Reattori continui a serbatoio agitato con agitazione a ultrasuoni

I reattori continui a serbatoio agitato (CSTR) sono ampiamente utilizzati 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 mediante l’applicazione della sonicazione con ultrasuoni di potenza. La miscelazione e l’agitazione intense e gli effetti sonochimici degli ultrasuoni di potenza accelerano la cinetica di reazione e migliorano significativamente il tasso di conversione. I sonicatori possono essere facilmente integrati in CSTR di qualsiasi volume.

Perché applicare gli ultrasuoni di potenza a un reattore continuo a serbatoio agitato?

Un reattore continuo a serbatoio agitato (CSTR, o semplicemente reattore a serbatoio agitato (STR)) è, nelle sue caratteristiche principali, molto simile a un reattore discontinuo. La differenza fondamentale è che, nella configurazione del reattore continuo a serbatoio agitato (CSTR), il materiale deve entrare e uscire dal reattore in un flusso continuo. L’alimentazione del reattore può avvenire mediante flusso per gravità o flusso a circolazione forzata con una pompa. Il CSTR è talvolta chiamato reattore a flusso con retromiscelazione (BMR).
I CSTR sono comunemente utilizzati quando è necessaria l’agitazione di due o più liquidi. Possono essere utilizzati come singolo reattore oppure installati in una serie di configurazioni per flussi a concentrazioni diverse e differenti fasi di reazione. Oltre all’impiego di un singolo reattore a serbatoio, sono comunemente utilizzate l’installazione in serie di più serbatoi (uno dopo l’altro) o la configurazione a cascata.
Perché la sonicazione? È noto che la miscelazione e l’agitazione a ultrasuoni, così come gli effetti sonochimici degli ultrasuoni di potenza, contribuiscono all’efficienza delle reazioni chimiche. Il miglioramento della miscelazione e la riduzione delle dimensioni delle particelle dovuti alle vibrazioni ultrasoniche e alla cavitazione determinano una cinetica significativamente accelerata e un maggiore tasso di conversione. Gli effetti sonochimici possono fornire l’energia necessaria per avviare reazioni chimiche, modificare i percorsi di reazione e ottenere rese più elevate grazie a una reazione più completa.

I CSTR intensificati mediante ultrasuoni possono essere utilizzati per applicazioni quali:

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

La sonicazione come sistema di sintesi chimica ad alta velocità

La chimica di sintesi 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 a riflusso, i reattori di sintesi assistita da ultrasuoni possono ridurre la durata della reazione a pochi minuti, accelerando significativamente la reazione di sintesi. L’intensificazione della sintesi mediante ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica e sulle forze ad essa associate, compreso il surriscaldamento localizzato. Per saperne di più sugli ultrasuoni, sulla cavitazione acustica e sulla sonochimica, consultare la sezione successiva.

Cavitazione ultrasonica e relativi effetti sonochimici

La cavitazione ultrasonica (o acustica) si verifica quando gli ultrasuoni di potenza vengono accoppiati a liquidi o sospensioni. La cavitazione è la transizione da una fase liquida a una fase vapore, che si verifica a causa di una diminuzione della pressione fino al livello della tensione di vapore del fluido.
La cavitazione ultrasonica genera forze di taglio molto elevate e getti di liquido con velocità fino a 1000m/s. Questi getti di liquido accelerano le particelle e provocano collisioni tra di esse, riducendo così le dimensioni delle particelle solide e delle goccioline. Inoltre – all’interno della bolla di cavitazione che implode e nelle sue immediate vicinanze – si generano pressioni estremamente elevate, dell’ordine di centinaia di atmosfere, e temperature dell’ordine di migliaia di gradi Kelvin.
Sebbene la sonicazione sia un metodo di trattamento puramente meccanico, può produrre un aumento estremo e localizzato della temperatura. Ciò è dovuto alle intense forze generate all’interno delle bolle di cavitazione che collassano e nelle loro immediate vicinanze, dove si possono facilmente raggiungere temperature di diverse migliaia di gradi Celsius. Nella massa della soluzione, l’aumento di temperatura derivante dall’implosione di una singola bolla è quasi trascurabile, ma la dissipazione del calore da 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 della massa della soluzione. Il vantaggio della sonicazione e della sonochimica risiede nella possibilità di controllare gli effetti termici durante il trattamento: il controllo della temperatura della massa della soluzione può essere ottenuto utilizzando serbatoi con camicie di raffreddamento e mediante sonicazione pulsata. I sofisticati sonicatori di Hielscher Ultrasonics possono sospendere l’emissione degli ultrasuoni quando viene raggiunto un limite superiore di temperatura e riprendere la sonicazione non appena viene raggiunto il valore inferiore di un ∆T impostato. Questo è particolarmente importante quando si utilizzano reagenti termosensibili.

La sonochimica migliora la cinetica di reazione

Poiché la sonicazione genera intense vibrazioni 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, influenzando significativamente la dinamica del loro movimento. I gas disciolti nella soluzione di reazione chimica influenzano le caratteristiche di una reazione sonochimica attraverso effetti sia termici sia chimici. Gli effetti termici influenzano le temperature massime raggiunte durante il collasso delle bolle all’interno della cavità di cavitazione; gli effetti chimici modificano gli effetti dei gas direttamente coinvolti in una reazione.
Le reazioni eterogenee e omogenee con cinetica lenta, comprese le reazioni di accoppiamento di Suzuki, la precipitazione, la cristallizzazione e la chimica delle emulsioni, si prestano particolarmente a essere avviate e favorite dagli ultrasuoni di potenza e dai loro effetti sonochimici.
Ad esempio, per la sintesi dell’acido ferulico, la sonicazione a bassa frequenza (20kHz) con una potenza di 180 W ha fornito una resa di acido ferulico del 94% a 60°C in 3 h. Questi risultati di Truong et al. (2018) dimostrano che l’uso della bassa frequenza (sonicatore a sonotrodo e irradiazione ad alta potenza) ha migliorato significativamente il tasso di conversione, fornendo rese superiori al 90%.

Chimica delle emulsioni intensificata mediante ultrasuoni

Le reazioni eterogenee, come quelle della chimica delle emulsioni, traggono notevoli benefici dall’applicazione degli ultrasuoni di potenza. La cavitazione ultrasonica riduce le dimensioni delle goccioline di ciascuna fase e le distribuisce omogeneamente nell’altra, creando un’emulsione submicrometrica o una nanoemulsione. Poiché le goccioline di dimensioni nanometriche offrono una superficie notevolmente maggiore per interagire con altre goccioline, il trasferimento di massa e la velocità di reazione migliorano significativamente. Sotto 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 mediante ultrasuoni viene spesso applicata alla polimerizzazione in emulsione, 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, molti fattori influenzano la progettazione ottimale del reattore. Se il processo chimico prevede reazioni chimiche eterogenee multifase e presenta una cinetica di reazione lenta, l’agitazione nel reattore e l’attivazione del processo sono fattori determinanti per una conversione chimica efficace e per contenere i costi operativi del reattore chimico.
La sonicazione migliora significativamente la cinetica delle reazioni chimiche liquido–liquido e liquido–solido nei reattori chimici discontinui 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, nell’ingegneria dei reattori chimici mancano conoscenze sul miglioramento dei processi assistito da ultrasuoni. Senza una conoscenza approfondita dell’influenza degli ultrasuoni di potenza, dell’agitazione ultrasonica, della cavitazione acustica e degli effetti sonochimici sulle prestazioni dei reattori chimici, l’analisi dei reattori chimici e i principi convenzionali di progettazione possono produrre soltanto risultati inferiori. Di seguito viene presentata una panoramica dei vantaggi fondamentali degli ultrasuoni per la progettazione e l’ottimizzazione dei reattori chimici.

I vantaggi del reattore continuo a serbatoio agitato (CSTR) intensificato mediante ultrasuoni

• • Reattori potenziati mediante ultrasuoni per il laboratorio e la produzione:
    Facile aumento di scala: I processori a ultrasuoni sono facilmente disponibili per il laboratorio, gli impianti pilota e la produzione su larga scala
    Riproducibili / ripetibili sono i risultati grazie a parametri ultrasonici controllabili con precisione
    Capacità e velocità di reazione: le reazioni intensificate mediante ultrasuoni sono più rapide e quindi più economiche (costi inferiori)
  • La sonochimica è applicabile sia per scopi generali sia per scopi specifici

– adattabilità e versatilità, ad esempio opzioni flessibili di installazione e configurazione e utilizzo interdisciplinare

• La sonicazione può essere utilizzata in ambienti esplosivi
  – spurgo (ad esempio copertura con azoto)
  – nessuna superficie aperta
• Pulizia semplice: autopulizia (CIP – pulizia in loco)
• Scegliete i materiali costruttivi che preferite
  – vetro, acciaio inossidabile, titanio
  – nessuna tenuta rotante
  – ampia scelta di materiali di tenuta
• I sonicatori possono essere utilizzati in un ampio intervallo di temperature
• I sonicatori possono essere utilizzati in un ampio intervallo di pressioni
• Effetto sinergico con altre tecnologie, ad esempio elettrochimica (sonoelettrochimica), catalisi (sonocatalisi), cristallizzazione (sonocristallizzazione), ecc.
• La sonicazione è ideale per migliorare i bioreattori, ad esempio nella fermentazione.
• Dissoluzione / Solubilizzazione: nei processi di dissoluzione, le particelle passano da una fase all’altra, ad esempio quando particelle solide si dissolvono in un liquido. Si osserva che il grado di agitazione influenza la velocità del processo. Molti piccoli cristalli si dissolvono molto più rapidamente sotto cavitazione ultrasonica rispetto a un singolo cristallo nei reattori discontinui con agitazione convenzionale. Anche in questo caso, la ragione delle diverse velocità risiede nelle differenti velocità di trasferimento di massa alle superfici delle particelle. Ad esempio, la sonicazione viene applicata con successo per creare soluzioni sovrasature, ad esempio nei processi di cristallizzazione (sonocristallizzazione).
• Estrazione chimica favorita dagli ultrasuoni:
  – Liquido–solido, ad esempio 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 dell’emulsione aumenta le aree interfacciali tra le due fasi immiscibili, determinando un maggiore 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, possono reagire soltanto le particelle che collidono tra loro all’interfaccia. Quanto maggiore è l’interfaccia, tanto più numerose possono essere le collisioni. Quando una porzione liquida o solida di una sostanza viene suddivisa in goccioline più piccole o in particelle solide sospese in una fase liquida continua, la superficie di questa sostanza aumenta. Inoltre, a seguito della riduzione delle dimensioni, il numero di particelle aumenta e quindi la distanza media tra queste particelle diminuisce. Ciò migliora il contatto della fase continua con la fase dispersa. Pertanto, la velocità di reazione aumenta con il grado di frammentazione della fase dispersa. Molte reazioni chimiche in dispersioni o emulsioni mostrano notevoli miglioramenti della velocità di reazione grazie alla riduzione delle dimensioni delle particelle mediante ultrasuoni.
• Catalisi (energia di attivazione): I catalizzatori rivestono grande importanza in molte reazioni chimiche, nello sviluppo in laboratorio e nella produzione industriale. Spesso i catalizzatori sono in fase solida o liquida e immiscibili con uno o tutti i reagenti. Pertanto, nella maggior parte dei casi, la catalisi è una reazione chimica eterogenea. Nella produzione delle più importanti sostanze chimiche di base, come acido solforico, ammoniaca, acido nitrico, etene e metanolo, i catalizzatori svolgono un ruolo importante. Ampi settori della tecnologia ambientale si basano su processi catalitici. Una collisione tra particelle porta a una reazione chimica, cioè a una riorganizzazione degli atomi, soltanto se le particelle collidono con sufficiente energia cinetica. La sonicazione è un mezzo altamente efficiente per accelerare la cinetica nei reattori chimici. In un processo di catalisi eterogenea, l’integrazione degli ultrasuoni nella progettazione di un reattore chimico può ridurre il fabbisogno di catalizzatore. Ciò può consentire di utilizzare una minore quantità di catalizzatore oppure catalizzatori di qualità inferiore e meno nobili.
• Maggiore frequenza di contatto / Migliore trasferimento di massa: La miscelazione e l’agitazione a ultrasuoni sono un metodo altamente efficace per generare goccioline e particelle minute (cioè particelle submicrometriche e nanoparticelle), che offrono una maggiore superficie attiva per le reazioni. Grazie all’ulteriore agitazione intensa e ai micromovimenti causati dagli ultrasuoni di potenza, la frequenza di contatto tra le particelle aumenta drasticamente, determinando un tasso di conversione significativamente migliore.
• Plasma compresso: Per molte reazioni, un aumento di 10 Kelvin della temperatura del reattore provoca un raddoppio approssimativo della velocità di reazione. La cavitazione ultrasonica produce nel liquido punti caldi localizzati e altamente reattivi con temperature fino a 5000K, senza riscaldare sostanzialmente l’intero volume di liquido nel reattore chimico.
• Energia termica: Qualsiasi energia ultrasonica introdotta nella progettazione di un reattore chimico verrà infine convertita in energia termica. Pertanto, è possibile riutilizzare l’energia per il processo chimico. Anziché apportare energia termica mediante elementi riscaldanti o vapore, la sonicazione introduce energia meccanica che attiva il processo mediante vibrazioni ad alta frequenza. Nel reattore chimico, ciò produce cavitazione ultrasonica che attiva il processo chimico su più livelli. Infine, l’intensa azione di taglio ultrasonico sulle sostanze chimiche determina la conversione in energia termica, cioè calore. È possibile utilizzare reattori discontinui con camicia o reattori in linea per il raffreddamento, in modo da mantenere una temperatura di processo costante per la reazione chimica.

Sonicatori ad alte prestazioni per migliorare le reazioni chimiche nei CSTR

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce omogeneizzatori a ultrasuoni e dispersori ad alte prestazioni per l’integrazione nei reattori continui a serbatoio agitato (CSTR). I sonicatori Hielscher sono utilizzati in tutto il mondo per favorire, intensificare, accelerare e migliorare le reazioni chimiche.
I processori a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics sono disponibili in tutte le dimensioni, dai piccoli dispositivi da laboratorio ai grandi processori industriali per applicazioni di chimica in flusso. La regolazione precisa dell’ampiezza ultrasonica (che è il parametro più importante) consente di utilizzare i sonicatori Hielscher ad ampiezze da basse a molto elevate e di regolare finemente l’ampiezza in modo che corrisponda esattamente alle condizioni di processo ultrasonico richieste dallo specifico sistema di reazione chimica.
I generatori a ultrasuoni Hielscher sono dotati di un software intelligente con registrazione automatica dei dati. Tutti i parametri di trattamento importanti, come energia ultrasonica, temperatura, pressione e 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 riesaminare i precedenti cicli di sonicazione e valutarne i risultati.
Un’altra funzione di facile utilizzo è il controllo remoto tramite browser dei nostri sistemi a ultrasuoni digitali. Tramite il controllo remoto da 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 continuo a serbatoio agitato (CSTR)!
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: