido nitrico, etene e metanolo, i catalizzatori svolgono un ruolo importante. Ampie aree della tecnologia ambientale si basano su processi catalitici. Una collisione di particelle porta a una reazione chimica, cioè a un raggruppamento di atomi, solo se le particelle si scontrano con sufficiente energia cinetica. Gli ultrasuoni sono un mezzo molto efficiente per aumentare la cinetica nei reattori chimici. In un processo di catalisi eterogenea, l'aggiunta degli ultrasuoni al progetto di un reattore chimico può ridurre la necessità di un catalizzatore. Ciò può comportare l'uso di una quantità minore di catalizzatore o di catalizzatori inferiori e meno nobili.
• Maggiore frequenza di contatto / Migliore trasferimento di massa: La miscelazione e l'agitazione a ultrasuoni è un metodo molto efficace per generare goccioline e particelle minuscole (cioè sub-micron e nano-particelle), che offrono una maggiore superficie attiva per le reazioni. Grazie all'intensa agitazione e ai micromovimenti causati dagli ultrasuoni, la frequenza di contatto tra le particelle aumenta drasticamente, migliorando notevolmente il tasso di conversione.
• Plasma compresso: Per molte reazioni, un aumento di 10 Kelvin della temperatura del reattore provoca un raddoppio circa della velocità di reazione. La cavitazione a ultrasuoni produce punti caldi localizzati altamente reattivi fino a 5000 K all'interno del liquido, senza un riscaldamento sostanziale del volume complessivo del liquido nel reattore chimico.
• Energia termica: Qualsiasi energia ultrasonica aggiunta al progetto di un reattore chimico viene infine convertita in energia termica. Pertanto, è possibile riutilizzare l'energia per il processo chimico. Invece di un apporto di energia termica mediante elementi riscaldanti o vapore, l'ultrasuonizzazione introduce un processo che attiva l'energia meccanica mediante vibrazioni ad alta frequenza. Nel reattore chimico, questo produce una cavitazione ultrasonica che attiva il processo chimico a più livelli. Infine, l'immenso taglio ultrasonico delle sostanze chimiche determina la conversione in energia termica, cioè in calore. È possibile utilizzare reattori batch incamiciati o reattori in linea per il raffreddamento, al fine di mantenere una temperatura di processo costante per la reazione chimica.

Ultrasuonatori ad alte prestazioni per migliorare le reazioni chimiche nei CSTR

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce omogeneizzatori e disperdenti a ultrasuoni ad alte prestazioni da integrare nei reattori a vasca agitata continua (CSTR). Gli ultrasuoni Hielscher sono utilizzati in tutto il mondo per promuovere, intensificare, accelerare e migliorare le reazioni chimiche.
Hielscher Ultrasonics’ I processori a ultrasuoni sono disponibili in qualsiasi dimensione, dai piccoli dispositivi da laboratorio ai grandi processori industriali per applicazioni di chimica a flusso. La regolazione precisa dell'ampiezza degli ultrasuoni (che è il parametro più importante) consente di far funzionare gli ultrasuoni Hielscher ad ampiezze da basse a molto elevate e di regolare con precisione l'ampiezza in base alle condizioni di processo ultrasonoro richieste dallo specifico sistema di reazione chimica.
I generatori di ultrasuoni Hielscher sono dotati di un software intelligente con protocollatura automatica dei dati. Tutti i parametri di elaborazione più importanti, come l'energia ultrasonica, la temperatura, la pressione e il tempo, vengono memorizzati automaticamente su una scheda SD integrata non appena il dispositivo viene acceso.
Il monitoraggio del processo e la registrazione dei dati sono importanti per la standardizzazione continua del processo e la qualità del prodotto. Accedendo ai dati di processo registrati automaticamente, è possibile rivedere i cicli di sonicazione precedenti e valutarne i risultati.
Un'altra caratteristica di facile utilizzo è il controllo remoto via browser dei nostri sistemi digitali a ultrasuoni. Tramite il controllo remoto via browser è possibile avviare, arrestare, regolare e monitorare il processore a ultrasuoni a distanza da qualsiasi luogo.
Contattateci subito per saperne di più su come i nostri omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni possono migliorare il vostro reattore a vasca agitata in continuo (CSTR)!
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: