Kontinuéierlech Stirred-Tank Reaktoren mat Ultraschall agitéiert

Kontinuéierlech geréiert Tankreaktoren (CSTR) gi wäit fir verschidde chemesch Reaktiounen applizéiert, dorënner Katalyse, Emulsiounschemie, Polymeriséierung, Synthese, Extraktioun a Kristalliséierung. Lues Reaktiounskinetik ass e gemeinsame Problem am CSTR, deen einfach duerch d'Applikatioun vu Power-Ultrasonikatioun iwwerwonne ka ginn. Déi intensiv Mëschung, Agitatioun an déi sonochemesch Effekter vum Power-Ultraschall beschleunegen d'Reaktiounskinetik a verbesseren d'Konversiounsquote wesentlech. Ultrasonicators kënnen einfach an CSTRs vun all Volumen integréiert ginn.

Firwat Power-Ultraschall op e kontinuéierlech gerührten Tankreaktor uwenden?

E Continuously Stirred Tank Reactor (CSTR, oder einfach stirred Tank Reactor (STR)) ass a sengen Haaptcharakteristiken zimlech ähnlech wéi de Batchreaktor. De wesentleche wichtegen Ënnerscheed ass datt fir de kontinuéierleche gerührten Tankreaktor (CSTR) Setup d'Materialfudder muss an engem kontinuéierleche Floss an an aus dem Reaktor geliwwert ginn. D'Fütterung vum Reaktor kann duerch Schwéierkraaftfluss oder Zwangszirkulatiounsfloss mat enger Pompel erreecht ginn. De CSTR gëtt heiansdo e Back-mixed Flow Reactor (BMR) genannt.
CSTRs ginn allgemeng benotzt wann Agitatioun vun zwou oder méi Flëssegkeete erfuerderlech ass. CSTRs kënnen als eenzege Reakter benotzt ginn oder als Serie vu Konfiguratiounen fir verschidde Konzentratiounsstroum a Reaktiounsschrëtt installéiert ginn. Nieft der Notzung vun engem eenzegen Tankreaktor, ginn d'Serieninstallatioun vu verschiddene Panzer (een nom aneren) oder d'Kaskadesetup allgemeng benotzt.
Firwat Ultraschall? Ultrasonic Mëschung an Agitatioun wéi och déi sonochemesch Effekter vum Power Ultraschall si bekannt fir d'Effizienz vu chemesche Reaktiounen bäizedroen. Déi verbessert Mëschung a Partikelgréisstreduktioun wéinst Ultraschallvibrationen a Kavitatioun bitt eng wesentlech beschleunegt Kinetik a verstäerkte Konversiounsquote. Sonochemesch Effekter kënnen déi néideg Energie liwweren fir chemesch Reaktiounen ze initiéieren, chemesch Weeër ze wiesselen, a méi héich Ausbezuelen ze ginn wéinst enger méi kompletter Reaktioun.

Ultraschall-verstäerkt CSTR ka fir Uwendungen benotzt ginn wéi:

• Heterogen Flëssegkeet-Flësseg Reaktiounen
• Heterogen Feststoff-Flësseg Reaktiounen
• Homogen Flëssegkeetsphase Reaktiounen
• Heterogen Gas-Flësseg Reaktiounen
• Heterogen Gas-Faststoff-Flësseg Reaktiounen

Ultrasonication als High-Speed Synthetic Chemical System

Héichgeschwindeg synthetesch Chimie ass eng nei Reaktiounstechnik déi benotzt gëtt fir d'chemesch Synthese ze initiéieren an ze verstäerken. Am Verglach mat traditionelle Reaktiounsweeër, déi e puer Stonnen oder Deeg ënner Reflux brauchen, kënnen ultraschall geförderte Synthesereaktoren d'Reaktiounsdauer op e puer Minutten minimiséieren, wat zu enger bedeitend beschleunegt Synthesereaktioun resultéiert. D'Ultraschallsynthese-Intensivéierung baséiert op dem Aarbechtsprinzip vun der akustescher Kavitatioun a seng verwandte Kräften, dorënner lokal begrenzte Iwwerhëtzung. Léiert méi iwwer Ultraschall, akustesch Kavitatioun a Sonochemie an der nächster Rubrik.

Ultraschall Kavitatioun a seng sonochemesch Effekter

Ultraschall (oder akustesch) Kavitatioun geschitt wann Kraaft-Ultraschall a Flëssegkeeten oder Schlëmmer gekoppelt ass. Kavitatioun ass den Iwwergang vun enger flësseger Phase an eng Dampphase, déi geschitt wéinst engem Drockfall erof op den Niveau vun der Dampspannung vun der Flëssegkeet.
Ultraschall Kavitatioun erstellt ganz héich Schéierkraaft a Flëssegjets mat bis zu 1000m? s. Dës Flëssegjets beschleunegen Partikel a verursaachen Inter-Partikelkollisiounen, wouduerch d'Partikelgréisst vu Feststoffer an Drëpsen reduzéiert ginn. Zousätzlech – lokaliséiert bannent an an der Noperschaft vun der implodéierender Kavitatiounsblase – extrem héich Drock an der Uerdnung vun honnerte vun Atmosphär an Temperaturen op der Uerdnung vun dausende vu Kelvin Grad entsteet.
Although ultrasonication is a purely mechanical processing method, it can produce a locally confined extreme temperature rise. This is due to the intense forces generated within and in close proximity to the collapsing cavitation bubbles, where easily temperatures of several thousands of degrees Celsius can be reached. In the bulk solution, the temperature increase resulting from a single bubble implosion is almost negligible, but the heat dissipation from numerous cavitation bubbles as observed in cavitation hot-spots (as generated by sonication with high-power ultrasound) can finally cause a measurable temperature increases in the bulk temperature. The advantage of ultrasonication and sonochemistry lies in the controllable temperature effects during processing: Temperature control of the bulk solution can be achieved by using tanks with cooling jackets as well as pulsed sonication. Hielscher Ultrasonics’ sophisticated ultrasonicators can pause the the ultrasound when an upper temperature limit is reached and continue with the ultrasonication as soon as the lower value of a set ∆T is reached. This is especially important when heat-sensitive reactants are used.

Sonochemistry verbessert d'Reaktiounskinetik

Zënter Sonication generéiert intensiv Schwéngungen a Kavitatioun, gëtt d'chemesch Kinetik beaflosst. D'Kinetik vun engem chemesche System korreléiert enk mat der Kavitatiounsblasen Expansioun an der Implosioun, wouduerch d'Dynamik vun der Bubblebewegung wesentlech beaflosst. Opgeléist Gase an der chemescher Reaktiounsléisung beaflossen d'Charakteristike vun enger sonochemescher Reaktioun iwwer béid, thermesch Effekter a chemesch Effekter. Déi thermesch Effekter beaflossen d'Spëtztemperaturen, déi während der Bubble-Zesummebroch am Kavitatiounsvoid erreecht ginn; déi chemesch Effekter ännert d'Auswierkunge vu Gasen, déi direkt an enger Reaktioun involvéiert sinn.
Heterogen an homogen Reaktiounen mat luesen Reaktiounskinetik inklusiv Suzuki Kopplingsreaktiounen, Nidderschlag, Kristalliséierung an Emulsiounschemie si virbestëmmt fir initiéiert a gefördert ze ginn duerch Power-Ultraschall a seng sonochemesch Effekter.
Zum Beispill, fir d'Synthese vu Ferulinsäure, Low-Frequenz (20kHz) Sonikatioun mat enger Kraaft vun 180 W huet eng 94% Ferulinsäure Ausbezuele bei 60 ° C an 3 h ginn. Dës Resultater vum Truong et al. (2018) weisen datt d'Benotzung vun enger niddereger Frequenz (Horntyp a High-Power Bestrahlung) d'Konversiounsquote wesentlech verbessert huet Rendementer méi wéi 90% ze ginn.

Ultraschall verstäerkt Emulsiounschemie

Heterogen Reaktiounen wéi Emulsiounschemie profitéiere wesentlech vun der Uwendung vum Kraaft Ultraschall. Ultraschall Kavitatioun reduzéiert a verdeelt d'Drëpsen vun all Phase homogen aneneen an eng Sub-Mikron oder Nano-Emulsioun. Zënter datt d'Nano-Gréisst Drëpsen eng drastesch erhéicht Uewerfläch ubidden fir mat verschiddene Drëpsen ze interagéieren, ginn d'Masstransfer an d'Reaktiounsquote wesentlech verbessert. Ënner Sonication, Reaktiounen bekannt fir hir typesch lues Kinetik weisen dramatesch verbessert Konversiounsraten, méi héich Ausbezuelen, manner Nebenprodukter oder Offall a besser Gesamteffizienz. Ultraschall verbessert Emulsiounschemie gëtt dacks fir Emulsiounspolymeriséierung applizéiert, zB fir Polymermëschungen, Waassergedroen Klebstoff a Spezialpolymere ze produzéieren.

10 Saachen Dir Sollt Wësse, Ier Dir e chemesche Reaktor kaaft

Wann Dir e chemesche Reaktor fir e chemesche Prozess wielt, ginn et vill Faktoren déi den optimalen chemesche Reaktordesign beaflossen. Wann Äre chemesche Prozess Multi-Phas involvéiert, heterogen chemesch Reaktiounen an huet eng lues Reaktiounskinetik, Reakteragitatioun a Prozessaktivéierung si wesentlech Aflossfaktoren fir erfollegräich chemesch Konversioun a fir wirtschaftlech (operationell) Käschten vum chemesche Reaktor.
Ultrasonication verbessert d'Reaktiounskinetik vu flëssege-flëssege a flëssege festen chemesche Reaktiounen a chemesche Batchreaktoren an Inline-Reaktiounsfäegkeeten wesentlech. Dofir kann d'Integratioun vun Ultraschallsonden an engem chemesche Reaktor d'Reaktorkäschte reduzéieren an d'Gesamteffizienz an d'Qualitéit vum Endprodukt verbesseren.
Ganz dacks feelt chemesch Reaktortechnik d'Wëssen iwwer ultraschall-assistéiert Prozessverbesserung. Ouni déifgräifend Wëssen iwwer den Afloss vum Kraaft-Ultraschall, Ultraschall-Agitatioun, akustesch Kavitatioun a sonochemesch Effekter op d'chemesch Reaktorleistung, d'chemesch Reaktoranalyse a konventionell Designfundamenter kënnen nëmme schlecht Resultater produzéieren. Drënner kritt Dir en Iwwerbléck iwwer d'fundamental Virdeeler vun Ultraschall fir chemesch Reaktordesign an Optimiséierung.

D'Virdeeler vum Ultraschall verstäerkten kontinuéierleche Stirred Tank Reactor (CSTR)

• • Ultraschall verstäerkte Reaktoren fir Labo a Produktioun:
    Einfach Skalierbarkeet: Ultrasonic Prozessoren si liicht verfügbar fir Labo Gréisst, Pilot a grouss Produktioun
    Reproduzéierbar? widderhuelend Resultater wéinst präzis kontrolléierbar Ultraschallparameter
    Kapazitéit a Reaktiounsgeschwindegkeet: Ultraschall verstäerkt Reaktiounen si méi séier an doduerch méi ekonomesch (méi niddereg Käschten)
  • Sonochemistry ass applicabel fir allgemeng wéi och speziell Zwecker

– Adaptabilitéit & Villsäitegkeet, zB flexibel Installatiouns- a Setupoptiounen an interdisziplinär Notzung

• Ultrasonication kann an explosive Ëmfeld benotzt ginn
  – Spülen (zB Stickstoffdecken)
  – keng oppen Uewerfläch
• Einfach Botzen: Selbstreinigung (CIP – propper op der Plaz)
• Wielt Är gewënschte Baumaterial
  – Glas, Edelstol, Titan
  – keng Rotary Seals
  – breet Auswiel u Dichtungsmëttel
• Ultrasonicators kënnen an enger breeder Palette vun Temperaturen benotzt ginn
• Ultrasonicators kënnen op eng breet Palette vun Drock benotzt ginn
• Synergistesch Effekt mat aneren Technologien, zB Elektrochemie (Sono-Elektrochemie), Katalyse (Sono-Katalyse), Kristalliséierung (Sono-Kristalliséierung) etc.
• Sonication ass ideal fir Bioreaktoren ze verbesseren, zB Fermentatioun.
• Opléisung? Opléisung: Bei Opléisungsprozesser passéiere Partikele vun enger Phase op déi aner, zB wann feste Partikelen an enger Flëssegkeet opléisen. Et gëtt festgestallt datt de Grad vun der Agitatioun d'Geschwindegkeet vum Prozess beaflosst. Vill kleng Kristalle léisen sech vill méi séier ënner Ultraschallkavitatioun op wéi een a konventionell gerührten Batchreaktoren. Och hei läit de Grond fir ënnerschiddlech Geschwindegkeeten an de verschiddene Massenübertragungsraten op Partikelflächen. Zum Beispill gëtt d'Ultraschall erfollegräich applizéiert fir iwwersaturéiert Léisungen ze kreéieren, zB a Kristalliséierungsprozesser (Sono-Kristalliséierung).
• Ultraschall gefördert chemesch Extraktioun:
  – Flësseg-Solid, zB botanesch Extraktioun, chemesch Extraktioun
  – Liquid-Liquid: Wann Ultraschall op e Flësseg-Flësseg Extraktiounssystem applizéiert gëtt, gëtt eng Emulsioun vun enger vun de Phasen an der anerer erstallt. Dës Emulsiounsbildung féiert zu verstäerkten Interfaceberäicher tëscht den zwou onmëschbare Phasen, wat zu engem verstäerkte Massentransferflux tëscht de Phasen resultéiert.

Wéi verbessert d'Sonication chemesch Reaktiounen a gerührte Tankreaktoren?

• Méi grouss Kontaktfläche: Bei Reaktiounen tëscht Reaktanten an heterogene Phasen kënnen nëmmen d'Partikelen, déi matenee an der Interface kollidéieren, reagéieren. Wat d'Interface méi grouss ass, wat méi Kollisiounen kënnen optrieden. Wéi e flëssege oder festen Deel vun enger Substanz a méi kleng Drëpsen oder zolidd Partikel suspendéiert an enger kontinuéierlecher Phase Flëssegkeet gebrach ass, erhéicht d'Uewerfläch vun dëser Substanz. Ausserdeem, als Resultat vun der Gréisst Reduktioun, geet d'Zuel vun de Partikelen erop an dofir geet d'Duerchschnëttsdistanz tëscht dëse Partikelen erof. Dëst verbessert d'Belaaschtung vun der kontinuéierlecher Phase zu der verspreeter Phase. Dofir erhéicht d'Reaktiounsquote mam Grad vun der Fragmentatioun vun der disperser Phase. Vill chemesch Reaktiounen an Dispersiounen oder Emulsiounen weisen drastesch Verbesserunge vun der Reaktiounsgeschwindegkeet als Resultat vun der Ultraschallpartikelgréisstreduktioun.
• Katalyse (Aktivatiounsenergie): Katalysatoren si vu grousser Wichtegkeet a ville chemesche Reaktiounen, an der Laboentwécklung an an der industrieller Produktioun. Dacks sinn Katalysatoren a fester oder flësseger Phase an onmëschbar mat engem Reaktant oder all Reaktanten. Dofir, méi dacks wéi net, ass d'Katalyse eng heterogen chemesch Reaktioun. Bei der Produktioun vun de wichtegste Basischemikalien wéi Schwefelsäure, Ammoniak, Salpetersäure, Ethen a Methanol spillen Katalysatoren eng wichteg Roll. Grouss Beräicher vun der Ëmwelttechnologie baséieren op katalytesche Prozesser. Eng Kollisioun vu Partikelen féiert zu enger chemescher Reaktioun, also eng Regruppéierung vun Atomer, nëmmen wann d'Partikel mat genuch kinetescher Energie kollidéieren. Ultrasonication ass en héich effiziente Mëttel fir d'Kinetik a chemesche Reaktoren ze erhéijen. An engem heterogenen Katalyseprozess kann d'Zousatz vun Ultraschall zu engem chemesche Reaktordesign d'Ufuerderung fir e Katalysator erofsetzen. Dëst kann zu der Notzung vu manner Katalysator oder mannerwäerteg, manner nobel Katalysatoren resultéieren.
• Méi héich Frequenz vum Kontakt? Verbesserte Massentransfer: Ultrasonic Mëschung an Agitatioun ass eng héich efficace Method fir Minutte Tropfen a Partikelen (dh Sub-Mikron an Nano-Partikelen) ze generéieren, déi eng méi héich aktiv Uewerfläch fir Reaktiounen ubidden. Ënnert der zousätzlech intensiver Agitatioun a Mikrobewegung, déi duerch Power-Ultraschall verursaacht gëtt, gëtt d'Frequenz vum Inter-Partikelkontakt drastesch erhéicht, wat zu engem wesentlech verbesserte Konversiounsquote resultéiert.
• Kompriméiert Plasma: Fir vill Reaktiounen verursaacht eng 10 Kelvin Erhéijung vun der Reaktertemperatur d'Reaktiounsquote ongeféier duebel. Ultraschall Kavitatioun produzéiert lokaliséiert héich reaktiv Hotspots vu bis zu 5000K bannent der Flëssegkeet, ouni substantiell Heizung vum Gesamtflëssegkeetsvolumen am chemesche Reaktor.
• Thermesch Energie: All Ultraschallenergie, déi Dir zu engem chemesche Reaktordesign bäidréit, gëtt endlech an thermesch Energie ëmgewandelt. Dofir kënnt Dir d'Energie fir de chemesche Prozess nei benotzen. Amplaz vun enger thermescher Energieinput duerch Heizelementer oder Damp, féiert d'Ultraschall e Prozess vir, deen mechanesch Energie duerch héichfrequenz Schwéngungen aktivéiert. Am chemesche Reaktor produzéiert dëst Ultraschallkavitatioun, déi de chemesche Prozess op verschidde Niveauen aktivéiert huet. Endlech resultéiert déi immens Ultraschallschéier vun de Chemikalien d'Konversioun an d'thermesch Energie, dh Hëtzt. Dir kënnt jacketed Batch Reaktoren oder Inline Reaktoren fir Ofkillung benotzen fir eng konstant Prozesstemperatur fir Är chemesch Reaktioun ze halen.

High-Performance Ultrasonicators fir verbessert chemesch Reaktiounen am CSTR

Hielscher Ultrasonics designt, fabrizéiert a verdeelt High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren an Disperser fir d'Integratioun an kontinuéierlech gerührte Tankreaktoren (CSTR). Hielscher Ultraschaller gi weltwäit benotzt fir chemesch Reaktiounen ze förderen, ze verstäerken, ze beschleunegen an ze verbesseren.
Hielscher Ultrasonics’ Ultraschallprozessoren sinn an all Gréisst verfügbar vu klenge Labo-Geräter bis grouss industrielle Prozessoren fir Flowchemieapplikatiounen. Genau Upassung vun der Ultraschallamplitude (wat de wichtegste Parameter ass) erlaabt Hielscher Ultrasonicatoren op niddereg bis ganz héich Amplituden ze bedreiwen an d'Amplitude genau un déi erfuerderlech Ultraschallprozessbedingunge vum spezifesche chemesche Reaktiounssystem ze feinstëmmen.
Hielscher’s ultrasonic generator feature a smart software with automatic data protocolling. All important processing parameters such as ultrasonic energy, temperature, pressure and time are automatically stored onto a built-in SD-card as soon as the device is switched on.
Prozess Iwwerwaachung an Dateopnam si wichteg fir kontinuéierlech Prozessstandardiséierung a Produktqualitéit. Andeems Dir op déi automatesch opgeholl Prozessdaten zougitt, kënnt Dir virdrun Sonikatiounslafe iwwerschaffen an d'Resultat evaluéieren.
Eng aner userfrëndlech Feature ass d'Browser Fernsteierung vun eisen digitalen Ultraschallsystemer. Via Fernbrowser Kontroll kënnt Dir Ären Ultraschallprozessor vu wäitem iwwerall starten, stoppen, upassen an iwwerwaachen.
Kontaktéiert eis elo fir méi iwwer eis High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren ze léieren kënnen Äre kontinuéierlech gerührten Tankreaktor (CSTR) verbesseren!
D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller: