Nepārtraukti maisīšanas tvertnes reaktori, kas sajaukti ar ultraskaņu

Nepārtraukti maisīto tvertņu reaktori (CSTR) tiek plaši izmantoti dažādām ķīmiskām reakcijām, tostarp katalīzei, emulsijas ķīmijai, polimerizācijai, sintēzei, ekstrakcijai un kristalizācijai. Lēna reakcijas kinētika ir izplatīta problēma CSTR, ko var viegli pārvarēt, izmantojot jaudas ultrasonikāciju. Intensīva sajaukšana, uzbudinājums un jaudas ultraskaņas sonoķīmiskā iedarbība paātrina reakcijas kinētiku un ievērojami uzlabo konversijas ātrumu. Ultrasonikatorus var viegli integrēt jebkura tilpuma CSTR.

Kāpēc piemērot jaudas ultraskaņu nepārtraukti maisītam tvertnes reaktoram?

Nepārtraukti maisītas tvertnes reaktors (CSTR vai vienkārši maisītas tvertnes reaktors (STR)) pēc savām galvenajām īpašībām ir diezgan līdzīgs partijas reaktoram. Galvenā svarīgā atšķirība ir tā, ka nepārtrauktas maisīšanas tvertnes reaktora (CSTR) uzstādīšanai materiāla padeve jānodrošina nepārtrauktā plūsmā uz reaktoru un no tā. Reaktora barošanu var panākt ar gravitācijas plūsmu vai piespiedu cirkulācijas plūsmu, izmantojot sūkni. CSTR dažreiz sauc par atpakaļ jauktas plūsmas reaktoru (BMR).
NSTR parasti lieto, ja nepieciešama divu vai vairāku šķidrumu sakratīšana. CSTR var izmantot kā vienu reaktoru vai uzstādīt kā konfigurāciju sēriju dažādām koncentrācijas plūsmām un reakcijas posmiem. Papildus viena tvertnes reaktora izmantošanai parasti tiek izmantota dažādu tvertņu sērijveida uzstādīšana (viena pēc otras) vai kaskādes iestatīšana.
Kāpēc Ultrasonication? Ultraskaņas sajaukšana un uzbudinājums, kā arī jaudas ultraskaņas sonochemical efekti ir labi zināmi, lai veicinātu ķīmisko reakciju efektivitāti. Uzlabotā sajaukšana un daļiņu izmēra samazināšana ultraskaņas vibrāciju un kavitācijas dēļ nodrošina ievērojami paātrinātu kinētiku un uzlabotu konversijas ātrumu. Sonochemical efekti var piegādāt nepieciešamo enerģiju, lai uzsāktu ķīmiskās reakcijas, pārslēgtu ķīmiskos ceļus un sniegtu lielāku ražu, pateicoties pilnīgākai reakcijai.

Ultrasoniski pastiprinātu CSTR var izmantot tādiem lietojumiem kā:

• Heterogēnas šķidruma-šķidruma reakcijas
• Heterogēnas cietvielu-šķidrumu reakcijas
• Homogēnas šķidrās fāzes reakcijas
• Heterogēnas gāzes un šķidruma reakcijas
• Heterogēnas gāzes-cieta-šķidra reakcijas

Ultrasonication kā ātrgaitas sintētiskā ķīmiskā sistēma

Ātrgaitas sintētiskā ķīmija ir jauna reakcijas metode, ko izmanto, lai uzsāktu un pastiprinātu ķīmisko sintēzi. Salīdzinot ar tradicionālajiem reakcijas ceļiem, kuriem reflukss prasa vairākas stundas vai dienas, ultrasoniski veicināti sintēzes reaktori var samazināt reakcijas ilgumu līdz dažām minūtēm, kā rezultātā rodas ievērojama paātrināta sintēzes reakcija. Ultraskaņas sintēzes intensifikācija ir balstīta uz akustiskās kavitācijas darba principu un ar to saistītajiem spēkiem, ieskaitot lokāli ierobežotu pārkarsēšanu. Uzziniet vairāk par ultraskaņu, akustisko kavitāciju un sonoķīmiju nākamajā sadaļā.

Ultraskaņas kavitācija un tās sonochemical efekti

Ultraskaņas (vai akustiskā) kavitācija notiek, kad jaudas ultraskaņa ir savienota šķidrumos vai vircās. Kavitācija ir pāreja no šķidrās fāzes uz tvaika fāzi, kas rodas, spiedienam pazeminoties līdz šķidruma tvaika spriedzes līmenim.
Ultraskaņas kavitācija rada ļoti lielus bīdes spēkus un šķidruma strūklas ar līdz pat 1000m/s. Šīs šķidrās strūklas paātrina daļiņu un izraisa starpdaļiņu sadursmes, tādējādi samazinot cietvielu un pilienu daļiņu izmēru. Turklāt – lokalizēts implodējošā kavitācijas burbuļa iekšpusē un tiešā tuvumā – tiek radīts ārkārtīgi augsts spiediens uz simtiem atmosfēru un temperatūru tūkstošiem grādu pēc Kelvina.
Lai gan ultrasonication ir tīri mehāniska apstrādes metode, tā var radīt lokāli ierobežotu ekstremālu temperatūras paaugstināšanos. Tas ir saistīts ar intensīvajiem spēkiem, kas rodas sabrukušo kavitācijas burbuļu iekšienē un tuvu tiem, kur viegli var sasniegt vairāku tūkstošu grādu temperatūru. Beztaras šķīdumā temperatūras pieaugums, ko izraisa viena burbuļa implosija, ir gandrīz niecīgs, bet siltuma izkliede no daudziem kavitācijas burbuļiem, kā novērots kavitācijas karstajos punktos (ko rada ultraskaņas apstrāde ar lieljaudas ultraskaņu), beidzot var izraisīt izmērāmu temperatūras paaugstināšanos beztaras temperatūrā. Ultrasonication un sonochemistry priekšrocība ir kontrolējamā temperatūras ietekme apstrādes laikā: Beztaras šķīduma temperatūras kontroli var panākt, izmantojot tvertnes ar dzesēšanas jakām, kā arī pulsējošu ultraskaņu. Hielscher Ultrasonics' izsmalcināti ultrasonikatori var apturēt ultraskaņu, kad tiek sasniegta augšējā temperatūras robeža, un turpināt ultrasonikāciju, tiklīdz tiek sasniegta komplekta ∆T zemākā vērtība. Tas ir īpaši svarīgi, ja tiek izmantoti karstumjutīgi reaģenti.

Sonochemistry uzlabo reakcijas kinētiku

Tā kā ultraskaņas apstrāde rada intensīvas vibrācijas un kavitāciju, tiek ietekmēta ķīmiskā kinētika. Ķīmiskās sistēmas kinētika cieši korelē ar kavitācijas burbuļu izplešanos un implosiju, tādējādi būtiski ietekmējot burbuļu kustības dinamiku. Ķīmiskās reakcijas šķīdumā izšķīdušās gāzes ietekmē sonoķīmiskās reakcijas īpašības, izmantojot gan termisko iedarbību, gan ķīmisko iedarbību. Termiskie efekti ietekmē maksimālās temperatūras, kas tiek sasniegtas burbuļu sabrukuma laikā kavitācijas tukšumā; Ķīmiskā iedarbība maina gāzu iedarbību, kas ir tieši iesaistītas reakcijā.
Heterogēnas un viendabīgas reakcijas ar lēnu reakcijas kinētiku, ieskaitot Suzuki savienojuma reakcijas, nokrišņus, kristalizāciju un emulsijas ķīmiju, ir iepriekš nolemtas uzsākt un veicināt, izmantojot jaudas ultraskaņu un tās sonoķīmisko iedarbību.
Piemēram, ferulīnskābes sintēzei zemas frekvences (20kHz) ultraskaņas apstrāde ar jaudu 180 W deva 94% ferulīnskābes ražu pie 60 ° C 3 stundu laikā. (2018) rezultāti parāda, ka zemas frekvences (ragu tipa un lieljaudas apstarošanas) izmantošana ievērojami uzlaboja konversijas ātrumu, dodot ražu, kas pārsniedz 90%.

Ultrasoniski pastiprināta emulsijas ķīmija

Heterogēnas reakcijas, piemēram, emulsijas ķīmija, ievērojami gūst labumu no jaudas ultraskaņas pielietošanas. Ultraskaņas kavitācija samazinājās un sadalīja katras fāzes pilienus viendabīgi viens otram, radot sub-mikronu vai nanoemulsiju. Tā kā nano izmēra pilieni piedāvā krasi palielinātu virsmas laukumu, lai mijiedarbotos ar dažādiem pilieniem, masas pārnese un reakcijas ātrums ir ievērojami uzlabots. Saskaņā ar ultraskaņu, reakcijas, kas pazīstamas ar to parasti lēno kinētiku, uzrāda ievērojami uzlabotus konversijas rādītājus, augstāku ražu, mazāk blakusproduktu vai atkritumu un labāku vispārējo efektivitāti. Ultrasoniski uzlabota emulsijas ķīmija bieži tiek izmantota emulsiju polimerizācijai, piemēram, lai ražotu polimēru maisījumus, ūdens bāzes līmes un speciālos polimērus.

10 lietas, kas jums jāzina, pirms pērkat ķīmisko reaktoru

Izvēloties ķīmisko reaktoru ķīmiskajam procesam, ir daudz faktoru, kas ietekmē optimālo ķīmiskā reaktora konstrukciju. Ja jūsu ķīmiskais process ietver daudzfāzu, neviendabīgas ķīmiskās reakcijas un tam ir lēna reakcijas kinētika, reaktora uzbudinājums un procesa aktivizēšana ir būtiski faktori, kas ietekmē veiksmīgu ķīmisko pārveidošanu un ķīmiskā reaktora ekonomiskās (darbības) izmaksas.
Ultrasonication ievērojami uzlabo šķidruma-šķidruma un šķidruma-cieto ķīmisko reakciju reakcijas kinētiku ķīmisko partiju reaktoros un inline reakcijas traukos. Tādējādi ultraskaņas zondes integrācija ķīmiskajā reaktorā var samazināt reaktora izmaksas un uzlabot vispārējo efektivitāti un galaprodukta kvalitāti.
Ļoti bieži ķīmiskā reaktora inženierijai trūkst zināšanu par ultrasoniski atbalstītu procesu uzlabošanu. Bez dziļām zināšanām par jaudas ultraskaņas, ultraskaņas uzbudinājuma, akustiskās kavitācijas un sonoķīmiskās ietekmes ietekmi uz ķīmiskā reaktora veiktspēju, ķīmiskā reaktora analīze un parastie projektēšanas pamati var radīt tikai zemākus rezultātus. Zemāk jūs saņemsiet pārskatu par ultraskaņas fundamentālajām priekšrocībām ķīmisko reaktoru projektēšanai un optimizācijai.

Ultrasoniski pastiprinātas nepārtrauktas maisīšanas tvertnes reaktora (CSTR) priekšrocības

• • Ultrasoniski uzlaboti reaktori laboratorijai un ražošanai:
    Viegla mērogojamība: Ultraskaņas procesori ir viegli pieejami laboratorijas lielumam, izmēģinājuma un liela mēroga ražošanai
    Reproducējams / atkārtojams rezultāti, pateicoties precīzi kontrolējamiem ultraskaņas parametriem
    Jauda un reakcijas ātrums: ultrasoniski pastiprinātas reakcijas ir ātrākas un tādējādi ekonomiskākas (zemākas izmaksas)
  • Sonochemistry ir piemērojams gan vispārīgiem, gan īpašiem mērķiem

– pielāgošanās spēja & daudzpusība, piemēram, elastīgas uzstādīšanas un iestatīšanas iespējas un starpdisciplināra izmantošana

• Ultrasonication var izmantot sprādzienbīstamā vidē
  – attīrīšana (piemēram, slāpekļa sega)
  – nav atvērtas virsmas
• Vienkārša tīrīšana: pašattīrīšanās (CIP – tīrs vietā)
• Izvēlieties sev vēlamos būvniecības materiālus
  – stikls, nerūsējošais tērauds, titāns
  – nav rotējošu blīvējumu
  – plaša hermētiķu izvēle
• Ultrasonikatorus var izmantot plašā temperatūru diapazonā
• Ultrasonikatorus var izmantot plašā spiediena diapazonā
• Sinerģisks efekts ar citām tehnoloģijām, piemēram, elektroķīmiju (sono-elektroķīmiju), katalīzi (sono-katalīzi), kristalizāciju (sonokristalizāciju) utt.
• Ultraskaņas apstrāde ir ideāla, lai uzlabotu bioreaktorus, piemēram, fermentāciju.
• Šķīdināšana / šķīdināšana: šķīdināšanas procesos daļiņas pāriet no vienas fāzes uz otru, piemēram, kad cietās daļiņas izšķīst šķidrumā. Tiek konstatēts, ka uzbudinājuma pakāpe ietekmē procesa ātrumu. Daudzi mazi kristāli izšķīst daudz ātrāk ultraskaņas kavitācijā nekā viens parasti maisītos partijas reaktoros. Arī šeit dažādu ātrumu iemesls ir dažādie masas pārneses ātrumi uz daļiņu virsmām. Piemēram, ultrasonication tiek veiksmīgi pielietots, lai radītu pārsātinātus risinājumus, piemēram, kristalizācijas procesos (sono-kristalizācija).
• Ultrasoniski veicināta ķīmiskā ekstrakcija:
  – Šķidra cieta viela, piemēram, botāniskā ekstrakcija, ķīmiskā ekstrakcija
  – Šķidrums-šķidrums: Kad ultraskaņa tiek pielietota šķidruma un šķidruma ekstrakcijas sistēmai, tiek izveidota vienas no otras fāzes emulsija. Šī emulsijas veidošanās izraisa palielinātu starpfaciālo zonu skaitu starp divām nesajaucamām fāzēm, kā rezultātā palielinās masas pārneses plūsma starp fāzēm.

Kā ultraskaņas apstrāde uzlabo ķīmiskās reakcijas maisīto tvertņu reaktoros?

• Lielāks saskares virsmas laukums: Reakcijās starp reaģentiem neviendabīgās fāzēs var reaģēt tikai tās daļiņas, kas saskarnē saduras viena ar otru. Jo lielāks interfeiss, jo vairāk var notikt sadursmes. Tā kā vielas šķidrā vai cietā daļa tiek sadalīta mazākos pilienos vai cietās daļiņās, kas suspendētas nepārtrauktas fāzes šķidrumā, šīs vielas virsmas laukums palielinās. Turklāt izmēra samazināšanas rezultātā palielinās daļiņu skaits un līdz ar to samazinās vidējais attālums starp šīm daļiņām. Tas uzlabo nepārtrauktās fāzes iedarbību uz izkliedēto fāzi. Tāpēc reakcijas ātrums palielinās līdz ar dispersās fāzes fragmentācijas pakāpi. Daudzas ķīmiskās reakcijas dispersijās vai emulsijās liecina par krasiem reakcijas ātruma uzlabojumiem ultraskaņas daļiņu izmēra samazināšanas rezultātā.
• Katalīze (aktivācijas enerģija): Katalizatoriem ir liela nozīme daudzās ķīmiskās reakcijās, laboratorijas attīstībā un rūpnieciskajā ražošanā. Bieži vien katalizatori ir cietā vai šķidrā fāzē un nesajaucami ar vienu reaģentu vai visiem reaģentiem. Tādējādi biežāk katalīze ir neviendabīga ķīmiska reakcija. Svarīgāko pamata ķīmisko vielu, piemēram, sērskābes, amonjaka, slāpekļskābes, etēna un metanola, ražošanā katalizatoriem ir svarīga loma. Lielas vides tehnoloģiju jomas ir balstītas uz katalītiskiem procesiem. Daļiņu sadursme izraisa ķīmisku reakciju, t.i., atomu pārgrupēšanu, tikai tad, ja daļiņas saduras ar pietiekamu kinētisko enerģiju. Ultrasonication ir ļoti efektīvs līdzeklis, lai palielinātu kinētiku ķīmiskajos reaktoros. Neviendabīgā katalīzes procesā ultraskaņas pievienošana ķīmiskā reaktora konstrukcijai var pazemināt prasību pēc katalizatora. Tā rezultātā var tikt izmantoti mazāk katalizatori vai zemāki, mazāk cēli katalizatori.
• Lielāks kontakta biežums / uzlabota masas pārnešana: Ultraskaņas sajaukšana un uzbudināšana ir ļoti efektīva metode, lai radītu minūšu pilienus un daļiņas (t.i., sub-mikronu un nanodaļiņas), kas piedāvā augstāku aktīvo virsmu reakcijām. Papildu intensīvas uzbudinājuma un mikrokustības gadījumā, ko izraisa jaudas ultraskaņa, starpdaļiņu kontakta biežums ir krasi palielināts, kā rezultātā ievērojami uzlabojas konversijas ātrums.
• Saspiesta plazma: Daudzās reakcijās reaktora temperatūras paaugstināšanās par 10 Kelviniem izraisa reakcijas ātruma aptuveni dubultošanos. Ultraskaņas kavitācija rada lokalizētus ļoti reaktīvus karstos punktus līdz 5000K šķidrumā, būtiski nesildot kopējo šķidruma tilpumu ķīmiskajā reaktorā.
• Siltumenerģija: Jebkura ultraskaņas enerģija, ko pievienojat ķīmiskā reaktora konstrukcijai, beidzot tiks pārveidota par siltumenerģiju. Tāpēc jūs varat atkārtoti izmantot enerģiju ķīmiskajam procesam. Siltumenerģijas ievades vietā, izmantojot sildelementus vai tvaiku, ultrasonication ievieš procesu, kas aktivizē mehānisko enerģiju, izmantojot augstfrekvences vibrācijas. Ķīmiskajā reaktorā tas rada ultraskaņas kavitāciju, kas aktivizēja ķīmisko procesu vairākos līmeņos. Visbeidzot, milzīgā ķīmisko vielu ultraskaņas nobīde izraisa pārvēršanos siltumenerģijā, t.i., siltumā. Jūs varat izmantot apvalka partijas reaktorus vai inline reaktorus dzesēšanai, lai uzturētu nemainīgu procesa temperatūru jūsu ķīmiskajai reakcijai.

Augstas veiktspējas ultrasonikatori, lai uzlabotu ķīmiskās reakcijas CSTR

Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus un disperģētājus, lai tos integrētu nepārtrauktas maisīšanas tvertnes reaktoros (CSTR). Hielscher ultrasonikatori tiek izmantoti visā pasaulē, lai veicinātu, pastiprinātu, paātrinātu un uzlabotu ķīmiskās reakcijas.
Hielscher Ultrasonics’ Ultraskaņas procesori ir pieejami jebkurā izmērā, sākot no mazām laboratorijas ierīcēm līdz lieliem rūpnieciskiem procesoriem plūsmas ķīmijas lietojumiem. Precīza ultraskaņas amplitūdas regulēšana (kas ir vissvarīgākais parametrs) ļauj darbināt Hielscher ultrasonikatorus ar zemām līdz ļoti augstām amplitūdām un precīzi noregulēt amplitūdu tieši uz konkrētās ķīmiskās reakcijas sistēmas nepieciešamajiem ultraskaņas procesa apstākļiem.
Hielscher ultraskaņas ģeneratoram ir gudra programmatūra ar automātisku datu protokolēšanu. Visi svarīgie apstrādes parametri, piemēram, ultraskaņas enerģija, temperatūra, spiediens un laiks, tiek automātiski saglabāti iebūvētajā SD kartē, tiklīdz ierīce ir ieslēgta.
Procesu uzraudzība un datu reģistrēšana ir svarīga nepārtrauktai procesu standartizācijai un produktu kvalitātei. Piekļūstot automātiski ierakstītajiem procesa datiem, varat pārskatīt iepriekšējos ultraskaņas braucienus un novērtēt rezultātu.
Vēl viena lietotājam draudzīga funkcija ir mūsu digitālo ultraskaņas sistēmu pārlūkprogrammas tālvadības pults. Izmantojot attālo pārlūka vadību, jūs varat sākt, apturēt, pielāgot un uzraudzīt ultraskaņas procesoru attālināti no jebkuras vietas.
Sazinieties ar mums tagad, lai uzzinātu vairāk par mūsu augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatori var uzlabot jūsu nepārtraukti maisīto tvertnes reaktoru (CSTR)!
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu: