Continu geroerde tankreactoren geroerd met ultrageluid

Continu geroerde tankreactoren (CSTR) worden op grote schaal toegepast voor verschillende chemische reacties, waaronder katalyse, emulsiechemie, polymerisatie, synthese, extractie en kristallisatie. Trage reactiekinetiek is een veel voorkomend probleem in CSTR, dat gemakkelijk kan worden overwonnen door toepassing van ultrasone trillingen. De intense menging, agitatie en de sonochemische effecten van power-ultrasound versnellen de reactiekinetiek en verbeteren de omzettingssnelheid aanzienlijk. Ultrasone systemen kunnen eenvoudig worden geïntegreerd in CSTR's van elk volume.

Waarom ultrageluid toepassen op een continu roertankreactor?

Een continu-geroerde tankreactor (CSTR, of kortweg geroerde tankreactor (STR)) lijkt in zijn belangrijkste kenmerken sterk op de batchreactor. Het belangrijkste verschil is dat bij een continue geroerde tankreactor (CSTR) de toevoer van materiaal in een continue stroom de reactor in en uit moet gaan. De reactor kan worden gevoed door de zwaartekracht of door geforceerde circulatie met behulp van een pomp. De CSTR wordt ook wel een back-mixed flow reactor (BMR) genoemd.
CSTR's worden vaak gebruikt als agitatie van twee of meer vloeistoffen nodig is. CSTR's kunnen worden gebruikt als enkele reactor of worden geïnstalleerd als een reeks configuraties voor verschillende concentratiestromen en reactiestappen. Naast het gebruik van een reactor met één tank, wordt ook vaak de seriële installatie van verschillende tanks (achter elkaar) of de cascadeopstelling gebruikt.
Waarom ultrasoonbehandeling? Het is bekend dat ultrasone menging en agitatie en de sonochemische effecten van ultrageluid aan de macht bijdragen aan de efficiëntie van chemische reacties. De verbeterde menging en de deeltjesgroottevermindering als gevolg van ultrasone trillingen en cavitatie zorgen voor een aanzienlijk versnelde kinetiek en verbeterde omzettingssnelheid. Sonochemische effecten kunnen de nodige energie leveren om chemische reacties op gang te brengen, chemische routes om te schakelen en hogere opbrengsten te geven door een completere reactie.

Ultrasoon versterkte CSTR kan worden gebruikt voor toepassingen zoals:

• Heterogene vloeistof-vloeistof reacties
• Heterogene vast-vloeistof reacties
• Homogene reacties in de vloeistoffase
• Heterogene gas-vloeistof reacties
• Heterogene gas-vaste stof-vloeistof reacties

Ultrasoon als synthetisch chemisch systeem met hoge snelheid

Snelle synthetische chemie is een nieuwe reactietechniek die wordt gebruikt om chemische synthese op gang te brengen en te intensiveren. In vergelijking met traditionele reactietrajecten, die enkele uren of dagen onder reflux nodig hebben, kunnen ultrasoon gestimuleerde synthesereactoren de reactietijd minimaliseren tot enkele minuten, wat resulteert in een aanzienlijk versnelde synthesereactie. Ultrasone syntheseversterking is gebaseerd op het werkingsprincipe van akoestische cavitatie en de daaraan gerelateerde krachten, waaronder lokaal ingesloten oververhitting. Leer meer over ultrageluid, akoestische cavitatie en sonochemie in het volgende hoofdstuk.

Ultrasone cavitatie en de sonochemische effecten ervan

Ultrasone (of akoestische) cavitatie treedt op wanneer ultrageluid wordt gekoppeld in vloeistoffen of slurries. Cavitatie is de overgang van een vloeibare fase naar een dampfase, die optreedt door een drukdaling tot het niveau van de dampspanning van de vloeistof.
Ultrasone cavitatie creëert zeer hoge schuifkrachten en vloeistofstralen tot 1000 m/s. Deze vloeistofstralen versnellen deeltjes en veroorzaken botsingen tussen deeltjes. Deze vloeistofstralen versnellen deeltjes en veroorzaken botsingen tussen deeltjes waardoor de deeltjesgrootte van vaste stoffen en druppels afneemt. Bovendien – gelokaliseerd binnen en in de nabijheid van de imploderende cavitatiebel – worden extreem hoge drukken in de orde van honderden atmosferen en temperaturen in de orde van duizenden graden Kelvin gegenereerd.
Hoewel ultrasoonbehandeling een zuiver mechanische verwerkingsmethode is, kan het lokaal een extreme temperatuurstijging veroorzaken. Dit komt door de intense krachten die worden opgewekt binnen en in de nabijheid van de instortende cavitatiebellen, waar gemakkelijk temperaturen van enkele duizenden graden Celsius kunnen worden bereikt. In de bulkoplossing is de temperatuurstijging als gevolg van de implosie van één enkele bel bijna verwaarloosbaar, maar de warmteafvoer van talrijke cavitatiebellen zoals waargenomen in cavitatie hot-spots (zoals gegenereerd door sonicatie met ultrageluid met hoog vermogen) kan uiteindelijk een meetbare temperatuurstijging in de bulktemperatuur veroorzaken. Het voordeel van ultrasoon- en sonochemie ligt in de beheersbare temperatuureffecten tijdens de verwerking: Temperatuurregeling van de bulkoplossing kan worden bereikt door gebruik te maken van tanks met koelmantels en gepulseerde sonicatie. De geavanceerde ultrasone apparaten van Hielscher Ultrasonics kunnen het ultrasone geluid pauzeren wanneer een bovengrens van de temperatuur wordt bereikt en doorgaan met ultrasoon geluid zodra de ondergrens van een ingestelde ∆T wordt bereikt. Dit is vooral belangrijk als er hittegevoelige reactanten worden gebruikt.

Sonochemie verbetert reactiekinetiek

Omdat sonicatie intense trillingen en cavitatie genereert, wordt de chemische kinetiek beïnvloed. De kinetiek van een chemisch systeem correleert nauw met de uitzetting en implosie van de cavitatiebel, waardoor de dynamiek van de beweging van de bel aanzienlijk wordt beïnvloed. Opgeloste gassen in de chemische reactieoplossing beïnvloeden de karakteristieken van een sonochemische reactie via zowel thermische als chemische effecten. De thermische effecten beïnvloeden de piektemperaturen die bereikt worden tijdens het uiteenspatten van de bellen in de cavitatie-opening; de chemische effecten wijzigen de effecten van gassen die rechtstreeks betrokken zijn bij een reactie.
Heterogene en homogene reacties met een langzame reactiekinetiek, waaronder Suzuki-koppelingsreacties, precipitatie, kristallisatie en emulsiechemie zijn voorbestemd om te worden gestart en bevorderd door ultrageluid en de sonochemische effecten ervan.
Voor de synthese van ferulinezuur gaf sonificatie met een lage frequentie (20 kHz) bij een vermogen van 180 W bijvoorbeeld een opbrengst van 94% ferulinezuur bij 60°C in 3 uur. Deze resultaten van Truong et al. (2018) tonen aan dat het gebruik van een lage frequentie (type hoorn en bestraling met een hoog vermogen) de omzettingssnelheid aanzienlijk verbeterde en opbrengsten van meer dan 90% opleverde.

Ultrasoon versterkte emulsiechemie

Heterogene reacties zoals emulsiechemie hebben veel baat bij de toepassing van ultrageluid. Ultrasone cavitatie vermindert en verdeelt de druppeltjes van elke fase homogeen in elkaar waardoor een sub-micron of nano-emulsie ontstaat. Aangezien de druppeltjes van nanogrootte een drastisch groter oppervlak hebben voor interactie met andere druppeltjes, worden de massaoverdracht en reactiesnelheid aanzienlijk verbeterd. Bij sonicatie vertonen reacties die bekend staan om hun typische trage kinetiek, dramatisch verbeterde omzettingssnelheden, hogere opbrengsten, minder bijproducten of afval en een betere algemene efficiëntie. Ultrasoon verbeterde emulsiechemie wordt vaak toegepast voor emulsiepolymerisatie, bijvoorbeeld om polymeermengsels, watergedragen kleefstoffen en speciale polymeren te produceren.

10 dingen die je moet weten voordat je een chemische reactor koopt

Wanneer u een chemische reactor voor een chemisch proces kiest, zijn er veel factoren die het optimale chemische reactorontwerp beïnvloeden. Als uw chemisch proces meerfasige, heterogene chemische reacties omvat en een trage reactiekinetiek heeft, zijn reactoragitatie en procesactivering essentiële beïnvloedende factoren voor een succesvolle chemische conversie en voor economische (operationele) kosten van de chemische reactor.
Ultrasoon verbetert de reactiekinetiek van vloeistof-vloeistof en vloeistof-vaste chemische reacties in chemische batchreactoren en inline reactorvaten aanzienlijk. Daarom kan de integratie van ultrasone sondes in een chemische reactor de reactorkosten verlagen en de algemene efficiëntie en de kwaliteit van het eindproduct verbeteren.
In de chemische reactortechniek ontbreekt vaak de kennis over ultrasoon ondersteunde procesverbetering. Zonder diepgaande kennis over de invloed van ultrageluid, ultrasone agitatie, akoestische cavitatie en sonochemische effecten op de prestaties van chemische reactoren, kunnen chemische reactoranalyse en conventionele ontwerpfundamenten slechts inferieure resultaten opleveren. Hieronder krijgt u een overzicht van de fundamentele voordelen van ultrasoon geluid voor het ontwerpen en optimaliseren van chemische reactoren.

De voordelen van een ultrasoon geïntensiveerde continue roertankreactor (CSTR)

• • Ultrasoon verbeterde reactoren voor laboratorium en productie:
    Gemakkelijke schaalbaarheid: Ultrasone processors zijn gemakkelijk verkrijgbaar voor laboratorium-, pilot- en grootschalige productie
    Reproduceerbaar / herhaalbaar resultaten dankzij nauwkeurig regelbare ultrasone parameters
    Capaciteit en reactiesnelheid: ultrasoon versterkte reacties zijn sneller en daardoor zuiniger (lagere kosten)
  • Sonochemie is toepasbaar voor zowel algemene als speciale doeleinden

– aanpassingsvermogen & veelzijdigheid, bijv. flexibele installatie- en opstellingsmogelijkheden en interdisciplinair gebruik

• Ultrasoon kan worden gebruikt in explosieve omgevingen
  – purgen (bijv. stikstofdeken)
  – geen open oppervlak
• Eenvoudige reiniging: zelfreiniging (CIP – clean-in-place)
• Kies de constructiematerialen van je voorkeur
  – glas, roestvrij staal, titanium
  – geen roterende afdichtingen
  – ruime keuze aan afdichtmiddelen
• Ultrasone apparaten kunnen worden gebruikt in een breed temperatuurbereik
• Ultrasone apparaten kunnen worden gebruikt bij een breed drukbereik
• Synergetisch effect met andere technologieën, bijv. elektrochemie (sono-elektrochemie), katalyse (sonokatalyse), kristallisatie (sonokristallisatie) enz.
• Sonicatie is ideaal om bioreactoren, bijvoorbeeld fermentatie, te verbeteren.
• Oplossen / Oplossen: Bij oplossingsprocessen gaan deeltjes van de ene fase over in de andere, bijvoorbeeld wanneer vaste deeltjes oplossen in een vloeistof. De mate van agitatie blijkt de snelheid van het proces te beïnvloeden. Veel kleine kristallen lossen veel sneller op onder ultrasone cavitatie dan in conventioneel geroerde batchreactoren. Ook hier ligt de reden voor de verschillende snelheden in de verschillende massatransfersnelheden aan de deeltjesoppervlakken. Ultrasoon wordt bijvoorbeeld met succes toegepast om oververzadigde oplossingen te creëren, bijvoorbeeld in kristallisatieprocessen (sonokristallisatie).
• Ultrasoon gestimuleerde chemische extractie:
  – Vloeistof-vaste stof, bijv. botanische extractie, chemische extractie
  – Vloeistof-vloeistof: Wanneer ultrageluid wordt toegepast op een vloeistof-vloeistof extractiesysteem, ontstaat er een emulsie van een van de fasen in de andere. Deze emulsievorming leidt tot grotere grensvlakken tussen de twee onmengbare fasen, wat resulteert in een verbeterde massatransportstroom tussen de fasen.

Hoe verbetert Sonicatie chemische reacties in geroerde tankreactoren?

• Groter contactoppervlak: Bij reacties tussen reactanten in heterogene fasen kunnen alleen de deeltjes reageren die op het grensvlak met elkaar botsen. Hoe groter het grensvlak, hoe meer botsingen er kunnen plaatsvinden. Als een vloeibaar of vast deel van een stof wordt gebroken in kleinere druppels of vaste deeltjes die in een vloeistof met continue fase zweven, neemt het oppervlak van deze stof toe. Bovendien neemt als gevolg van de verkleining het aantal deeltjes toe, waardoor de gemiddelde afstand tussen deze deeltjes afneemt. Dit verbetert de blootstelling van de continue fase aan de gedispergeerde fase. Daarom neemt de reactiesnelheid toe met de fragmentatiegraad van de gedispergeerde fase. Veel chemische reacties in dispersies of emulsies vertonen drastische verbeteringen in reactiesnelheid als gevolg van ultrasone deeltjesgroottevermindering.
• Katalyse (activeringsenergie): Katalysatoren zijn van groot belang in veel chemische reacties, in laboratoriumontwikkeling en in industriële productie. Vaak bevinden katalysatoren zich in vaste of vloeibare fase en zijn ze onmengbaar met één reactant of alle reactanten. Katalyse is dus meestal een heterogene chemische reactie. Bij de productie van de belangrijkste basischemicaliën zoals zwavelzuur, ammoniak, salpeterzuur, etheen en methanol spelen katalysatoren een belangrijke rol. Grote delen van de milieutechnologie zijn gebaseerd op katalytische processen. Een botsing van deeltjes leidt alleen tot een chemische reactie, d.w.z. een hergroepering van atomen, als de deeltjes met voldoende kinetische energie botsen. Ultrasoon geluid is een zeer efficiënt middel om de kinetiek in chemische reactoren te verhogen. In een heterogeen katalyseproces kan de toevoeging van ultrasoon aan een chemisch reactorontwerp de behoefte aan een katalysator verlagen. Dit kan resulteren in het gebruik van minder katalysator of inferieure, minder edele katalysatoren.
• Hogere contactfrequentie / Verbeterde massaoverdracht: Ultrasoon mengen en agiteren is een zeer doeltreffende methode om minuscule druppeltjes en deeltjes te genereren (d.w.z. submicron- en nanodeeltjes), die een groter actief oppervlak bieden voor reacties. Onder de extra intense agitatie en microbewegingen veroorzaakt door power-ultrasound, wordt de frequentie van het contact tussen de deeltjes drastisch verhoogd, wat resulteert in een aanzienlijk verbeterde omzettingssnelheid.
• Samengeperst plasma: Voor veel reacties zorgt een verhoging van de reactortemperatuur met 10 Kelvin ervoor dat de reactiesnelheid ruwweg verdubbelt. Ultrasone cavitatie produceert gelokaliseerde zeer reactieve hotspots tot 5000 K in de vloeistof, zonder het totale vloeistofvolume in de chemische reactor substantieel te verhitten.
• Thermische energie: Alle ultrasone energie die je toevoegt aan het ontwerp van een chemische reactor zal uiteindelijk worden omgezet in thermische energie. Daarom kunt u de energie hergebruiken voor het chemische proces. In plaats van een thermische energie-input door verwarmingselementen of stoom, introduceert ultrasoon een proces dat mechanische energie activeert door middel van hoogfrequente trillingen. In de chemische reactor produceert dit ultrasone cavitatie die het chemische proces op meerdere niveaus activeert. Uiteindelijk resulteert de immense ultrasone afschuiving van de chemicaliën in de omzetting in thermische energie, d.w.z. warmte. U kunt gepantserde batchreactoren of inline reactoren gebruiken voor koeling om een constante procestemperatuur voor uw chemische reactie te handhaven.

Ultrasoneatoren met hoge prestaties voor verbeterde chemische reacties in CSTR

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren en dispergeerders voor integratie in continue geroerde tankreactoren (CSTR). Hielscher ultrasone apparaten worden wereldwijd gebruikt om chemische reacties te bevorderen, intensiveren, versnellen en verbeteren.
Hielscher Ultrasonics’ ultrasone processors zijn verkrijgbaar in alle maten, van kleine laboratoriumapparaten tot grote industriële processors voor flowchemietoepassingen. Dankzij de nauwkeurige instelling van de ultrasone amplitude (de belangrijkste parameter) kunnen Hielscher ultrasone processors werken met lage tot zeer hoge amplitudes en kan de amplitude precies worden afgestemd op de vereiste ultrasone procescondities van het specifieke chemische reactiesysteem.
Hielscher's ultrasoongenerator is voorzien van slimme software met automatische dataprotocollering. Alle belangrijke procesparameters zoals ultrasone energie, temperatuur, druk en tijd worden automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart zodra het apparaat wordt ingeschakeld.
Procesbewaking en gegevensregistratie zijn belangrijk voor continue processtandaardisatie en productkwaliteit. Door de automatisch geregistreerde procesgegevens te raadplegen, kunt u eerdere sonicatieruns herzien en het resultaat evalueren.
Een andere gebruiksvriendelijke functie is de browserafstandsbediening van onze digitale ultrasone systemen. Via browserbesturing op afstand kunt u uw ultrasone processor overal vandaan starten, stoppen, afstellen en controleren.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over hoe onze hoogwaardige ultrasone homogenisatoren uw continu geroerde tankreactor (CSTR) kunnen verbeteren!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: