超音波で攪拌する連続攪拌タンク型リアクター

連続攪拌タンク反応器（CSTR）は、触媒反応、乳化化学、重合、合成、抽出、晶析を含む様々な化学反応に広く応用されている。反応速度が遅いことはCSTRにおける一般的な問題であるが、これはパワー超音波処理を適用することで容易に克服できる。パワー超音波の強力な混合、攪拌、ソノケミカル効果により、反応速度が加速され、転化率が大幅に向上します。超音波装置はどんな容積のCSTRにも簡単に組み込むことができます。

なぜ連続式攪拌槽リアクターにパワー超音波を適用するのか？

連続攪拌タンクリアクター（CSTR、または単に攪拌タンクリアクター（STR））は、その主要な特性においてバッチリアクターとよく似ている。主な重要な違いは、連続攪拌タンクリアクター（CSTR）のセットアップでは、材料の供給はリアクターに連続的に流入・流出しなければならないことである。反応器への供給は、重力流またはポンプを使用した強制循環流で行うことができる。CSTRはバックミックスフローリアクター（BMR）と呼ばれることもある。
CSTRは、2種類以上の液体の撹拌が必要な場合に一般的に使用される。CSTRは、単一のリアクターとして使用することもできるし、異なる濃度ストリームや反応ステップのために一連の構成として設置することもできる。単一タンクリアクターの使用以外に、様々なタンクの直列設置（1つずつ）またはカスケードセットアップが一般的に使用される。
なぜ超音波治療なのか？ 超音波混合・攪拌およびパワー超音波の超音波化学的効果は、化学反応の効率化に寄与することがよく知られている。超音波振動とキャビテーションによる混合と粒子径の縮小の改善により、反応速度が著しく加速され、変換速度が向上する。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、より完全な反応により高い収率を得るために必要なエネルギーを供給することができる。

超音波強化CSTRは、以下のような用途に使用できる：

• 不均一液-液反応
• 不均一固液反応
• 均一液相反応
• 不均一気液反応
• 不均一気相-固相-液相反応

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、化学合成の開始と強化に用いられる新しい反応技術である。還流下で数時間から数日を必要とする従来の反応経路に比べ、超音波で促進される合成リアクターは反応時間を数分に短縮することができ、合成反応を大幅に促進することができる。超音波合成の強化は、音響キャビテーションの作動原理と、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、ソノケミストリーについては、次のセクションで詳しく説明します。

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、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気相への相転移であり、流体の蒸気張力のレベルまで圧力が低下することで発生します。
超音波キャビテーションは、最大1000m/sの非常に高いせん断力と液体ジェットを発生させます。これらの液体ジェットは粒子を加速させ、粒子間の衝突を引き起こし、それによって固体や液滴の粒径を小さくします。さらに – 崩壊するキャビテーション気泡の近傍に局在する。 – 数百気圧のオーダーの超高圧と数千ケルビンのオーダーの温度が発生する。
超音波処理は純粋に機械的な処理方法であるが、局所的に閉じ込められた極端な温度上昇をもたらすことがある。これは、崩壊するキャビテーション気泡内およびその近傍で発生する強い力によるもので、容易に数千℃の温度に達する。バルク溶液中では、1つの気泡の崩壊による温度上昇はほとんど無視できますが、（高出力超音波による超音波処理によって発生する）キャビテーションホットスポットで観察されるような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ります。超音波処理とソノケミストリーの利点は、処理中の温度効果を制御できることにある：バルク溶液の温度制御は、パルス超音波処理だけでなく、冷却ジャケット付きタンクを使用することでも達成できます。Hielscher Ultrasonicsの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の下限値に達するとすぐに超音波処理を継続することができます。これは、熱に敏感な反応物を使用する場合に特に重要です。

反応速度を向上させるソノケミストリー

超音波処理では激しい振動とキャビテーションが発生するため、化学反応速度論が影響を受ける。化学系の動力学は、キャビテーション気泡の膨張と爆縮と密接に相関しており、気泡運動の力学に大きな影響を与えます。化学反応溶液中の溶存ガスは、熱効果と化学効果の両方を介して超音波化学反応の特性に影響を与えます。熱的効果は、キャビテーション空隙内での気泡崩壊時に到達するピーク温度に影響を与え、化学的効果は、反応に直接関与する気体の影響を修正する。
鈴木カップリング反応、沈殿、結晶化、乳化化学など、反応速度が遅い不均一反応や均一反応は、パワー超音波とその超音波化学的効果によって開始・促進される運命にある。
例えば、フェルラ酸の合成では、180Wの出力で低周波（20kHz）の超音波照射を行うと、60℃で3時間で94％のフェルラ酸収率が得られた。 Truongら（2018）によるこれらの結果は、低周波（ホーン型および高出力照射）の使用によって変換率が大幅に改善され、90％以上の収率が得られたことを示している。

超音波エマルジョン化学

エマルションケミストリーのような不均一な反応は、パワー超音波の適用から大きな恩恵を受ける。超音波キャビテーションは、各相の液滴を互いに均質に分散させ、サブミクロンまたはナノエマルジョンを形成する。ナノサイズの液滴は、異なる液滴と相互作用する表面積が大幅に増加するため、物質移動と反応速度が大幅に改善される。超音波処理では、一般的に遅い反応速度で知られる反応が、劇的に改善された転化率、高い収率、より少ない副生成物や廃棄物、より優れた全体的な効率を示します。超音波によって改善されたエマルション化学は、ポリマーブレンド、水性接着剤、特殊ポリマーなどの製造に、エマルション重合にしばしば応用される。

化学反応炉を購入する前に知っておくべき10のこと

化学プロセスに化学反応器を選択する場合、最適な化学反応器設計に影響を与える多くの要因があります。お客様の化学プロセスが多相、不均一な化学反応を含み、反応速度が遅い場合、反応器の撹拌とプロセスの活性化は、化学転換の成功と化学反応器の経済的（運転）コストに不可欠な影響因子です。
超音波は、化学バッチ反応器やインライン反応器における液-液、液-固の化学反応の反応速度を著しく改善します。したがって、化学反応器に超音波プローブを組み込むことで、反応器のコストを削減し、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。
化学反応器工学では、超音波によるプロセス向上に関する知識が不足していることが非常に多い。パワー超音波、超音波攪拌、音響キャビテーション、ソノケミカル効果が化学反応器の性能に及ぼす影響に関する深い知識がなければ、化学反応器の分析や従来の設計の基礎は、劣った結果しか得られません。以下では、化学反応器の設計と最適化における超音波の基本的な利点について概観します。

超音波連続攪拌槽反応器（CSTR）の利点

• • ラボ用および生産用の超音波強化リアクター：
    簡単な拡張性： 超音波プロセッサーは、ラボサイズ、パイロット生産、大規模生産に対応しています。
    再現可能／繰り返し可能 正確に制御可能な超音波パラメータによる結果
    能力と反応速度超音波で強化された反応は、より速く、より経済的である。
  • ソノケミストリーは、一般的な目的だけでなく特殊な目的にも適用できる。

– 適応性 & 柔軟な設置・設定オプションや学際的な使用など、多用途性

• 爆発性の環境でも超音波処理を使用できる
  – パージ（窒素ブランケットなど）
  – オープン面なし
• 簡単な洗浄：セルフクリーニング（CIP – クリーンインプレイス）
• お好みの構造材をお選びください
  – ガラス, ステンレス, チタン
  – 回転シールなし
  – 豊富なシーラント
• 超音波振動子は幅広い温度範囲で使用できる
• 超音波装置は幅広い圧力で使用できる
• 電気化学（ソノ電気化学）、触媒作用（ソノ触媒）、結晶化（ソノ結晶化）など、他の技術との相乗効果。
• ソニケーションは、発酵などのバイオリアクターを強化するのに理想的である。
• 溶解／分解：例えば、固体粒子が液体に溶解する場合などである。攪拌の程度がプロセスの速度に影響することが分かっている。多くの小さな結晶は、超音波キャビテーション下では、従来の攪拌バッチ反応器よりもはるかに速く溶解する。ここでも速度が異なる理由は、粒子表面での物質移動速度の違いにある。例えば、超音波キャビテーションは、晶析プロセス（超音波晶析）などにおいて、過飽和溶液の生成にうまく応用されている。
• 超音波による化学抽出：
  – 液体-固体、例：植物抽出、化学抽出
  – 液体-液体：液-液抽出システムに超音波を適用すると、一方の相と他方の相のエマルジョンが形成される。このエマルション形成により、2つの非混和相間の界面面積が増加し、相間の物質移動フラックスが向上する。

ソニケーションは攪拌槽反応器における化学反応をどのように改善するか？

• より大きな接触面積： 不均一相の反応物間の反応では、界面で互いに衝突する粒子だけが反応できる。界面が大きければ大きいほど、より多くの衝突が起こりうる。物質の液体または固体部分が、連続相液体中に懸濁したより小さな液滴または固体粒子に分解されると、この物質の表面積が増加する。さらに、サイズが小さくなる結果、粒子の数が増え、したがってこれらの粒子間の平均距離が短くなる。これにより、連続相と分散相との接触が改善される。したがって、反応速度は分散相の断片化の程度に応じて増加する。分散液やエマルション中の多くの化学反応は、超音波による粒子径減少の結果、反応速度の劇的な向上を示している。
• 触媒作用（活性化エネルギー）： 触媒は多くの化学反応において、研究開発においても工業生産においても非常に重要である。多くの場合、触媒は固相または液相にあり、1つの反応物質またはすべての反応物質と混和しない。従って、触媒反応は多くの場合、不均一系化学反応である。硫酸、アンモニア、硝酸、エテン、メタノールなど、最も重要な基礎化学物質の生産において、触媒は重要な役割を果たしている。環境技術の大部分は、触媒プロセスに基づいている。粒子の衝突が化学反応、すなわち原子の再結合を引き起こすのは、粒子が十分な運動エネルギーをもって衝突した場合に限られる。超音波処理は、化学反応器の反応速度を向上させる非常に効率的な手段である。不均一系触媒プロセスでは、化学反応器の設計に超音波を加えることで、触媒の必要量を減らすことができる。その結果、使用する触媒の量を減らしたり、粗悪で高貴でない触媒を使用したりすることができる。
• 接触頻度が高く、物質移動が改善される： 超音波混合撹拌は、微小な液滴や粒子（サブミクロンやナノ粒子）を生成するのに非常に有効な方法であり、反応により高い活性表面を提供する。パワー超音波による激しい攪拌と微小運動が加わると、粒子間の接触頻度が飛躍的に高まり、変換率が著しく向上する。
• 圧縮プラズマ： 多くの反応では、反応器の温度が10ケルビン上昇すると、反応速度はおよそ2倍になる。超音波キャビテーションは、化学反応器全体の液量を大幅に加熱することなく、液中に最大5000Kの局所的な高反応性ホットスポットを生成する。
• 熱エネルギー： 化学反応器の設計に加え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る。したがって、そのエネルギーを化学プロセスに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投入の代わりに、超音波処理で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、これによって超音波キャビテーションが発生し、化学プロセスが複数のレベルで活性化される。最後に、超音波による化学物質の剪断が熱エネルギー、すなわち熱に変換されます。化学反応のプロセス温度を一定に保つために、ジャケット付きバッチリアクターやインラインリアクターを冷却に使用することができます。

CSTRにおける化学反応を改善する高性能超音波発生装置

Hielscher Ultrasonics社は、連続攪拌タンク反応器（CSTR）に組み込むための高性能超音波ホモジナイザーと分散器を設計、製造、販売しています。Hielscher社の超音波装置は、化学反応を促進、強化、加速、改善するために世界中で使用されています。
Hielscher Ultrasonics’ 超音波プロセッサーは、小型の実験用機器からフローケミストリー用の大型工業用プロセッサーまで、あらゆるサイズに対応しています。最も重要なパラメーターである超音波振幅を正確に調整することで、低振幅から超高振幅まで、また特定の化学反応システムに要求される超音波プロセス条件に合わせて振幅を正確に微調整することができます。
Hielscher社の超音波発生装置は、自動データプロトコール機能を備えたスマートソフトウェアを搭載しています。超音波エネルギー、温度、圧力、時間のようなすべての重要な処理パラメータは、デバイスの電源を入れるとすぐに内蔵のSDカードに自動的に保存されます。
プロセスのモニタリングとデータ記録は、継続的なプロセスの標準化と製品の品質にとって重要です。自動的に記録されたプロセスデータにアクセスすることで、前回の超音波処理を修正し、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リモートコントロールです。ブラウザーの遠隔操作により、どこからでも超音波プロセッサーの起動、停止、調整、モニターができます。
高性能超音波ホモジナイザーによる連続攪拌タンクリアクター（CSTR）の改善について、今すぐお問い合わせください！
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：