超音波で攪拌タンク原子炉を連続的に撹拌

連続撹拌タンク反応器(CSTR)は、触媒、エマルジョン化学、重合、合成、抽出、結晶化など、様々な化学反応に広く適用されています。遅い反応の動態は、容易にパワー超音波の適用によって克服することができるCSTRで一般的な問題である。強烈な混合、攪拌とパワー超音波の超音波の超音波効果は、反応運動を加速し、変換速度を大幅に向上させます。超音波処理器は、任意のボリュームのCDに簡単に統合することができます。

連続撹拌タンクリアクターにパワー超音波を適用する理由

連続撹拌タンクリアクタ(CSTR、または単に攪拌タンクリアクタ(STR))は、バッチリアクタと非常によく似たその主な特性である。主な重要な違いは、連続撹拌タンクリアクター(CSTR)のセットアップのために、材料の供給は、原子炉の出入り連続的な流れで提供されなければならないということです。ポンプを用いた重力流または強制循環流によって、反応器に給水を行うことができる。CSTR はバックミックス フロー リアクタ (BMR) と呼ばれることもあります。
CDは、2つ以上の液体の攪拌が必要な場合に一般的に使用されます。CDは、単一の反応器として使用することも、異なる濃度ストリームや反応ステップのための一連の構成としてインストールすることもできます。単一タンクリアクターの使用に加えて、様々なタンク(互いに1つ後に)またはカスケードセットアップの連続インストールが一般的に使用されています。
なぜ超音波? 超音波混合と攪拌だけでなく、パワー超音波の超音波の効果は、化学反応の効率に寄与することがよく知られています。超音波振動とキャビテーションによる改善された混合および粒度の減少は、著しく加速された運動および高められた転換率を提供する。ソノケミカル効果は、化学反応を開始し、化学経路を切り替え、より完全な反応のためにより高い収率を与えるために必要なエネルギーを提供することができます。

超音波強化CSTRは、次のようなアプリケーションに使用することができます。

• 不均一液体反応
• 不均質な固体液体反応
• 均質な液相反応
• 不均質気液反応
• 不均質な気体-固体液体反応

高速合成化学システムとしての超音波処理

高速合成化学は、化学合成を開始し、強化するために使用される新しい反応技術です。逆流下で数時間または数日を必要とする従来の反応経路と比較して、超音波促進合成反応器は、著しい加速合成反応をもたらす数分に反応時間を最小限に抑えることができる。超音波合成の強化は、音響キャビテーションの作業原理と局所的に閉じ込められた過熱を含む関連する力に基づいています。超音波、音響キャビテーション、ソノケミストリーの詳細については、次のセクションをご覧ください。

超音波キャビテーションとそのソノケミカル効果

超音波(または音響)キャビテーションは、パワー超音波が液体またはスラリーに結合されたときに発生します。キャビテーションは液相から蒸気相への移行であり、圧力降下によって流体の蒸気張力のレベルまで低下する。
超音波キャビテーションは、非常に高いせん断力と最大1000m / sの液体ジェットを作成します。これらの液体ジェットは、粒子を加速し、粒子間衝突を引き起こし、それによって固体および液滴の粒径を減少させる。かつ – 崩壊キャビテーションバブル内および近接する中に局在 – ケルビンの数千度の順序で大気と温度の数百の順序に非常に高い圧力が生成されます。
超音波処理は純粋に機械的な処理方法ですが、局所的に閉じ込められた極端な温度上昇を引き起こす可能性があります。これは、崩壊するキャビテーション気泡の内部およびその近くで発生する強い力によるものであり、数千°Cの温度に容易に到達することができる。バルク溶液では、単一の気泡爆縮に起因する温度上昇はほとんど無視できる程度であるが、キャビテーションホットスポット(高出力超音波による超音波処理によって生成されるように)で観察される多数のキャビテーション気泡からの熱放散は、最終的にバルク温度の測定可能な温度上昇を引き起こす可能性がある。超音波処理と音響化学の利点は、処理中に制御可能な温度効果にあります:バルク溶液の温度制御は、冷却ジャケットとパルス超音波処理を備えたタンクを使用することによって達成することができます。ヒールシャー超音波' 洗練された超音波装置は、上限温度に達すると超音波を一時停止し、設定された∆Tの下限に達するとすぐに超音波処理を続けることができます。これは、熱に敏感な反応物が使用される場合に特に重要です。

ソノケミストリーは反応キネティクスを改善する

超音波処理は激しい振動とキャビテーションを生成するので、化学反応速度論が影響を受けます。化学系の動力学は、キャビテーション気泡の膨張および爆縮と密接に相関し、それによって気泡運動のダイナミクスに重大な影響を及ぼす。化学反応液中の溶存ガスは、熱的効果と化学的効果の両方を介して音響化学反応の特性に影響を与えます。熱効果は、キャビテーションボイド内の気泡崩壊時に到達するピーク温度に影響します。化学的効果は、反応に直接関与するガスの影響を変更します。
スズキカップリング反応、沈殿、結晶化、エマルジョン化学などの遅い反応反応との異種および均質な反応は、パワー超音波およびそのソノ化学的効果を通じて開始され、促進される予定です。
例えば、フェルラ酸の合成のために、180Wの電力での低周波(20kHz)超音波処理は、3時間で60°Cで94%のフェルラ酸収率を与えた。Truongら(2018)によるこれらの結果は、低周波(ホーンタイプおよび高出力照射)の使用が変換率を有意に改善し、90%を超える収率を与えることを実証する。

超音波強化エマルジョン化学

エマルジョン化学などの異種反応は、パワー超音波の適用から有意に利益を得る。超音波キャビテーションは減少し、サブミクロンまたはナノエマルジョンを作成し、互いの内で均質に各相の液滴を分布させた。ナノサイズの液滴は、異なる液滴と相互作用する表面積を大幅に増加させるため、物質移動および反応速度が大幅に向上する。超音波処理の下で、その典型的に遅いキネティクスのために知られている反応は劇的に改善された変換率、より高い収率、より少ない副産物または廃棄物とより良い全体的な効率を示す。超音波改善されたエマルジョン化学は、多くの場合、乳化重合、例えば、ポリマーブレンド、水媒介接着剤および特殊ポリマーを製造するために適用される。

化学反応器を購入する前に、あなたが知っておくべき10のこと

化学プロセスに化学反応器を選択する場合、化学反応器の最適設計に影響を与える要因は数多くあります。化学プロセスに多相異種の化学反応が含まれ、反応速度が遅い場合、反応攪拌とプロセス活性化は、化学変換の成功と化学反応炉の経済的(運用)コストに不可欠な影響を与えます。
超音波処理は、化学バッチ反応器およびインライン反応容器における液体液体および液体固体化学反応の反応運動を大幅に改善する。したがって、化学反応器内の超音波プローブの統合は、原子炉コストを削減し、全体的な効率と最終製品の品質を向上させることができます。
非常に多くの場合、化学反応器工学は超音波支援プロセス強化に関する知識を欠いている。パワー超音波、超音波攪拌、音響キャビテーションと化学反応器性能への音響化学的影響、化学反応器分析および従来の設計基礎の影響についての深い知識がなければ、劣った結果を生成することができます。以下、あなたは化学反応器の設計と最適化のための超音波の基本的な利点の概要を取得します。

超音波を強化連続撹拌タンク反応器(CSTR)の利点

• • 超音波は、実験室および生産のための反応器を強化しました:
    容易なスケーラビリティ: 超音波プロセッサは、ラボのサイズ、パイロット、大規模な生産のために容易に利用可能です
    再現可能/再現可能 正確に制御可能な超音波パラメータによる結果
    容量と反応速度:超音波強化反応は、より高速であり、それによってより経済的です(低コスト)
  • ソノケミストリーは、一般の目的と特別な目的に適用可能です

– 適応性 & 柔軟性、例えば、柔軟なインストールとセットアップオプションと学際的な使用

• 超音波は爆発環境で使用することができます
  – パージ(例えば、窒素毛布)
  – 開いた表面がない
• 簡易クリーニング: セルフクリーニング (CIP – クリーンインプレイス)
• 建設の好みの材料を選択してください
  – ガラス, ステンレススチール, チタン
  – 回転シールなし
  – シーラントの幅広い選択肢
• 超音波処理器は、温度の広い範囲で使用することができます
• 超音波処理器は、圧力の広い範囲で使用することができます
• 他の技術との相乗効果、例えば電気化学(ソノ電気化学)、触媒(ソノ触媒)、結晶化(ソノ結晶化)など
• 超音波処理は、例えば、発酵、バイオリアクターを強化するために理想的です。
• 溶解/溶解:溶解プロセスにおいて、粒子は一つの相から他方の相へ、例えば固体粒子が液体に溶解するときに通過する。攪拌の程度がプロセスの速度に影響を与えることがわかった。多くの小さな結晶は、従来の攪拌バッチ反応器の1つよりもはるかに速く超音波キャビテーションの下で溶解します。ここでも、速度が異なる理由は、パーティクルサーフェスの異なる質量移動速度にあります。例えば、超音波処理は、例えば、結晶化プロセス(ソノ結晶化)で、過飽和溶液を作成するために正常に適用されます。
• 超音波促進化学抽出:
  – 液体-固体、例えば植物抽出、化学抽出
  – 液体液体:超音波が液体- 液体抽出システムに適用されると、他のフェーズの一方のエマルジョンが作成されます。このエマルジョンの形成は、2つの不混和相間の界面領域の増加をもたらし、その結果、相間の質量移動フラックスが増強される。

超音波処理は、攪拌タンク反応器の化学反応をどのように改善しますか?

• 接触面の面積を大きくする: 異種相中の反応物同士の反応では、界面で衝突する粒子だけが反応できる。インターフェイスが大きいほど、衝突が発生する可能性があります。物質の液体または固体部分が連続相液中に懸濁した小さな液滴または固体粒子に分割されると、この物質の表面積が大きくなる。さらに、サイズ縮小の結果、粒子数が増加するため、これらの粒子間の平均距離は減少する。これにより、分散相への連続相の暴露が改善される。このため、分散相の断片化の程度に伴って反応速度が上昇する。分散液またはエマルションにおける多くの化学反応は、超音波粒子サイズの減少の結果として反応速度の大幅な改善を示す。
• 触媒(活性化エネルギー): 触媒は、多くの化学反応、実験室開発、工業生産において非常に重要です。触媒は固体または液相にあり、1つの反応物またはすべての反応物で混和できないことがよくあります。したがって、多くの場合、触媒は異種化学反応である。硫酸、アンモニア、硝酸、エーテーン、メタノールなどの最も重要な塩基性化学物質の製造において、触媒は重要な役割を果たす。環境技術の広い領域は、触媒プロセスに基づいています。粒子の衝突は、粒子が十分な運動エネルギーと衝突した場合にのみ、化学反応、すなわち原子の再グループ化につながります。超音波は、化学反応器の動態を増加させる非常に効率的な手段です。異種触媒プロセスでは、化学反応器設計への超音波の添加は、触媒の要件を下げることが可能です。これは、より少ない触媒または劣った、より低貴な触媒の使用をもたらすことができます。
• 接触の高い頻度/改善された大量移送: 超音波混合および攪拌は、反応のためのより高い活性表面を提供する微小液滴および粒子(すなわち、サブミクロンおよびナノ粒子)を生成するための非常に効果的な方法である。パワー超音波によって引き起こされるさらなる激しい攪拌および微小運動の下で、粒子間接触の頻度が大幅に増加し、変換速度が大幅に改善される。
• 圧縮プラズマ: 多くの反応では、10ケルビンの反応温度の上昇は、反応速度をおよそ2倍にします。超音波キャビテーションは、化学反応器の全体的な液体体積の実質的な加熱なしに、液体内の5000Kまでの局所的な高反応性ホットスポットを生成します。
• 熱： 化学反応器設計に追加する超音波エネルギーは、最終的に熱エネルギーに変換されます。したがって、化学プロセスにエネルギーを再利用することができます。加熱要素や蒸気による熱エネルギー入力の代わりに、超音波は高周波振動によって機械的エネルギーを活性化するプロセスを導入します。化学反応器では、これは複数のレベルで化学プロセスを活性化超音波キャビテーションを生成します。最後に、化学物質の巨大な超音波剪断は、熱エネルギー、すなわち熱への変換を結果にします。化学反応のための一定のプロセス温度を維持するために冷却のためのジャケットバッチリアクタまたはインラインリアクタを使用することができます。

CSTRにおける化学反応改善のための高性能超音波処理器

ヒールシャー超音波設計、製造し、連続攪拌タンク反応器(CSTR)に統合するための高性能超音波ホモジナイザーと分散剤を製造し、配布します。ヒールシャー超音波処理器は、促進、激化、加速し、化学反応を改善するために世界中で使用されています。
ヒールシャー超音波’ 超音波プロセッサは、フロー化学アプリケーション用の大型産業用プロセッサに小さなラボデバイスから任意のサイズで利用可能です。超音波振幅の正確な調整(最も重要なパラメータである)は、ヒールシャー超音波装置を低い高振幅で動作させ、特定の化学反応システムの必要な超音波処理条件に正確に振幅を微調整することができます。
ヒールシャーの超音波発電機は、自動データプロトコルを備えたスマートソフトウェアを備えています。超音波エネルギー、温度、圧力、時間などの重要な処理パラメータは、デバイスの電源が入るとすぐに自動的に内蔵のSDカードに保存されます。
プロセスのモニタリングとデータ記録は、連続的なプロセス標準化と製品品質にとって重要です。自動記録されたプロセスデータにアクセスすることで、以前の超音波処理の実行を修正し、結果を評価することができます。
もう一つのユーザーフレンドリーな機能は、当社のデジタル超音波システムのブラウザのリモートコントロールです。リモートブラウザコントロールを介して、どこからでもリモートで超音波プロセッサを起動、停止、調整、監視することができます。
当社の高性能超音波ホモジナイザーについての詳細については、今すぐお問い合わせいただくと、連続撹拌タンクリアクター(CSTR)を改善できます!
下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：