Continu geroerde tankreactoren met ultrasone agitatie

Continu geroerde tankreactoren (CSTR) worden op grote schaal toegepast voor uiteenlopende chemische reacties, waaronder katalyse, emulsiechemie, polymerisatie, synthese, extractie en kristallisatie. Trage reactiekinetiek is een veelvoorkomend probleem in CSTR, dat eenvoudig kan worden verholpen door toepassing van sonicatie met hoogvermogenultrasoon geluid. De intensieve menging, agitatie en sonochemische effecten van hoogvermogenultrasoon geluid versnellen de reactiekinetiek en verbeteren de omzettingsgraad aanzienlijk. Sonicatoren kunnen eenvoudig worden geïntegreerd in CSTR van elk volume.

Waarom hoogvermogenultrasoon geluid toepassen in een continu geroerde tankreactor?

Een continu geroerde tankreactor (CSTR, of eenvoudigweg geroerde tankreactor (STR)) lijkt wat zijn belangrijkste kenmerken betreft sterk op een batchreactor. Het belangrijkste verschil is dat bij een continu geroerde tankreactor (CSTR) het materiaal in een continue stroom naar de reactor moet worden toegevoerd en eruit moet worden afgevoerd. De toevoer naar de reactor kan plaatsvinden door stroming onder invloed van de zwaartekracht of door gedwongen circulatie met behulp van een pomp. De CSTR wordt soms een teruggemengde doorstroomreactor (BMR) genoemd.
CSTR worden doorgaans gebruikt wanneer agitatie van twee of meer vloeistoffen vereist is. CSTR kunnen als afzonderlijke reactor worden gebruikt of in een reeks configuraties worden geïnstalleerd voor stromen met verschillende concentraties en verschillende reactiestappen. Naast het gebruik van één tankreactor worden vaak meerdere tanks in serie (achter elkaar) of een cascadeopstelling gebruikt.
Waarom sonicatie? Het is algemeen bekend dat ultrasone menging en agitatie, evenals de sonochemische effecten van hoogvermogenultrasoon geluid, bijdragen aan de efficiëntie van chemische reacties. De verbeterde menging en verkleining van de deeltjesgrootte door ultrasone trillingen en cavitatie zorgen voor een aanzienlijk versnelde kinetiek en een verhoogde omzettingsgraad. Sonochemische effecten kunnen de energie leveren die nodig is om chemische reacties te initiëren, reactieroutes te veranderen en hogere opbrengsten te verkrijgen door een vollediger verlopende reactie.

Ultrasoon geïntensiveerde CSTR kunnen worden gebruikt voor toepassingen zoals:

• Heterogene vloeistof-vloeistofreacties
• Heterogene reacties tussen vaste stoffen en vloeistoffen
• Homogene reacties in de vloeistoffase
• Heterogene gas-vloeistofreacties
• Heterogene reacties tussen gassen, vaste stoffen en vloeistoffen

Sonicatie als systeem voor snelle chemische synthese

Snelle synthesechemie is een nieuwe reactietechniek die wordt gebruikt om chemische synthese te initiëren en te intensiveren. In vergelijking met traditionele reactieroutes, die meerdere uren of dagen onder reflux vereisen, kunnen ultrasoon ondersteunde synthesereactoren de reactieduur tot enkele minuten verkorten, wat resulteert in een aanzienlijk versnelde synthesereactie. Ultrasone intensivering van synthese is gebaseerd op het werkingsprincipe van akoestische cavitatie en de bijbehorende krachten, waaronder lokaal begrensde oververhitting. Lees in de volgende paragraaf meer over ultrasoon geluid, akoestische cavitatie en sonochemie.

Ultrasone cavitatie en de sonochemische effecten ervan

Ultrasone (of akoestische) cavitatie treedt op wanneer hoogvermogenultrasoon geluid in vloeistoffen of slurries wordt gekoppeld. Cavitatie is de overgang van een vloeistoffase naar een dampfase, die optreedt door een drukdaling tot het niveau van de dampdruk van de vloeistof.
Ultrasone cavitatie genereert zeer hoge afschuifkrachten en vloeistofstralen met snelheden tot 1000m/s. Deze vloeistofstralen versnellen deeltjes en veroorzaken botsingen tussen deeltjes, waardoor de deeltjesgrootte van vaste stoffen en druppels afneemt. Daarnaast worden – lokaal binnen en vlak bij de imploderende cavitatiebel – extreem hoge drukken in de orde van honderden atmosferen en temperaturen in de orde van duizenden graden Kelvin gegenereerd.
Hoewel sonicatie een zuiver mechanische verwerkingsmethode is, kan deze een lokaal begrensde extreme temperatuurstijging veroorzaken. Dit komt door de intense krachten die binnen en vlak bij de instortende cavitatiebellen worden gegenereerd, waar gemakkelijk temperaturen van enkele duizenden graden Celsius kunnen worden bereikt. In de bulkoplossing is de temperatuurstijging door de implosie van één bel vrijwel verwaarloosbaar, maar de warmteafgifte van talrijke cavitatiebellen, zoals waargenomen in cavitatiehotspots (die worden gegenereerd door sonicatie met hoogvermogenultrasoon geluid), kan uiteindelijk een meetbare stijging van de bulktemperatuur veroorzaken. Het voordeel van sonicatie en sonochemie ligt in de beheersbare temperatuureffecten tijdens de verwerking: temperatuurregeling van de bulkoplossing kan worden bereikt door tanks met koelmantels en gepulseerde sonicatie te gebruiken. De geavanceerde sonicatoren van Hielscher Ultrasonics kunnen het ultrasone geluid onderbreken wanneer een bovenste temperatuurgrens wordt bereikt en de sonicatie hervatten zodra de onderste waarde van een ingestelde ∆T wordt bereikt. Dit is vooral belangrijk wanneer warmtegevoelige reactanten worden gebruikt.

Sonochemie verbetert de reactiekinetiek

Omdat sonicatie intense trillingen en cavitatie genereert, wordt de chemische kinetiek beïnvloed. De kinetiek van een chemisch systeem hangt nauw samen met de uitzetting en implosie van cavitatiebellen en beïnvloedt daarbij de dynamiek van de beweging van bellen aanzienlijk. Opgeloste gassen in de chemische reactieoplossing beïnvloeden de kenmerken van een sonochemische reactie via zowel thermische als chemische effecten. De thermische effecten beïnvloeden de piektemperaturen die tijdens het instorten van bellen in de cavitatieholte worden bereikt; de chemische effecten veranderen de effecten van gassen die rechtstreeks bij een reactie betrokken zijn.
Heterogene en homogene reacties met een trage reactiekinetiek, waaronder Suzuki-koppelingsreacties, precipitatie, kristallisatie en emulsiechemie, zijn bij uitstek geschikt om door hoogvermogenultrasoon geluid en de sonochemische effecten ervan te worden geïnitieerd en bevorderd.
Bij de synthese van ferulazuur leverde laagfrequente (20kHz) sonicatie met een vermogen van 180 W bijvoorbeeld een ferulazuuropbrengst van 94% op bij 60°C in 3 h. Deze resultaten van Truong et al. (2018) tonen aan dat het gebruik van een lage frequentie (sonotrode van het hoorntype en ultrasone bestraling met hoog vermogen) de omzettingsgraad aanzienlijk verbeterde en opbrengsten van meer dan 90% opleverde.

Ultrasoon geïntensiveerde emulsiechemie

Heterogene reacties zoals emulsiechemie profiteren aanzienlijk van de toepassing van hoogvermogenultrasoon geluid. Ultrasone cavitatie verkleinde de druppels van elke fase en verdeelde deze homogeen in de andere fase, waardoor een submicronemulsie of nano-emulsie ontstond. Omdat de druppels op nanoschaal een drastisch vergroot oppervlak bieden voor interactie met andere druppels, worden de massaoverdracht en reactiesnelheid aanzienlijk verbeterd. Onder sonicatie vertonen reacties die bekendstaan om hun doorgaans trage kinetiek sterk verbeterde omzettingsgraden, hogere opbrengsten, minder bijproducten of afval en een betere algehele efficiëntie. Ultrasoon verbeterde emulsiechemie wordt vaak toegepast bij emulsiepolymerisatie, bijvoorbeeld voor de productie van polymeermengsels, watergedragen lijmen en speciale polymeren.

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

Wanneer u een chemische reactor kiest voor een chemisch proces, zijn er veel factoren die het optimale ontwerp van de chemische reactor beïnvloeden. Als uw chemische proces heterogene chemische reacties met meerdere fasen omvat en een trage reactiekinetiek heeft, zijn reactoragitatie en procesactivering essentiële factoren voor een succesvolle chemische omzetting en voor economisch gunstige (bedrijfs)kosten van de chemische reactor.
Sonicatie verbetert de reactiekinetiek van chemische vloeistof-vloeistofreacties en reacties tussen vloeistoffen en vaste stoffen in chemische batchreactoren en inline reactievaten aanzienlijk. Daarom kan de integratie van ultrasone sondes in een chemische reactor de reactorkosten verlagen en de algehele efficiëntie en de kwaliteit van het eindproduct verbeteren.
Bij het ontwerpen van chemische reactoren ontbreekt zeer vaak kennis over ultrasoon ondersteunde procesverbetering. Zonder diepgaande kennis van de invloed van hoogvermogenultrasoon geluid, ultrasone agitatie, akoestische cavitatie en sonochemische effecten op de prestaties van chemische reactoren kunnen de analyse van chemische reactoren en conventionele ontwerpprincipes slechts inferieure resultaten opleveren. Hieronder krijgt u een overzicht van de fundamentele voordelen van ultrasone technologie voor het ontwerp en de optimalisatie van chemische reactoren.

De voordelen van een ultrasoon geïntensiveerde continu geroerde tankreactor (CSTR)

• • Ultrasoon verbeterde reactoren voor laboratorium en productie:
    Eenvoudige schaalbaarheid: Ultrasone processoren zijn gemakkelijk verkrijgbaar voor laboratoriumschaal, pilotschaal en grootschalige productie
    Reproduceerbare / herhaalbare resultaten dankzij nauwkeurig regelbare ultrasone parameters
    Capaciteit en reactiesnelheid: ultrasoon geïntensiveerde reacties verlopen sneller en zijn daardoor economischer (lagere kosten)
  • Sonochemie is toepasbaar voor zowel algemene als speciale doeleinden

– aanpasbaarheid en veelzijdigheid, bijvoorbeeld flexibele installatie- en opstellingsmogelijkheden en interdisciplinair gebruik

• Sonicatie kan worden gebruikt in explosieve omgevingen
  – spoelen (bijvoorbeeld een stikstofdeken)
  – geen open oppervlak
• Eenvoudige reiniging: zelfreiniging (CIP – reiniging ter plaatse)
• Kies de constructiematerialen van uw voorkeur
  – glas, roestvrij staal, titanium
  – geen roterende afdichtingen
  – ruime keuze aan afdichtingsmaterialen
• Sonicatoren kunnen worden gebruikt binnen een breed temperatuurbereik
• Sonicatoren kunnen worden gebruikt binnen een breed drukbereik
• Synergistisch effect met andere technologieën, bijvoorbeeld elektrochemie (sono-elektrochemie), katalyse (sonokatalyse), kristallisatie (sonokristallisatie) enz.
• Sonicatie is ideaal voor het verbeteren van bioreactoren, bijvoorbeeld bij fermentatie.
• Oplossing / oplossen: bij oplossingsprocessen gaan deeltjes van de ene fase over naar de andere, bijvoorbeeld wanneer vaste deeltjes oplossen in een vloeistof. Het is gebleken dat de mate van agitatie de snelheid van het proces beïnvloedt. Veel kleine kristallen lossen onder ultrasone cavitatie veel sneller op dan één kristal in conventioneel geroerde batchreactoren. Ook hier ligt de reden voor de verschillende snelheden in de verschillende massaoverdrachtssnelheden aan de deeltjesoppervlakken. Sonicatie wordt bijvoorbeeld met succes toegepast om oververzadigde oplossingen te creëren, onder meer bij kristallisatieprocessen (sonokristallisatie).
• Ultrasoon bevorderde chemische extractie:
  – Vloeistof-vaste stof, bijvoorbeeld botanische extractie, chemische extractie
  – Vloeistof-vloeistof: wanneer ultrasoon geluid wordt toegepast op een extractiesysteem met twee vloeistoffen, ontstaat een emulsie van een van de fasen in de andere. Deze emulsievorming leidt tot grotere grensvlakken tussen de twee niet-mengbare fasen, wat resulteert in een verhoogde massaoverdrachtsflux tussen de fasen.

Hoe verbetert sonicatie chemische reacties in geroerde tankreactoren?

• Groter contactoppervlak: Bij reacties tussen reactanten in heterogene fasen kunnen alleen de deeltjes die aan het grensvlak met elkaar botsen reageren. Hoe groter het grensvlak, hoe meer botsingen er kunnen plaatsvinden. Wanneer een vloeibaar of vast gedeelte van een stof wordt opgesplitst in kleinere druppels of vaste deeltjes die in een vloeistof als continue fase zijn gesuspendeerd, neemt het oppervlak van deze stof toe. Bovendien neemt door de verkleining het aantal deeltjes toe en neemt daardoor de gemiddelde afstand tussen deze deeltjes af. Dit verbetert het contact tussen de continue fase en de gedispergeerde fase. Daarom neemt de reactiesnelheid toe met de mate van fragmentatie van de gedispergeerde fase. Veel chemische reacties in dispersies of emulsies vertonen een drastische verbetering van de reactiesnelheid als gevolg van ultrasone verkleining van de deeltjesgrootte.
• Katalyse (activeringsenergie): Katalysatoren zijn van groot belang bij veel chemische reacties, bij ontwikkeling in het laboratorium en bij industriële productie. Katalysatoren bevinden zich vaak in een vaste of vloeibare fase en zijn niet mengbaar met één reactant of met alle reactanten. Daarom is katalyse 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 tussen deeltjes leidt alleen tot een chemische reactie, dat wil zeggen een hergroepering van atomen, als de deeltjes met voldoende kinetische energie botsen. Sonicatie is een zeer efficiënt middel om de kinetiek in chemische reactoren te verhogen. Bij een heterogeen katalyseproces kan de toevoeging van ultrasone technologie aan het ontwerp van een chemische reactor de behoefte aan een katalysator verminderen. Dit kan resulteren in het gebruik van minder katalysator of van inferieure, minder edele katalysatoren.
• Hogere contactfrequentie / verbeterde massaoverdracht: Ultrasone menging en agitatie vormen een zeer doeltreffende methode om uiterst kleine druppels en deeltjes (dat wil zeggen submicrondeeltjes en nanodeeltjes) te genereren, die een groter actief oppervlak voor reacties bieden. Door de extra intense agitatie en microbeweging die door hoogvermogenultrasoon geluid worden veroorzaakt, neemt de frequentie van contact tussen deeltjes drastisch toe, wat resulteert in een aanzienlijk verbeterde omzettingsgraad.
• Gecomprimeerd plasma: Bij veel reacties zorgt een stijging van de reactortemperatuur met 10 Kelvin ervoor dat de reactiesnelheid ongeveer verdubbelt. Ultrasone cavitatie produceert plaatselijk zeer reactieve hotspots tot 5000K in de vloeistof, zonder het totale vloeistofvolume in de chemische reactor aanzienlijk te verwarmen.
• Thermische energie: Alle ultrasone energie die u aan het ontwerp van een chemische reactor toevoegt, wordt uiteindelijk omgezet in thermische energie. Daarom kunt u de energie hergebruiken voor het chemische proces. In plaats van thermische energie toe te voeren via verwarmingselementen of stoom, brengt sonicatie door middel van hoogfrequente trillingen mechanische energie in die het proces activeert. In de chemische reactor veroorzaakt dit ultrasone cavitatie die het chemische proces op meerdere niveaus activeert. Uiteindelijk leidt de immense ultrasone afschuiving van de chemicaliën tot omzetting in thermische energie, dat wil zeggen warmte. U kunt batchreactoren met een koelmantel of inline reactoren gebruiken voor koeling om een constante procestemperatuur voor uw chemische reactie te handhaven.

Sonicatoren met hoge prestaties voor verbeterde chemische reacties in CSTR

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert ultrasone homogenisatoren en dispergeerapparaten met hoge prestaties voor integratie in continu geroerde tankreactoren (CSTR). Sonicatoren van Hielscher worden wereldwijd gebruikt om chemische reacties te bevorderen, te intensiveren, te versnellen en te verbeteren.
De ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics zijn verkrijgbaar in elk formaat, van kleine laboratoriumapparaten tot grote industriële processoren voor toepassingen in doorstroomchemie. Nauwkeurige instelling van de ultrasone amplitude (de belangrijkste parameter) maakt het mogelijk sonicatoren van Hielscher bij lage tot zeer hoge amplitudes te gebruiken en de amplitude exact af te stemmen op de vereiste ultrasone procesomstandigheden van het specifieke chemische reactiesysteem.
De ultrasone generator van Hielscher beschikt over slimme software met automatische gegevensregistratie. Alle belangrijke verwerkingsparameters, 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 sonicatiecycli beoordelen en het resultaat evalueren.
Een andere gebruiksvriendelijke functie is de bediening op afstand van onze digitale ultrasone systemen via een browser. Via browserbediening op afstand kunt u uw ultrasone processor vanaf elke locatie starten, stoppen, instellen en bewaken.
Neem nu contact met ons op om meer te weten te komen over hoe onze ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties uw continu geroerde tankreactor (CSTR) kunnen verbeteren!
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: