Reattori a serbatoio continuamente agitato agitati con ultrasuoni

I reattori a serbatoio continuamente agitato (CSTR) sono ampiamente applicati per varie reazioni chimiche tra cui catalisi, chimica delle emulsioni, polimerizzazione, sintesi, estrazione e cristallizzazione. La cinetica di reazione lenta 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 sonochimici di potenza-ultrasuoni accelerano la cinetica di reazione e migliorano il tasso di conversione in modo significativo. Gli ultrasuoni possono essere facilmente integrati in CSTR di qualsiasi volume.

Perché applicare l'ultrasuono di potenza a un reattore a serbatoio continuamente agitato?

Ultrasonically intensified CSTR: Power-ultrasound prootes chemical reactions by intense agitation.Un reattore a serbatoio continuamente agitato (CSTR, o semplicemente reattore a serbatoio agitato (STR)) è nelle sue caratteristiche principali abbastanza simile al reattore a batch. La differenza più importante è che, per il reattore a serbatoio agitato continuo (CSTR), l'alimentazione del materiale deve essere fornita in flusso continuo dentro e fuori il reattore. L'alimentazione del reattore può essere ottenuta per gravità o per circolazione forzata utilizzando una pompa. Il CSTR è a volte chiamato un reattore a flusso misto posteriore (BMR).
I CSTR sono comunemente usati quando è richiesta l'agitazione di due o più liquidi. I CSTR possono essere usati come reattore singolo o essere installati come una serie di configurazioni per diversi flussi di concentrazione e fasi di reazione. Oltre all'uso di un reattore a serbatoio singolo, l'installazione seriale di vari serbatoi (uno dopo l'altro) o la configurazione a cascata sono comunemente usati.
Perché l'ultrasuoni? La miscelazione e l'agitazione ultrasonica, così come gli effetti sonochimici degli ultrasuoni di potenza, sono ben noti per contribuire all'efficienza delle reazioni chimiche. La migliore miscelazione e la riduzione delle dimensioni delle particelle dovute alle vibrazioni ultrasoniche e alla cavitazione forniscono una cinetica significativamente accelerata e un tasso di conversione migliorato. Gli effetti sonochimici possono fornire l'energia necessaria per avviare le reazioni chimiche, commutare i percorsi chimici e dare rendimenti più elevati a causa di una reazione più completa.

Il CSTR intensificato dagli ultrasuoni può essere utilizzato per applicazioni come:

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

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The ultrasonicator UP200St in a stirred vessel for emulsification of reactants

Reattore con serbatoio ad agitazione continua (CSTR) con ultrasuoni UP200St per l'intensificazione del processo

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 hanno bisogno di diverse ore o giorni sotto riflusso, i reattori di sintesi promossi dagli ultrasuoni possono ridurre la durata della reazione a pochi minuti, con una conseguente significativa accelerazione della reazione di sintesi. L'intensificazione della sintesi a ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica e delle sue forze correlate, compreso il surriscaldamento confinato a livello locale. Per saperne di più sugli ultrasuoni, la cavitazione acustica e la sonochimica nella prossima sezione.

Cavitazione ultrasonica e i suoi effetti sonochimici

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 ultrasonica crea forze di taglio molto elevate e getti di liquido fino a 1000m/s. Questi getti liquidi accelerano le particelle e causano collisioni interparticellari, riducendo così la dimensione delle particelle di solidi e goccioline. Inoltre – localizzato all'interno e nelle immediate vicinanze della bolla di cavitazione implosa – si generano pressioni estremamente elevate dell'ordine di centinaia di atmosfere e temperature dell'ordine di migliaia di gradi Kelvin.
Anche se l'ultrasuonazione è un metodo di lavorazione puramente meccanico, può produrre un aumento di temperatura estremo confinato localmente. 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 bulk, l'aumento di temperatura risultante dall'implosione di una singola bolla è quasi trascurabile, ma la dissipazione di calore da numerose bolle di cavitazione come osservato negli hot-spot di cavitazione (come generato dalla sonicazione con ultrasuoni ad alta potenza) può infine causare un aumento misurabile della temperatura bulk. Il vantaggio della sonicazione e della sonochimica risiede negli effetti controllabili della temperatura durante la lavorazione: Il controllo della temperatura della soluzione sfusa può essere ottenuto utilizzando serbatoi con camicie di raffreddamento e la sonicazione pulsata. I sofisticati ultrasuonatori della Hielscher Ultrasonics possono mettere in pausa gli ultrasuoni quando viene raggiunto un limite superiore di temperatura e continuare l'ultrasuonazione non appena viene raggiunto il valore inferiore di un ∆T impostato. Questo è particolarmente importante quando si usano reagenti sensibili al calore.

La sonochimica migliora la cinetica della reazione

Ultasonically intendified Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR) are widely used in flow  chemistry. Ultrasonication improves amss transfer, accelerates slow reaction kinetics and promotes conversion rates and yields.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, influenzando in modo significativo la dinamica del movimento delle bolle. I gas disciolti nella soluzione di reazione chimica influenzano le caratteristiche di una reazione sonochemica attraverso effetti termici e chimici. Gli effetti termici influenzano le temperature di picco che vengono raggiunte durante il collasso della bolla nel vuoto di cavitazione; gli effetti chimici modificano gli effetti dei gas, che sono direttamente coinvolti in una reazione.
Le reazioni eterogenee e omogenee con cinetica di reazione lenta, comprese le reazioni di accoppiamento Suzuki, la precipitazione, la cristallizzazione e la chimica delle emulsioni sono predestinate a essere avviate e promosse attraverso l'ultrasuono e i suoi effetti sonochimici.
Per esempio, per la sintesi dell'acido ferulico, la sonicazione a bassa frequenza (20kHz) ad 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 della bassa frequenza (tipo corno e irradiazione ad alta potenza) ha migliorato significativamente il tasso di conversione dando rese superiori al 90%.

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Continuously Stirred Tank Reactors (CSTR) can be significantly improved by the application of power ultrasound. Ultrasonic agitation and sonochemical effects accelerate slow reaction kinetics and promote chemical conversion rates.

Reattore a serbatoio continuamente agitato (CSTR) con ultrasuoni integrato UIP2000hdT (2kW, 20kHz) per migliorare la cinetica e i tassi di conversione.

Chimica dell'emulsione intensificata ad ultrasuoni

Le reazioni eterogenee come la chimica delle emulsioni beneficiano in modo significativo dell'applicazione degli ultrasuoni di potenza. La cavitazione ultrasonica diminuisce e distribuisce le goccioline di ogni fase in modo omogeneo l'una dentro l'altra creando una sub-micron o nano-emulsione. Poiché le goccioline di dimensioni nano offrono un'area superficiale drasticamente aumentata per interagire con goccioline diverse, il trasferimento di massa e il tasso di reazione sono notevolmente migliorati. Sotto sonicazione, le reazioni note per la loro cinetica tipicamente lenta mostrano tassi di conversione drammaticamente migliorati, rendimenti più alti, meno sottoprodotti o rifiuti e una migliore efficienza generale. La chimica delle emulsioni migliorata dagli ultrasuoni viene spesso applicata per la polimerizzazione delle emulsioni, ad esempio per produrre miscele di polimeri, adesivi a base d'acqua e polimeri speciali.

10 cose che dovresti sapere prima di comprare un reattore chimico

Quando si sceglie un reattore chimico per un processo chimico ci sono molti fattori che influenzano il design ottimale del reattore chimico. Se il vostro processo chimico coinvolge reazioni chimiche multifase ed eterogenee e ha una cinetica di reazione lenta, l'agitazione del reattore e l'attivazione del processo sono fattori essenziali che influenzano la conversione chimica di successo e 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 a batch e nei recipienti di reazione in linea. Quindi, 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 della conoscenza del miglioramento del processo assistito dagli ultrasuoni. Senza una profonda conoscenza dell'influenza degli ultrasuoni di potenza, dell'agitazione ultrasonica, della cavitazione acustica e degli effetti sonochimici sulle prestazioni del reattore chimico, l'analisi del reattore chimico e i fondamenti della progettazione convenzionale possono produrre solo risultati inferiori. Di seguito, avrete una panoramica sui vantaggi fondamentali degli ultrasuoni per la progettazione e l'ottimizzazione dei reattori chimici.

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

  • Reattori potenziati a ultrasuoni per il laboratorio e la produzione:
    Facile scalabilità: I processori a ultrasuoni sono facilmente disponibili per la produzione di laboratorio, pilota e su larga scala
    Riproducibile / ripetibile risultati dovuti a parametri ultrasonici controllabili con precisione
    Capacità e velocità di reazioneLe reazioni intensificate dagli ultrasuoni sono più veloci e quindi più economiche (costi inferiori)
  • La sonochimica è applicabile sia per scopi generali che speciali
  • – adattabilità & versatilità, per esempio, opzioni di installazione e configurazione flessibili e uso interdisciplinare

  • Gli ultrasuoni possono essere utilizzati in ambienti esplosivi
    – spurgo (per esempio, coperta di azoto)
    – nessuna superficie aperta
  • Pulizia semplice: auto pulizia (CIP – pulire sul posto)
  • Scegliete i vostri materiali di costruzione preferiti
    – vetro, acciaio inossidabile, titanio
    – nessuna guarnizione rotante
    – ampia scelta di sigillanti
  • Gli ultrasuoni possono essere utilizzati in una vasta gamma di temperature
  • Gli ultrasuoni possono essere utilizzati in un'ampia gamma di pressioni
  • Effetto sinergico con altre tecnologie, per esempio, elettrochimica (sono-elettrochimica), catalisi (sono-catalisi), cristallizzazione (sono-cristallizzazione) ecc.
  • La sonicazione è ideale per migliorare i bioreattori, per esempio la fermentazione.
  • Dissoluzione / Dissolving: 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 scoperto che il grado di agitazione influenza la velocità del processo. Molti piccoli cristalli si dissolvono molto più velocemente sotto cavitazione ultrasonica che in reattori batch convenzionalmente agitati. Anche qui, la ragione delle diverse velocità risiede nei diversi tassi di trasferimento di massa sulle superfici delle particelle. Per esempio, gli ultrasuoni sono applicati con successo per creare soluzioni supersature, per esempio nei processi di cristallizzazione (sono-cristallizzazione).
  • Estrazione chimica promossa dagli ultrasuoni:
    – Liquido-Solido, per 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 di emulsione porta ad 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 avvenire. Quando una porzione liquida o solida di una sostanza viene rotta in goccioline più piccole o in particelle solide sospese in un liquido in fase continua, l'area superficiale di questa sostanza aumenta. Inoltre, come risultato della riduzione delle dimensioni, il numero di particelle aumenta e quindi la distanza media tra queste particelle diminuisce. Questo 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 drastici miglioramenti nella velocità di reazione come risultato della riduzione ultrasonica della dimensione delle particelle.
  • Catalisi (energia di attivazione): I catalizzatori sono di 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. Quindi, il più delle volte, la catalisi è una reazione chimica eterogenea. Nella produzione dei più importanti prodotti chimici di base come l'acido solforico, l'ammoniaca, l'acido nitrico, l'etene e il metanolo, i catalizzatori svolgono un ruolo importante. Grandi aree della tecnologia ambientale sono basate su processi catalitici. Una collisione di particelle porta ad una reazione chimica, cioè un raggruppamento di atomi, solo se le particelle si scontrano con sufficiente energia cinetica. L'ultrasuoni è un mezzo altamente efficiente per aumentare la cinetica nei reattori chimici. In un processo di catalisi eterogenea, l'aggiunta di ultrasuoni al design di un reattore chimico può abbassare la richiesta di un catalizzatore. Questo può portare all'uso di meno catalizzatore o di catalizzatori inferiori e meno nobili.
  • Maggiore frequenza di contatto / Miglioramento del trasferimento di massa: La miscelazione e l'agitazione a ultrasuoni sono un metodo molto efficace per generare goccioline e particelle minuscole (cioè, sub-micron e nano-particelle), che offrono una superficie attiva maggiore per le reazioni. Sotto l'ulteriore intensa agitazione e i micromovimenti causati dalla potenza degli ultrasuoni, la frequenza di contatto tra le particelle è drasticamente aumentata, con un conseguente miglioramento significativo del tasso di conversione.
  • Plasma compresso: Per molte reazioni, un aumento di 10 Kelvin della temperatura del reattore provoca un raddoppio del tasso di reazione. La cavitazione ultrasonica produce punti caldi altamente reattivi localizzati fino a 5000K all'interno del liquido, senza un riscaldamento sostanziale del volume complessivo del liquido nel reattore chimico.
  • Energia termica: Qualsiasi energia ultrasonica che si aggiunge al progetto di un reattore chimico, sarà infine convertita in energia termica. Pertanto, è possibile riutilizzare l'energia per il processo chimico. Invece di un apporto di energia termica tramite elementi riscaldanti o vapore, l'ultrasonicazione introduce un processo che attiva l'energia meccanica per mezzo di 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 provoca 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 vostra reazione chimica.

Ultrasuoni ad alte prestazioni per migliorare le reazioni chimiche in CSTR

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce omogeneizzatori e disperditori a ultrasuoni ad alte prestazioni per l'integrazione in reattori a serbatoio agitato continuo (CSTR). Gli ultrasuoni Hielscher sono utilizzati in tutto il mondo per promuovere, intensificare, accelerare e migliorare le reazioni chimiche.
Ultrasuoni Hielscher’ I processori a ultrasuoni sono disponibili in qualsiasi dimensione, dai piccoli dispositivi da laboratorio ai grandi processori industriali per applicazioni di chimica di flusso. La regolazione precisa dell'ampiezza degli ultrasuoni (che è il parametro più importante) permette di far funzionare gli ultrasuoni Hielscher ad ampiezze da basse a molto alte e di sintonizzare esattamente l'ampiezza alle condizioni di processo ultrasonico richieste dal sistema di reazione chimica specifico.
Il generatore di ultrasuoni della Hielscher è dotato di un software intelligente con protocollatura automatica dei dati. Tutti i parametri di elaborazione importanti come l'energia ultrasonica, la temperatura, la pressione e il tempo vengono automaticamente memorizzati 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 valutare il risultato.
Un'altra caratteristica facile da usare è il controllo remoto via browser dei nostri sistemi a ultrasuoni digitali. Tramite il controllo remoto del browser è possibile avviare, fermare, regolare e monitorare il processore a ultrasuoni a distanza da qualsiasi luogo.
Contattateci ora per saperne di più sui nostri omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni che possono migliorare il vostro reattore a serbatoio agitato in continuo (CSTR)!
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.

Letteratura / Referenze



Particolarità / Cose da sapere

L'agitazione a ultrasuoni nei reattori chimici produce risultati migliori di un convenzionale reattore a serbatoio agitato continuo o di un reattore batchmix. L'agitazione ultrasonica produce più taglio e risultati più riproducibili rispetto ai reattori a getto, grazie a una migliore miscelazione e lavorazione del liquido nel serbatoio del reattore o nel reattore di flusso.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.