Kontinuéierlech bedriwwe Réierbehälterreaktoren, déi mat Ultraschall geréiert ginn

Kontinuéierlech bedriwwe Réierbehälterreaktoren (CSTR) gi fir verschidde cheemesch Reaktioune breet agesat, dorënner Katalys, Emulsiounscheemie, Polymerisatioun, Synthes, Extraktioun a Kristalliséierung. Eng lues Reaktiounskinetik ass en heefege Problem bei CSTR, dee sech duerch den Asaz vu Leeschtungsultraschall liicht iwwerwanne léisst. Dat intensivt Mëschen a Réieren souwéi déi sonocheemesch Effekter vum Leeschtungsultraschall beschleunegen d’Reaktiounskinetik a verbesseren d’Ëmsetzungsquote däitlech. Ultraschallapparater loosse sech einfach a CSTR mat all beliebegem Volumen integréieren.

Firwat Leeschtungsultraschall an engem kontinuéierlech bedriwwene Réierbehälterreaktor asetzen?

E kontinuéierlech bedriwwene Réierbehälterreaktor (CSTR, oder einfach Réierbehälterreaktor (STR)) ass a sengen Haapteegenschafte relativ änlech wéi e Chargereaktor. De wesentlechen Ënnerscheed ass, datt beim Opbau vun engem kontinuéierlech bedriwwene Réierbehälterreaktor (CSTR) d’Material kontinuéierlech an de Reakter eragefouert an aus him erausgefouert muss ginn. D’Zouféierung an de Reakter kann duerch d’Schwéierkraaft oder duerch eng mat enger Pompel erzwongen Ëmwälzstréimung erfollegen. De CSTR gëtt heiansdo als réckvermëschten Duerchflossreaktor (BMR) bezeechent.
CSTR gi meeschtens agesat, wann zwou oder méi Flëssegkeete geréiert musse ginn. CSTR kënnen als eenzel Reaktere benotzt oder a verschiddene Konfiguratiounen a Serie fir Stréim mat ënnerschiddleche Konzentratiounen a fir verschidde Reaktiounsschrëtt installéiert ginn. Nieft dem Asaz vun engem eenzele Behälterreaktor sinn och d’Serieninstallatioun vu verschiddene Behälter (een nom aneren) oder e Kaskadenopbau üblech.
Firwat Ultraschallbehandlung? Et ass gutt bekannt, datt d’Mëschen an d’Réiere mat Ultraschall souwéi déi sonocheemesch Effekter vum Leeschtungsultraschall zur Effizienz vu cheemesche Reaktioune bäidroen. Dat verbessert Mëschen an d’Verklengerung vun de Partikelen duerch Ultraschallschwéngungen a Kavitatioun suerge fir eng däitlech beschleunegt Kinetik an eng verbessert Ëmsetzungsquote. Sonocheemesch Effekter kënnen déi néideg Energie liwweren, fir cheemesch Reaktiounen auszeléisen, cheemesch Reaktiounsweeër ze wiesselen an duerch eng méi vollstänneg Reaktioun méi héich Ausbezuelen z’erreechen.

Duerch Ultraschall intensivéiert CSTR kënne fir follgend Uwendunge benotzt ginn:

• Heterogen Flësseg-Flësseg-Reaktiounen
• Heterogen Fest-Flësseg-Reaktiounen
• Homogen Reaktiounen an der flësseger Phas
• Heterogen Gas-Flësseg-Reaktiounen
• Heterogen Gas-Fest-Flësseg-Reaktiounen

Ultraschallbehandlung als cheemescht Héichvitess-Synthesesystem

Héichvitess-Synthesecheemie ass eng nei Reaktiounstechnik, déi benotzt gëtt, fir cheemesch Synthesen auszeléisen an ze intensivéieren. Am Verglach mat traditionelle Reaktiounsweeër, déi e puer Stonnen oder Deeg ënner Réckfloss brauchen, kënnen duerch Ultraschall gefërdert Synthesereakteren d’Reaktiounsdauer op e puer Minutte miniméieren, wat zu enger däitlech beschleunegter Synthesereaktioun féiert. D’Intensivéierung vun der Synthes duerch Ultraschall baséiert um Wierkprinzip vun der akustescher Kavitatioun an de mat hir verbonnene Kräften, dorënner lokal begrenzten Iwwerhëtzung. Am nächsten Abschnitt fannt Dir méi iwwer Ultraschall, akustesch Kavitatioun a Sonocheemie eraus.

Ultraschallkavitatioun an hir sonocheemesch Effekter

Ultraschallkavitatioun (oder akustesch Kavitatioun) entsteet, wa Leeschtungsultraschall a Flëssegkeeten oder Suspensiounen agekoppelt gëtt. Kavitatioun ass den Iwwergank vun enger flësseger Phas an eng Dampphas, deen duerch en Drockofall bis op den Niveau vum Dampdrock vun der Flëssegkeet entsteet.
Ultraschallkavitatioun erzeugt ganz héich Schéierkräften a Flëssegkeetsstrale mat bis zu 1000m/s. Dës Flëssegkeetsstrale beschleunegen d’Partikelen a verursaache Kollisiounen tëscht hinnen, wouduerch d’Partikelgréisst vu Feststoffer an Drëpse reduzéiert gëtt. Zousätzlech entstinn – lokal am Inneren an an der direkter Ëmgéigend vun der implodéierender Kavitatiounsblos – extrem héich Drécker an der Gréisstenuerdnung vun Honnerte vun Atmosphären an Temperaturen an der Gréisstenuerdnung vun Dausende vu Grad Kelvin.
Och wann d’Ultraschallbehandlung eng reng mechanesch Veraarbechtungsmethod ass, kann si e lokal begrenzten extremen Temperaturustig verursaachen. Dëst ass op déi intensiv Kräften zeréckzeféieren, déi am Inneren an an der direkter Ëmgéigend vun de kollabéierende Kavitatiounsblosen entstinn, wou liicht Temperature vun e puer Dausend Grad Celsius erreecht kënne ginn. Am Gesamtvolumen vun der Léisung ass den Temperaturustig duerch d’Implosioun vun enger eenzeger Blos bal vernoléissegbar. D’Wäermtofgab vu ville Kavitatiounsblosen, wéi se a Kavitatiouns-Hotspots observéiert gëtt (déi duerch Beschallung mat héichleeschtungsfäegem Ultraschall entstinn), kann awer schliisslech zu engem moossbaren Ustig vun der Temperatur am Gesamtvolumen féieren. De Virdeel vun der Ultraschallbehandlung an der Sonochemie läit an de kontrolléierbaren Temperatureffekter wärend der Veraarbechtung: D’Temperatur am Gesamtvolumen vun der Léisung kann duerch den Asaz vun Tanke mat Killmantel souwéi duerch gepulste Beschallung kontrolléiert ginn. Déi sophistikéiert Ultraschallapparater vun Hielscher Ultrasonics kënnen den Ultraschall ënnerbriechen, wann eng iewescht Temperaturgrenz erreecht gëtt, a mat der Ultraschallbehandlung weiderfueren, soubal den ënneschte Wäert vun engem agestallten ∆T erreecht gëtt. Dëst ass besonnesch wichteg, wann hëtztempfindlech Reaktante benotzt ginn.

Sonochemie verbessert d’Reaktiounskinetik

Well d’Beschallung intensiv Schwéngungen a Kavitatioun erzeugt, gëtt d’chemesch Kinetik beaflosst. D’Kinetik vun engem chemesche System korreléiert enk mat der Ausdehnung an der Implosioun vun de Kavitatiounsblosen, wouduerch d’Dynamik vun der Blosebeweegung däitlech beaflosst gëtt. Geléiste Gasen an der chemescher Reaktiounsléisung beaflossen d’Eegenschafte vun enger sonochemescher Reaktioun souwuel duerch thermesch wéi och duerch chemesch Effekter. Déi thermesch Effekter beaflossen d’Spëtzentemperaturen, déi beim Zesummefale vun de Blosen am Kavitatiounshuelraum erreecht ginn; déi chemesch Effekter veränneren d’Wierkunge vu Gasen, déi direkt un enger Reaktioun bedeelegt sinn.
Heterogen an homogen Reaktioune mat lueser Reaktiounskinetik, dorënner Suzuki-Kopplungsreaktiounen, Ausfällung, Kristalliséierung an Emulsiounschemie, si prädestinéiert dofir, duerch Leeschtungsultraschall a seng sonochemesch Effekter initiéiert a gefërdert ze ginn.
Zum Beispill huet bei der Synthes vu Ferulasäure eng niddregfrequent Beschallung (20kHz) mat enger Leeschtung vun 180 W bei 60°C an 3 h eng Ferulasäureausbeut vun 94% erginn. Dës Resultater vun Truong et al. (2018) weisen, datt den Asaz vun niddreger Frequenz (mat enger Hornsonotrod a leeschtungsstaarker Beschallung) d’Ëmsetzungsrat däitlech verbessert huet, mat Ausbeute vun iwwer 90%.

Duerch Ultraschall intensivéiert Emulsiounschemie

Heterogen Reaktiounen, wéi se an der Emulsiounschemie virkommen, profitéiere wesentlech vum Asaz vu Leeschtungsultraschall. D’Ultraschallkavitatioun huet d’Drëpse vun all Phas verkleinert an homogen an där jeeweileger anerer Phas verdeelt, wouduerch eng Submikrometer- oder Nanoemulsioun entstanen ass. Well d’Drëpsen an der Nanogréisst eng drastesch vergréissert Uewerfläch fir d’Wechselwierkung mat aneren Drëpsen ubidden, ginn d’Stoffiwwerdroung an d’Reaktiounsvitesse wesentlech verbessert. Ënner Ultraschallbehandlung weise Reaktiounen, déi fir hir typesch lues Kinetik bekannt sinn, drastesch verbessert Ëmsetzungsraten, méi héich Ausbezuelen, manner Nieweprodukter oder Offall an eng besser Gesamteffizienz. Duerch Ultraschall verbessert Emulsiounschemie gëtt dacks fir d’Emulsiounspolymerisatioun agesat, z. B. fir Polymermëschungen, waasserbaséiert Pechstoffer a Spezialpolymeren hierzestellen.

10 Saachen, déi Dir wësse sollt, ier Dir e cheemesche Reakter kaaft

Wann Dir e cheemesche Reakter fir e cheemesche Prozess auswielt, ginn et vill Faktoren, déi déi optimal Ausleeung vum cheemesche Reakter beaflossen. Wann Äre cheemesche Prozess heterogen cheemesch Reaktioune mat méi Phase ëmfaasst an eng lues Reaktiounskinetik huet, sinn d’Réieren am Reakter an d’Aktivéierung vum Prozess wesentlech Aflossfaktore fir eng erfollegräich cheemesch Ëmsetzung a fir wirtschaftlech (Betribs-)Käschte vum cheemesche Reakter.
D’Ultraschallbehandlung verbessert d’Reaktiounskinetik vu cheemesche Flësseg-Flësseg- a Flësseg-Fest-Reaktiounen a cheemesche Chargereakteren an Inline-Reaktiounsbehältere wesentlech. Dofir kann d’Integratioun vun Ultraschallsonden an e cheemesche Reakter d’Reakterkäschte reduzéieren an d’Gesamteffizienz an d’Qualitéit vum Endprodukt verbesseren.
Ganz dacks feelt an der Ausleeung vu cheemesche Reakteren d’Wëssen iwwer d’Verbesserung vu Prozesser mat Ultraschall. Ouni fundéiert Kenntnisser iwwer den Afloss vu Leeschtungsultraschall, Réieren duerch Ultraschall, akustescher Kavitatioun a sonocheemeschen Effekter op d’Leeschtung vu cheemesche Reaktere kënnen d’Analys vu cheemesche Reakteren a konventionell Ausleeungsgrondlagen nëmme mannerwäerteg Resultater liwweren. Hei ënnendrënner kritt Dir en Iwwerbléck iwwer déi grondleeënd Virdeeler vum Ultraschall fir d’Ausleeung an d’Optiméierung vu cheemesche Reakteren.

D’Virdeeler vun engem duerch Ultraschall intensivéierte kontinuéierlech geréierten Tankreakter (CSTR)

• • Duerch Ultraschall verbessert Reaktere fir de Labo an d’Produktioun:
    Einfach Skaléierbarkeet: Ultraschallprozessore si fir de Labomoossstaf, d’Pilotproduktioun an d’Groussproduktioun liicht verfügbar
    Reproduzéierbar / widderhuelbar Resultater dank prezis kontrolléierbaren Ultraschallparameteren
    Kapazitéit a Reaktiounsvitesse: duerch Ultraschall intensivéiert Reaktioune si méi séier an doduerch méi wirtschaftlech (méi niddreg Käschten)
  • Sonochemie ka souwuel fir allgemeng wéi och fir speziell Zwecker agesat ginn

– Upassungsfäegkeet a Villsäitegkeet, z. B. flexibel Installatiouns- a Konfiguratiounsméiglechkeeten an interdisziplinären Asaz

• D’Ultraschallbehandlung kann an explosive Ëmfeld agesat ginn
  – Spullen (z. B. mat enger Stéckstoffatmosphär)
  – keng oppen Uewerfläch
• Einfach Botzen: Selbstbotzen (CIP – Botzen op der Plaz)
• Wielt Är bevorzugt Konstruktiounsmaterialien
  – Glas, Edelstol, Titan
  – keng rotéierend Dichtungen
  – grouss Auswiel un Dichtungsmëttelen
• Ultraschallapparater kënnen an engem breeden Temperaturberäich agesat ginn
• Ultraschallapparater kënne bei engem breede Spektrum vun Dréck agesat ginn
• Synergisteschen Effekt mat aneren Technologien, z. B. Elektrochemie (Sonoelektrochemie), Katalys (Sonokatalys), Kristalliséierung (Sonokristalliséierung) asw.
• D’Ultraschallbehandlung ass ideal fir Prozesser a Bioreakteren ze verbesseren, z. B. d’Fermentatioun.
• Opléisung / Opléisen: Bei Opléisungsprozesser gi Partikele vun enger Phas an déi aner iwwer, z. B. wa fest Partikelen sech an enger Flëssegkeet opléisen. Et gëtt festgestallt, datt d’Intensitéit vum Réieren d’Vitesse vum Prozess beaflosst. Vill kleng Kristaller léise sech ënner Ultraschallkavitatioun vill méi séier op wéi een eenzele Kristall a konventionell geréierte Chargereakteren. Och hei läit de Grond fir déi ënnerschiddlech Vitessen an den ënnerschiddleche Stoffiwwerdroungsraten un de Partikeluewerflächen. Zum Beispill gëtt d’Ultraschallbehandlung erfollegräich agesat, fir iwwersättegt Léisungen hierzestellen, z. B. a Kristalliséierungsprozesser (Sonokristalliséierung).
• Duerch Ultraschall gefërdert cheemesch Extraktioun:
  – Flësseg–Fest, z. B. botanesch Extraktioun, cheemesch Extraktioun
  – Flësseg–Flësseg: Wann Ultraschall op e Flësseg–Flësseg-Extraktiounssystem applizéiert gëtt, entsteet eng Emulsioun vun enger vun de Phasen an där anerer. Dës Emulsiounsbildung vergréissert d’Grenzflächen tëscht deenen zwou net mëschbare Phasen, wat zu engem verstäerkte Stoffiwwerdroungsfloss tëscht de Phase féiert.

Wéi verbessert d’Ultraschallbehandlung cheemesch Reaktiounen a Réierbehälterreakteren?

• Méi grouss Kontaktfläch: Bei Reaktiounen tëscht Reaktanten an heterogene Phase kënnen nëmmen déi Partikele reagéieren, déi op der Grenzfläch matenee kollidéieren. Wat d’Grenzfläch méi grouss ass, wat méi Kollisioune méiglech sinn. Wann e flëssegen oder feste Bestanddeel vun engem Stoff a méi kleng Drëpsen oder fest Partikelen zerkleinert gëtt, déi an enger flësseger kontinuéierlecher Phas suspendéiert sinn, vergréissert sech d’Uewerfläch vun dësem Stoff. Ausserdeem klëmmt duerch d’Gréisstreduktioun d’Zuel vun de Partikelen, an doduerch hëlt déi duerchschnëttlech Distanz tëscht dëse Partikelen of. Dëst verbessert de Kontakt vun der kontinuéierlecher Phas mat der dispergéierter Phas. Dofir klëmmt d’Reaktiounsvitesse mam Fragmentéierungsgrad vun der dispergéierter Phas. Vill cheemesch Reaktiounen an Dispersiounen oder Emulsioune weisen duerch d’Reduktioun vun der Partikelgréisst mat Ultraschall eng drastesch Verbesserung vun der Reaktiounsvitesse.
• Katalys (Aktivéierungsenergie): Katalysatore si bei ville cheemesche Reaktiounen, bei der Entwécklung am Labo an an der industrieller Produktioun vu grousser Bedeitung. Dacks leie Katalysatoren an enger fester oder flësseger Phas vir a si mat engem Reaktant oder mat alle Reaktanten net mëschbar. Dofir ass d’Katalys meeschtens eng heterogen cheemesch Reaktioun. Bei der Produktioun vun de wichtegste Basischemikalie wéi Schwiefelsaier, Ammoniak, Salpéitersaier, Ethen a Methanol spille Katalysatoren eng wichteg Roll. Grouss Beräicher vun der Ëmwelttechnik baséieren op katalytesche Prozesser. Eng Kollisioun vu Partikele féiert nëmmen dann zu enger cheemescher Reaktioun, d. h. enger Ëmgruppéierung vun Atomer, wann d’Partikele mat genuch kinetescher Energie kollidéieren. D’Ultraschallbehandlung ass en héicheffizient Mëttel, fir d’Kinetik a cheemesche Reakteren ze erhéijen. Bei engem heterogene Katalysprozess kann d’Integratioun vun Ultraschall an d’Konzept vun engem cheemesche Reakter de Besoin u Katalysator reduzéieren. Dëst kann dozou féieren, datt manner Katalysator oder mannerwäerteg, manner edel Katalysatoren agesat ginn.
• Méi héich Kontaktheefegkeet / Verbesserte Stoffiwwerdroung: D’Mëschen an d’Duerchréiere mat Ultraschall ass eng héichwierksam Method, fir winzeg Drëpsen a Partikelen ze produzéieren (d. h. Submikrometer- an Nanopartikelen), déi eng méi grouss aktiv Uewerfläch fir Reaktioune bidden. Duerch dat zousätzlecht intensivt Duerchréieren an d’Mikrobeweegung, déi de Leeschtungsultraschall verursaacht, klëmmt d’Heefegkeet vum Kontakt tëscht de Partikelen drastesch, wat zu engem däitlech verbesserten Ëmsazgrad féiert.
• Kompriméiert Plasma: Bei ville Reaktioune féiert eng Erhéijung vun der Reaktertemperatur ëm 10 Kelvin dozou, datt sech d’Reaktiounsvitesse ongeféier verduebelt. D’Ultraschallkavitatioun produzéiert lokal begrenzt, héichreaktiv waarm Zonne vu bis zu 5000K an der Flëssegkeet, ouni datt de gesamte Flëssegkeetsvolumen am cheemesche Reakter wesentlech erhëtzt gëtt.
• Thermesch Energie: All Ultraschallenergie, déi Dir an d’Konzept vun engem cheemesche Reakter abréngt, gëtt schlussendlech an thermesch Energie ëmgewandelt. Dofir kënnt Dir d’Energie fir de cheemesche Prozess weiderbenotzen. Amplaz thermesch Energie iwwer Heizelementer oder Damp zouzeféieren, bréngt d’Ultraschallbehandlung duerch héichfrequent Schwéngunge mechanesch Energie an, déi de Prozess aktivéiert. Am cheemesche Reakter entsteet doduerch Ultraschallkavitatioun, déi de cheemesche Prozess op verschiddenen Niveauen aktivéiert. Schlussendlech féiert déi immens Schéierwierkung vum Ultraschall op d’Chemikalien zur Ëmwandlung an thermesch Energie, d. h. Hëtzt. Dir kënnt Chargereaktere mat Killmantel oder Inline-Reaktere fir d’Ofkillung benotzen, fir eng konstant Prozesstemperatur fir Är cheemesch Reaktioun bäizebehalen.

Héichleeschtungs-Ultraschallapparater fir verbessert cheemesch Reaktiounen a CSTR

Hielscher Ultrasonics entwéckelt, fabrizéiert a verdeelt leeschtungsstaark Ultraschallhomogenisateuren an Dispergéierapparater fir d’Integratioun a kontinuéierlech bedriwwe Réierbehälterreakteren (CSTR). Ultraschallapparater vun Hielscher gi weltwäit agesat, fir cheemesch Reaktiounen ze fërderen, ze intensivéieren, ze beschleunegen an ze verbesseren.
D’Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics sinn an alle Gréisste verfügbar, vu klenge Laborapparater bis zu groussen industrielle Prozessoren fir Uwendungen an der Duerchflosscheemie. Duerch déi präzis Astellung vun der Ultraschallamplitud (déi de wichtegste Parameter ass) kënnen d’Ultraschallapparater vun Hielscher mat niddrege bis ganz héijen Amplitudë bedriwwe ginn, an d’Amplitud kann exakt op déi erfuerderlech Ultraschallprozessbedéngunge vum jeeweilege cheemesche Reaktiounssystem ofgestëmmt ginn.
Den Ultraschallgenerator vun Hielscher huet eng intelligent Software mat automatescher Dateprotokolléierung. All wichteg Veraarbechtungsparameteren, wéi Ultraschallenergie, Temperatur, Drock an Zäit, ginn automatesch op enger agebauter SD-Kaart gespäichert, soubal den Apparat ageschalt gëtt.
D’Prozessiwwerwaachung an d’Datenopzeechnung si wichteg fir déi kontinuéierlech Standardiséierung vum Prozess an d’Produktqualitéit. Mam Zougrëff op déi automatesch opgezeechent Prozessdate kënnt Dir fréier Ultraschallbehandlungen iwwerpréiwen an d’Resultat bewäerten.
Eng weider benotzerfrëndlech Funktioun ass d’Fernsteierung vun eisen digitalen Ultraschallsystemer iwwer de Browser. Iwwer dës Browserfernsteierung kënnt Dir Ären Ultraschallprozessor vun iwwerall aus starten, stoppen, astellen an iwwerwaachen.
Kontaktéiert eis elo, fir méi doriwwer ze gewuer ze ginn, wéi eis leeschtungsstaark Ultraschallhomogenisateuren Äre kontinuéierlech bedriwwene Réierbehälterreakter (CSTR) verbessere kënnen!
D’Tabell hei ënne gëtt Iech en Iwwerbléck iwwer déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater: