超音波で攪拌された連続撹拌タンク反応器

連続攪拌タンク反応器(CSTR)は、触媒作用、エマルジョン化学、重合、合成、抽出、結晶化など、さまざまな化学反応に広く適用されています。遅い反応速度論はCSTRの一般的な問題であり、これはパワー超音波処理の適用によって容易に克服することができます。パワー超音波の激しい混合、攪拌、音響化学的効果により、反応速度が加速し、変換率が大幅に向上します。超音波装置は、任意の容量のCSTRに容易に統合することができます。

なぜ連続的に攪拌されたタンクリアクターにパワー超音波を適用するのですか?

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非常によく似ています。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、材料の供給がリアクターに出入りする連続的な流れで提供されなければならないことです。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によって達成できます。CSTRは、逆流反応器(BMR)と呼ばれることもあります。
CSTR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。CSTRは、単一の反応器として使用することも、異なる濃度の流れや反応ステップに対して一連の構成として設置することもできます。単一タンク原子炉の使用に加えて、さまざまなタンクの連続設置(次々に)またはカスケードセットアップが一般的に使用されます。
なぜ超音波処理? 超音波混合および攪拌、ならびにパワー超音波の音響化学的効果は、化学反応の効率に寄与することがよく知られている。超音波振動とキャビテーションによる混合の改善と粒子サイズの縮小により、動力学が大幅に加速され、変換率が向上します。音響化学的効果は、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より高い収率を与えるために必要なエネルギーを供給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できます。

• 不均一液-液反応
• 不均一固液反応
• 均質な液相反応
• 不均一気液反応
• 不均一気固液反応

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、化学合成を開始および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、超音波で促進された合成反応反応器は、反応時間を数分に最小限に抑えることができ、その結果、合成反応が大幅に加速されます。超音波合成強化は、音響キャビテーションおよび局所的な閉じ込められた過熱を含むそれに関連する力の動作原理に基づいている。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音響化学的効果

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するときに発生します。キャビテーションとは、液相から気相への移行であり、流体の蒸気張力のレベルまで圧力が低下するために発生します。
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の液体ジェットを生成します。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すため、固体や液滴の粒子サイズが小さくなります。かつ – 爆縮するキャビテーションバブルの内部および近接に局在する – 数百気圧のオーダーで非常に高い圧力と数千ケルビンのオーダーの温度が発生します。
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バブルの内部およびその近くで発生する強い力によるもので、数千°Cの温度に容易に到達することができます。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ますが、キャビテーションホットスポット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(高出力超音波による超音波処理によって生成される)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、冷却ジャケット付きのタンクとパルス超音波処理を使用して達成できます。ヒールシャー超音波の洗練された超音波装置は、温度の上限に達したときに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、熱に弱い反応物を使用する場合に特に重要です。

ソノケミストリーが反応速度を改善

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ため、化学反応速度論が影響を受けます。化学システムの動力学は、キャビテーションの気泡の膨張と爆縮と密接に相関しており、それによって気泡運動のダイナミクス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中に到達するピーク温度に影響を与えます。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。
鈴木カップリング反応、沈殿、結晶化およびエマルジョン化学を含む遅い反応速度を有する不均一で均質な反応は、パワー超音波およびその音響化学的効果を通じて開始および促進される運命にある。
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もたらした。Truong et al.(2018)によるこれらの結果は、低周波(ホーンタイプと高出力照射)の使用により、変換率が大幅に向上し、90%を超える収率が得られることを示しています。

超音波強化エマルジョン化学

エマルジョン化学などの不均一反応は、パワー超音波の適用から大きな恩恵を受けます。超音波キャビテーションは、各相の液滴を互いに均一に減少させ、分布させ、サブミクロンまたはナノエマルジョンを作り出した。ナノサイズの液滴は、異なる液滴と相互作用するための表面積を大幅に増加させるため、物質移動と反応速度が大幅に向上します。超音波処理下では、典型的には遅い速度論で知られる反応は、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およびより良い全体的な効率を示す。超音波で改良されたエマルジョン化学は、例えば、ポリマーブレンド、水性接着剤および特殊ポリマーを製造するために、エマルジョン重合のためにしばしば適用される。

化学反応器を購入する前に知っておくべき10のこと

化学プロセス用の化学反応器を選択する場合、最適な化学反応器の設計に影響を与える多くの要因があります。化学プロセスが多相の不均一化学反応を含み、反応速度が遅い場合、反応器の攪拌とプロセスの活性化は、化学変換を成功させ、化学反応器の経済的(運用)コストに影響を与える重要な要素です。
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液および液固化学反応の反応速度を大幅に改善します。したがって、超音波プローブを化学反応器に統合することで、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。
多くの場合、化学反応器工学には、超音波支援プロセス強化に関する知識が不足しています。パワー超音波、超音波攪拌、音響キャビテーション、および化学反応器の性能に対する音響化学的影響の影響についての深い知識がなければ、化学反応器の分析と従来の設計の基礎は劣った結果しか生み出すことができません。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説します。

超音波強化連続攪拌タンクリアクター(CSTR)の利点

• • 実験室および生産のための超音波強化リアクター:
    簡単なスケーラビリティ: 超音波プロセッサは、ラボサイズ、パイロットおよび大規模生産に容易に利用可能です
    再現性/再現性 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:超音波で強化された反応はより速く、したがってより経済的です(低コスト)
  • ソノケミストリーは、一般的な目的だけでなく、特別な目的にも適用できます

– 適応性 & 汎用性、例えば、柔軟な設置およびセットアップオプション、学際的な使用

• 超音波処理は爆発性環境で使用できます
  – パージ(窒素ブランケットなど)
  – オープンサーフェスなし
• 簡単なクリーニング:セルフクリーニング(CIP – 定置洗浄)
• お好みの建設材料を選択してください
  – ガラス製, ステンレススチール製, チタン製
  – ロータリーシールなし
  – シーラントの幅広い選択肢
• 超音波装置は、温度の広い範囲で使用できます
• 超音波装置は、広範囲の圧力で使用できます
• 電気化学(sono-electrochemistry)、触媒(sono-catalysis)、結晶化(sono-crystallization)など、他の技術との相乗効果。
• 超音波処理は、バイオリアクター、例えば発酵を促進するのに理想的です。
• 溶解/溶解:溶解プロセスでは、固体粒子が液体に溶解するときなど、粒子は一方の相から別の相に移行します。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ています。多くの小さな結晶は、従来の攪拌バッチ反応器のものよりも超音波キャビテーションの下ではるかに速く溶解します。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が異なることにあります。例えば、超音波処理は、例えば結晶化プロセス(ソノ結晶化)において、過飽和溶液を作り出すために首尾よく適用される。
• 超音波で促進された化学抽出:
  – 液-固体、例えば植物抽出、化学抽出
  – 液液:超音波を液液抽出システムに適用すると、一方の相が他方の相のエマルジョンが生成されます。このエマルジョンの形成は、2つの非混和性相間の界面面積の増加をもたらし、その結果、相間の物質移動フラックスが増強されます。

超音波処理は攪拌タンク反応器での化学反応をどのように改善しますか?

• より大きな接触表面積: 不均一相の反応物同士の反応では、界面で互いに衝突する粒子だけが反応できます。インターフェイスが大きいほど、より多くの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体に懸濁した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します。さらに、サイズが小さくなった結果、粒子の数が増えるため、これらの粒子間の平均距離が減少します。これにより、連続相の分散相への曝露が改善されます。したがって、反応速度は分散相の断片化の程度とともに増加します。分散液またはエマルジョン中の多くの化学反応は、超音波粒子サイズの縮小の結果として反応速度の劇的な改善を示す。
• 触媒作用(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。多くの場合、触媒は固相または液相にあり、1つの反応物またはすべての反応物と混和しません。したがって、多くの場合、触媒作用は不均一な化学反応です。硫酸、アンモニア、硝酸、エテン、メタノールなどの最も重要な基礎化学品の製造において、触媒は重要な役割を果たします。環境技術の大部分は、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で衝突した場合にのみ、化学反応、つまり原子の再グループ化につながります。超音波処理は、化学反応器内の動力学を増加させるための非常に効率的な手段です。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追加することで、触媒の必要性を下げることができます。これにより、触媒の使用が少なくなったり、希少性の低い劣った触媒が使用されたりする可能性があります。
• 接触頻度の向上/物質移動の改善: 超音波混合および攪拌は、微小な液滴および粒子(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り、これらは反応のためのより高い活性表面を提供する。パワー超音波によって引き起こされる追加の激しい攪拌と微小な動きの下で、粒子間接触の周波数は大幅に増加し、変換率が大幅に向上します。
• 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、反応速度が約2倍になります。超音波キャビテーションは、化学反応器内の全液体量の実質的な加熱なしに、液体内に最大5000Kの局所的な高反応性ホットスポットを生成する。
• 熱： 化学反応器の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、エネルギーを化学プロセスに再利用できます。発熱体または蒸気によって入力される熱エネルギーの代わりに、超音波処理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、これにより超音波キャビテーションが生成され、化学プロセスが複数のレベルで活性化されます。最後に、化学物質の巨大な超音波せん断は、熱エネルギー、すなわち熱への変換をもたらします。化学反応のプロセス温度を一定に保つために、冷却にジャケット付きバッチリアクターまたはインラインリアクターを使用できます。

CSTRにおける化学反応を改善するための高性能超音波装置

ヒールシャー超音波は、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および分散器を設計、製造および配布しています。ヒールシャー超音波装置は、化学反応を促進し、強化し、加速し、改善するために世界中で使用されています。
Hielscher Ultrasonics’ 超音波プロセッサは、小型のラボデバイスからフローケミストリーアプリケーション用の大型産業用プロセッサまで、あらゆるサイズで利用できます。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から非常に高い振幅で操作し、特定の化学反応システムの必要な超音波プロセス条件に振幅を正確に微調整することを可能にします。
ヒールシャーの超音波発生器は、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、時間などのすべての重要な処理パラメータは、デバイスの電源がオンになるとすぐに内蔵SDカードに自動的に保存されます。
プロセス監視とデータ記録は、継続的なプロセスの標準化と製品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、以前の超音波処理実行を修正し、結果を評価できます。
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コンです。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開始、停止、調整、監視できます。
当社の高性能超音波ホモジナイザーの詳細については、今すぐお問い合わせください 連続攪拌タンクリアクター(CSTR)を改善できます!
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。