Ar ultraskaņu maisīti nepārtrauktas darbības tvertnes reaktori

Nepārtrauktas darbības tvertnes reaktorus ar maisīšanu (CSTR) plaši izmanto dažādām ķīmiskajām reakcijām, tostarp katalīzei, emulsiju ķīmijai, polimerizācijai, sintēzei, ekstrakcijai un kristalizācijai. Lēna reakciju kinētika ir bieži sastopama CSTR problēma, ko var viegli pārvarēt, izmantojot apstrādi ar lieljaudas ultraskaņu. Lieljaudas ultraskaņas radītā intensīvā sajaukšana, maisīšana un sonoķīmiskā iedarbība paātrina reakciju kinētiku un būtiski uzlabo konversijas pakāpi. Ultraskaņas apstrādes ierīces var viegli integrēt jebkura tilpuma CSTR.

Kāpēc nepārtrauktas darbības tvertnes reaktorā ar maisīšanu izmantot lieljaudas ultraskaņu?

Nepārtrauktas darbības tvertnes reaktors ar maisīšanu (CSTR jeb vienkārši tvertnes reaktors ar maisīšanu (STR)) pēc savām galvenajām īpašībām ir visai līdzīgs periodiskas darbības reaktoram. Būtiskākā atšķirība ir tā, ka nepārtrauktas darbības tvertnes reaktora ar maisīšanu (CSTR) sistēmā jānodrošina nepārtraukta materiāla plūsma reaktorā un no tā. Materiālu reaktorā var ievadīt ar gravitācijas plūsmu vai piespiedu cirkulācijas plūsmu, izmantojot sūkni. CSTR dažkārt sauc par plūsmas reaktoru ar atpakaļsajaukšanu (BMR).
CSTR parasti izmanto, ja nepieciešams maisīt divus vai vairākus šķidrumus. CSTR var izmantot kā atsevišķu reaktoru vai uzstādīt dažādās virknes konfigurācijās plūsmām ar atšķirīgām koncentrācijām un dažādiem reakcijas posmiem. Papildus atsevišķa tvertnes reaktora izmantošanai plaši lieto arī vairāku tvertņu uzstādīšanu virknē (citu aiz citas) vai kaskādes konfigurāciju.
Kāpēc izmantot apstrādi ar ultraskaņu? Ir labi zināms, ka sajaukšana un maisīšana ar ultraskaņu, kā arī lieljaudas ultraskaņas sonoķīmiskā iedarbība veicina ķīmisko reakciju efektivitāti. Ultraskaņas svārstību un kavitācijas radītā uzlabotā sajaukšana un daļiņu izmēra samazināšana nodrošina būtiski paātrinātu kinētiku un uzlabotu konversijas pakāpi. Sonoķīmiskā iedarbība var nodrošināt enerģiju, kas nepieciešama ķīmisko reakciju ierosināšanai, mainīt ķīmisko reakciju norises ceļus un nodrošināt lielāku iznākumu, pateicoties pilnīgākai reakcijas norisei.

Ar ultraskaņu intensificētus CSTR var izmantot šādiem procesiem:

• Heterogēnas šķidruma–šķidruma reakcijas
• Heterogēnas cietvielas–šķidruma reakcijas
• Homogēnas šķidrās fāzes reakcijas
• Heterogēnas gāzes–šķidruma reakcijas
• Heterogēnas gāzes–cietvielas–šķidruma reakcijas

Apstrāde ar ultraskaņu kā ātrdarbīga ķīmiskās sintēzes sistēma

Ātrdarbīga sintēzes ķīmija ir jauna reakciju veikšanas metode, ko izmanto ķīmiskās sintēzes ierosināšanai un intensificēšanai. Salīdzinājumā ar tradicionālajiem reakciju norises ceļiem, kuriem nepieciešama vairāku stundu vai dienu ilga vārīšana ar atteci, ar ultraskaņu veicinātas sintēzes reaktori var samazināt reakcijas ilgumu līdz dažām minūtēm, būtiski paātrinot sintēzes reakciju. Sintēzes intensificēšana ar ultraskaņu balstās uz akustiskās kavitācijas darbības principu un ar to saistītajiem spēkiem, tostarp lokālu pārkarsēšanu. Nākamajā sadaļā uzziniet vairāk par ultraskaņu, akustisko kavitāciju un sonoķīmiju.

Ultraskaņas kavitācija un tās sonoķīmiskā iedarbība

Ultraskaņas (jeb akustiskā) kavitācija rodas, kad šķidrumos vai suspensijās ievada lieljaudas ultraskaņas enerģiju. Kavitācija ir pāreja no šķidrās fāzes tvaika fāzē, kas notiek, spiedienam pazeminoties līdz šķidruma tvaika spiediena līmenim.
Ultraskaņas kavitācija rada ļoti lielus bīdes spēkus un šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 1000m/s. Šīs šķidruma strūklas paātrina daļiņas un izraisa to savstarpējas sadursmes, tādējādi samazinot cieto daļiņu un pilienu izmēru. Turklāt – lokāli, uz iekšu sabrūkošā kavitācijas burbuļa iekšienē un tā tiešā tuvumā – rodas ārkārtīgi augsts spiediens vairāku simtu atmosfēru kārtā un temperatūra vairāku tūkstošu kelvinu kārtā.
Lai gan apstrāde ar ultraskaņu ir pilnībā mehāniska apstrādes metode, tā var izraisīt lokālu, ārkārtīgi lielu temperatūras paaugstināšanos. To izraisa intensīvie spēki, kas rodas sabrūkošo kavitācijas burbuļu iekšienē un to tiešā tuvumā, kur viegli var sasniegt vairāku tūkstošu Celsija grādu temperatūru. Šķīduma pamatmasā temperatūras paaugstināšanās viena burbuļa sabrukšanas rezultātā ir gandrīz nenozīmīga, taču siltuma izkliede no daudziem kavitācijas burbuļiem, kā novērots kavitācijas karstajos punktos (kas rodas, apstrādājot ar lieljaudas ultraskaņu), galu galā var izraisīt izmērāmu šķīduma pamatmasas temperatūras paaugstināšanos. Apstrādes ar ultraskaņu un sonoķīmijas priekšrocība ir iespēja kontrolēt temperatūras ietekmi apstrādes laikā: šķīduma pamatmasas temperatūru var kontrolēt, izmantojot tvertnes ar dzesēšanas apvalkiem, kā arī pulsējošu apstrādi ar ultraskaņu. Hielscher Ultrasonics modernās ultraskaņas apstrādes ierīces var pārtraukt ultraskaņas padevi, kad sasniegta augšējā temperatūras robeža, un atsākt apstrādi ar ultraskaņu, tiklīdz sasniegta iestatītās ∆T apakšējā vērtība. Tas ir īpaši svarīgi, ja tiek izmantoti siltumjutīgi reaģenti.

Sonoķīmija uzlabo reakciju kinētiku

Tā kā apstrāde ar ultraskaņu rada intensīvas svārstības un kavitāciju, tā ietekmē ķīmisko reakciju kinētiku. Ķīmiskās sistēmas kinētika ir cieši saistīta ar kavitācijas burbuļu izplešanos un sabrukšanu uz iekšu, tādējādi būtiski ietekmējot burbuļu kustības dinamiku. Ķīmiskās reakcijas šķīdumā izšķīdušās gāzes ietekmē sonoķīmiskās reakcijas īpašības gan ar termisko, gan ķīmisko iedarbību. Termiskā iedarbība ietekmē maksimālo temperatūru, kas tiek sasniegta, burbulim sabrūkot kavitācijas dobumā; ķīmiskā iedarbība maina to gāzu ietekmi, kuras tieši piedalās reakcijā.
Heterogēnas un homogēnas reakcijas ar lēnu reakcijas kinētiku, tostarp Suzuki savienošanas reakcijas, izgulsnēšana, kristalizācija un emulsiju ķīmijas reakcijas, ir īpaši piemērotas ierosināšanai un veicināšanai ar lieljaudas ultraskaņu un tās sonoķīmisko iedarbību.
Piemēram, ferulskābes sintēzē zemas frekvences (20kHz) apstrāde ar ultraskaņu ar 180 W jaudu nodrošināja 94% ferulskābes iznākumu 60°C temperatūrā 3 h laikā. Šie Truong et al. (2018) rezultāti parāda, ka zemas frekvences izmantošana (ar raga tipa zondi un lielas jaudas apstarošanu) būtiski uzlaboja konversijas pakāpi, nodrošinot iznākumu virs 90%.

Ar ultraskaņu intensificēta emulsiju ķīmija

Heterogēnas reakcijas, piemēram, reakcijas emulsiju ķīmijā, būtiski uzlabojas, izmantojot lieljaudas ultraskaņu. Ultraskaņas kavitācija samazina katras fāzes pilienu izmēru un vienmērīgi izkliedē tos citā fāzē, veidojot submikronu emulsiju vai nanoemulsiju. Tā kā nanoizmēra pilieniem ir krasi palielināts virsmas laukums mijiedarbībai ar citiem pilieniem, masas pārnese un reakcijas ātrums ievērojami uzlabojas. Apstrādājot ar ultraskaņu, reakcijām, kas pazīstamas ar parasti lēnu kinētiku, ievērojami uzlabojas konversijas rādītāji, palielinās iznākums, samazinās blakusproduktu vai atkritumu daudzums un uzlabojas kopējā efektivitāte. Ar ultraskaņu uzlabotu emulsiju ķīmiju bieži izmanto emulsijas polimerizācijā, piemēram, polimēru maisījumu, ūdens bāzes līmju un speciālo polimēru ražošanai.

10 lietas, kas jāzina pirms ķīmiskā reaktora iegādes

Izvēloties ķīmisko reaktoru ķīmiskam procesam, jāņem vērā daudzi faktori, kas ietekmē optimālo ķīmiskā reaktora konstrukciju. Ja jūsu ķīmiskajā procesā notiek daudzfāžu heterogēnas ķīmiskas reakcijas ar lēnu reakcijas kinētiku, maisīšana reaktorā un procesa aktivēšana ir būtiski faktori veiksmīgai ķīmiskajai konversijai un ekonomiskām ķīmiskā reaktora ekspluatācijas izmaksām.
Apstrāde ar ultraskaņu ievērojami uzlabo šķidruma–šķidruma un šķidruma–cietvielas ķīmisko reakciju kinētiku periodiskas darbības ķīmiskajos reaktoros un plūsmā uzstādītos reakcijas traukos. Tādējādi ultraskaņas zonžu integrēšana ķīmiskajā reaktorā var samazināt reaktora izmaksas un uzlabot kopējo efektivitāti un galaprodukta kvalitāti.
Ķīmisko reaktoru projektēšanā ļoti bieži trūkst zināšanu par procesu uzlabošanu ar ultraskaņu. Bez padziļinātām zināšanām par lieljaudas ultraskaņas, ultraskaņas izraisītas maisīšanas, akustiskās kavitācijas un sonoķīmisko efektu ietekmi uz ķīmiskā reaktora darbību ķīmisko reaktoru analīze un tradicionālie projektēšanas pamatprincipi var dot tikai sliktākus rezultātus. Tālāk sniegts pārskats par ultraskaņas galvenajām priekšrocībām ķīmisko reaktoru projektēšanā un optimizācijā.

Ar ultraskaņu intensificēta nepārtrauktas darbības maisāmā tvertnes reaktora (CSTR) priekšrocības

• • Ar ultraskaņu uzlaboti reaktori laboratorijai un ražošanai:
    Viegla mērogošana: Ultraskaņas procesori ir viegli pieejami laboratorijas mērogam, pilotražošanai un liela mēroga ražošanai
    Reproducējami / atkārtojami rezultāti, pateicoties precīzi regulējamiem ultraskaņas parametriem
    Ražīgums un reakcijas ātrums: ar ultraskaņu intensificētas reakcijas ir ātrākas un tādējādi ekonomiskākas (zemākas izmaksas)
  • Sonoķīmija ir izmantojama gan vispārīgiem, gan īpašiem mērķiem

– pielāgojamība un daudzpusība, piemēram, elastīgas uzstādīšanas un konfigurēšanas iespējas un izmantošana dažādās nozarēs

• Apstrādi ar ultraskaņu var izmantot sprādzienbīstamā vidē
  – caurpūšana (piemēram, slāpekļa aizsargatmosfēra)
  – nav atvērtas virsmas
• Vienkārša tīrīšana: pašattīrīšanās (CIP – tīrīšana uz vietas)
• Izvēlieties vēlamos konstrukcijas materiālus
  – stikls, nerūsējošais tērauds, titāns
  – nav rotējošo blīvējumu
  – plaša blīvēšanas materiālu izvēle
• Ultraskaņas ierīces var izmantot plašā temperatūru diapazonā
• Ultraskaņas ierīces var izmantot plašā spiedienu diapazonā
• Sinerģiska iedarbība ar citām tehnoloģijām, piemēram, elektroķīmiju (sonoelektroķīmija), katalīzi (sonokatalīze), kristalizāciju (sonokristalizācija) utt.
• Apstrāde ar ultraskaņu ir ideāli piemērota procesu uzlabošanai bioreaktoros, piemēram, fermentācijas uzlabošanai.
• Šķīšana / šķīdināšana: šķīšanas procesos daļiņas pāriet no vienas fāzes citā, piemēram, cietām daļiņām šķīstot šķidrumā. Ir konstatēts, ka maisīšanas intensitāte ietekmē procesa ātrumu. Daudzi mazi kristāli ultraskaņas kavitācijas ietekmē izšķīst daudz ātrāk nekā viens kristāls periodiskas darbības reaktoros ar tradicionālu maisīšanu. Arī šeit atšķirīgo ātrumu iemesls ir atšķirīgais masas pārneses ātrums uz daļiņu virsmām. Piemēram, apstrādi ar ultraskaņu veiksmīgi izmanto pārsātinātu šķīdumu veidošanai, piemēram, kristalizācijas procesos (sonokristalizācija).
• Ar ultraskaņu veicināta ķīmiskā ekstrakcija:
  – Šķidrums–cieta viela, piemēram, augu izcelsmes vielu ekstrakcija, ķīmiskā ekstrakcija
  – Šķidrums–šķidrums: ja ultraskaņu izmanto šķidruma–šķidruma ekstrakcijas sistēmā, veidojas vienas fāzes emulsija otrā fāzē. Šāda emulsijas veidošanās palielina abu savstarpēji nesajaucamo fāžu saskares virsmas laukumu, tādējādi pastiprinot masas pārneses plūsmu starp fāzēm.

Kā apstrāde ar ultraskaņu uzlabo ķīmiskās reakcijas tvertnes reaktoros ar maisītāju?

• Lielāks saskares virsmas laukums: Reakcijās starp reaģentiem heterogēnās fāzēs var reaģēt tikai tās daļiņas, kuras savstarpēji saduras uz fāžu robežvirsmas. Jo lielāka ir robežvirsma, jo vairāk sadursmju var notikt. Vielas šķidro vai cieto daļu sadalot mazākos pilienos vai cietās daļiņās, kas suspendētas nepārtrauktās fāzes šķidrumā, šīs vielas virsmas laukums palielinās. Turklāt izmēra samazināšanās rezultātā palielinās daļiņu skaits, tāpēc samazinās vidējais attālums starp šīm daļiņām. Tas uzlabo nepārtrauktās fāzes saskari ar disperģēto fāzi. Tādējādi reakcijas ātrums palielinās līdz ar dispersās fāzes sasmalcināšanas pakāpi. Daudzām ķīmiskajām reakcijām dispersijās vai emulsijās daļiņu izmēra samazināšana ar ultraskaņu krasi palielina reakcijas ātrumu.
• Katalīze (aktivācijas enerģija): Katalizatoriem ir liela nozīme daudzās ķīmiskajās reakcijās, izstrādē laboratorijā un rūpnieciskajā ražošanā. Katalizatori bieži ir cietā vai šķidrā fāzē un nesajaucas ar vienu reaģentu vai visiem reaģentiem. Tāpēc katalīze visbiežāk ir heterogēna ķīmiska reakcija. Katalizatoriem ir svarīga loma nozīmīgāko ķīmisko pamatvielu, piemēram, sērskābes, amonjaka, slāpekļskābes, etēna un metanola, ražošanā. Plašas vides tehnoloģiju jomas balstās uz katalītiskiem procesiem. Daļiņu sadursme izraisa ķīmisku reakciju, proti, atomu pārgrupēšanos, tikai tad, ja daļiņas saduras ar pietiekamu kinētisko enerģiju. Apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti efektīvs līdzeklis reakciju kinētikas paātrināšanai ķīmiskajos reaktoros. Heterogēnas katalīzes procesā ultraskaņas iekļaušana ķīmiskā reaktora konstrukcijā var samazināt vajadzību pēc katalizatora. Tas var ļaut izmantot mazāku katalizatora daudzumu vai zemākas kvalitātes, mazāk cēlus katalizatorus.
• Lielāks saskares biežums / uzlabota masas pārnese: Maisīšana un sajaukšana ar ultraskaņu ir ļoti efektīva metode sīku pilienu un daļiņu (proti, submikronu daļiņu un nanodaļiņu) iegūšanai, kas nodrošina lielāku aktīvo virsmu reakcijām. Jaudīgas ultraskaņas izraisītās papildu intensīvās sajaukšanas un mikrokustību ietekmē krasi palielinās daļiņu savstarpējās saskares biežums, tādējādi ievērojami uzlabojot konversijas pakāpi.
• Saspiesta plazma: Daudzās reakcijās reaktora temperatūras paaugstināšana par 10 kelviniem izraisa reakcijas ātruma aptuvenu divkāršošanos. Ultraskaņas kavitācija šķidrumā rada lokalizētus, ļoti reaģētspējīgus karstos punktus ar temperatūru līdz 5000K, būtiski neuzsildot visu šķidruma tilpumu ķīmiskajā reaktorā.
• Siltumenerģija: Jebkura ultraskaņas enerģija, ko ievadāt ķīmiskā reaktora sistēmā, galu galā pārvēršas siltumenerģijā. Tāpēc šo enerģiju var atkārtoti izmantot ķīmiskajā procesā. Tā vietā, lai ievadītu siltumenerģiju ar sildelementiem vai tvaiku, apstrāde ar ultraskaņu ar augstfrekvences svārstību palīdzību ievada procesu aktivizējošu mehānisko enerģiju. Ķīmiskajā reaktorā tas rada ultraskaņas kavitāciju, kas aktivizē ķīmisko procesu vairākos līmeņos. Galu galā ultraskaņas izraisītā ārkārtīgi intensīvā ķīmisko vielu bīde izraisa enerģijas pārvēršanos siltumenerģijā, proti, siltumā. Dzesēšanai var izmantot periodiskas darbības reaktorus ar apvalku vai plūsmas līnijā iebūvētus reaktorus, lai ķīmiskās reakcijas laikā uzturētu nemainīgu procesa temperatūru.

Augstas veiktspējas ultraskaņas aparāti ķīmisko reakciju uzlabošanai CSTR

Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus un disperģētājus integrēšanai nepārtrauktas darbības tvertnes reaktoros ar maisītāju (CSTR). Hielscher ultraskaņas iekārtas visā pasaulē izmanto ķīmisko reakciju veicināšanai, intensificēšanai, paātrināšanai un uzlabošanai.
Hielscher Ultrasonics ultraskaņas procesori ir pieejami jebkurā izmērā – no mazām laboratorijas ierīcēm līdz lieliem rūpnieciskiem procesoriem plūsmas ķīmijas lietojumiem. Precīza ultraskaņas amplitūdas (kas ir vissvarīgākais parametrs) regulēšana ļauj darbināt Hielscher ultraskaņas iekārtas ar zemu līdz ļoti augstu amplitūdu un precīzi pielāgot amplitūdu konkrētās ķīmisko reakciju sistēmas nepieciešamajiem ultraskaņas procesa apstākļiem.
Hielscher ultraskaņas ģenerators ir aprīkots ar viedu programmatūru ar automātisku datu reģistrēšanu. Visi svarīgie apstrādes parametri, piemēram, ultraskaņas enerģija, temperatūra, spiediens un laiks, tiek automātiski saglabāti iebūvētā SD kartē, tiklīdz ierīce tiek ieslēgta.
Procesa uzraudzība un datu reģistrēšana ir svarīga nepārtraukta procesa standartizācijai un produkta kvalitātei. Piekļūstot automātiski reģistrētajiem procesa datiem, varat pārskatīt iepriekšējos apstrādes ar ultraskaņu ciklus un novērtēt rezultātus.
Vēl viena lietotājam ērta funkcija ir mūsu digitālo ultraskaņas sistēmu tālvadība pārlūkprogrammā. Izmantojot tālvadību pārlūkprogrammā, varat attālināti no jebkuras vietas iedarbināt, apturēt, regulēt un uzraudzīt savu ultraskaņas procesoru.
Sazinieties ar mums jau tagad, lai uzzinātu vairāk par to, kā mūsu augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatori var uzlabot jūsu nepārtrauktas darbības tvertnes reaktoru ar maisītāju (CSTR)!
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: