Continu roerende tankreactoren, bewogen met ultrageluid

Continu geroerde tankreactoren (CSTR) worden op grote schaal toegepast voor diverse 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 power-ultrasoonatie. De intense menging, agitatie en de sonochemische effecten van power-ultrasound versnellen de reactiekinetiek en verbeteren de omzettingssnelheid aanzienlijk. Ultrasoonstralers kunnen gemakkelijk worden geïntegreerd in CSTR's van elk volume.

Waarom Power-Ultrasound toepassen op een continu geroerde tankreactor?

Ultrasonically intensified CSTR: Power-ultrasound prootes chemical reactions by intense agitation.Een continu geroerde tankreactor (CSTR, of kortweg stirred tank reactor (STR)) vertoont in zijn voornaamste kenmerken veel gelijkenis met een batchreactor. Het belangrijkste verschil is dat bij de continu geroerde tankreactor (CSTR) de toevoer van materiaal in een continue stroom in en uit de reactor moet plaatsvinden. De reactor kan worden gevoed door middel van zwaartekracht of geforceerde circulatie met behulp van een pomp. De CSTR wordt soms een teruggemengde stroomreactor (BMR) genoemd.
CSTR's worden algemeen gebruikt wanneer agitatie van twee of meer vloeistoffen is vereist. CSTR's kunnen worden gebruikt als één 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 de seriële installatie van verschillende tanks (de een na de ander) of de cascade-opstelling vaak gebruikt.
Waarom ultrasonatie? Het is bekend dat ultrasone menging en agitatie, alsmede de sonochemische effecten van ultrageluiden, bijdragen tot de efficiëntie van chemische reacties. De verbeterde menging en de deeltjesverkleining als gevolg van ultrasone trillingen en cavitatie zorgen voor een aanzienlijk versnelde kinetiek en een verhoogde 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 meer volledige reactie.

Ultrasoon geïntensiveerde CSTR kan worden gebruikt voor toepassingen zoals:

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

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


The ultrasonicator UP200St in a stirred vessel for emulsification of reactants

Continu geroerde tankreactor (CSTR) met ultrasoonapparaat UP200St voor procesintensivering

Ultrasoon als zeer snel synthetisch chemisch systeem

Snelle synthetische chemie is een nieuwe reactietechniek die wordt gebruikt om chemische synthesen op gang te brengen en te intensiveren. In vergelijking met traditionele reactietrajecten, waarvoor verscheidene uren of dagen onder reflux nodig zijn, kan de reactietijd in ultrasoon gestuurde synthesereactoren tot enkele minuten worden beperkt, wat resulteert in een aanzienlijk versnelde synthesereactie. Ultrasone syntheseversterking is gebaseerd op het werkingsprincipe van akoestische cavitatie en de daarmee gepaard gaande krachten, waaronder plaatselijk begrensde oververhitting. Meer informatie over ultrageluid, akoestische cavitatie en sonochemie vindt u in het volgende hoofdstuk.

Ultrasone cavitatie en zijn sonochemische effecten

Ultrasone (of akoestische) cavitatie treedt op wanneer ultrageluid wordt gekoppeld in vloeistoffen of slurries. Cavitatie is de overgang van een vloeistoffase naar een dampfase, die optreedt als gevolg van een drukdaling tot het niveau van de dampspanning van de vloeistof.
Ultrasone cavitatie creëert zeer hoge afschuifkrachten en vloeistofstralen tot 1000 m/s. 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 grootte van honderden atmosferen en temperaturen in de orde van duizenden graden Kelvin opgewekt.
Hoewel ultrasoonbehandeling een zuiver mechanische bewerkingsmethode is, kan zij een plaatselijk begrensde extreme temperatuurstijging veroorzaken. Dit is te wijten aan de intense krachten die binnen en in de nabijheid van de instortende cavitatiebellen worden opgewekt, waarbij gemakkelijk temperaturen van verscheidene duizenden graden Celsius kunnen worden bereikt. In de bulkoplossing is de temperatuurstijging ten gevolge van één enkele belimplosie bijna verwaarloosbaar, maar de warmtedissipatie van talrijke cavitatiebellen zoals waargenomen in cavitatie-hot-spots (zoals gegenereerd door sonicatie met ultrasoon geluid met hoog vermogen) kan uiteindelijk een meetbare temperatuurstijging in de bulktemperatuur veroorzaken. Het voordeel van ultrasoonbehandeling en sonochemie ligt in de controleerbare temperatuureffecten tijdens de verwerking: Temperatuurbeheersing van de bulkoplossing kan worden bereikt door gebruik te maken van tanks met koelmantels, alsmede van gepulseerde sonicatie. De geavanceerde ultrasooninstallaties van Hielscher Ultrasonics kunnen het ultrasoon geluid pauzeren wanneer een bovengrens voor de temperatuur is bereikt en doorgaan met de ultrasoonbehandeling zodra de onderwaarde van een ingestelde ∆T is bereikt. Dit is vooral belangrijk wanneer hittegevoelige reagentia worden gebruikt.

Sonochemie verbetert de reactiekinetiek

Ultasonically intendified Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR) are widely used in flow  chemistry. Ultrasonication improves amss transfer, accelerates slow reaction kinetics and promotes conversion rates and yields.Aangezien sonicatie intense trillingen en cavitatie genereert, wordt de chemische kinetica beïnvloed. De kinetica van een chemisch systeem hangt nauw samen met de uitzetting en implosie van de cavitatiebel, waardoor de dynamica van de belbeweging aanzienlijk wordt beïnvloed. 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 worden bereikt tijdens de ineenstorting van de luchtbel in de holte van de cavitatie; de chemische effecten wijzigen de effecten van de gassen die rechtstreeks bij de reactie betrokken zijn.
Heterogene en homogene reacties met langzame reactiekinetiek, waaronder Suzuki koppelingsreacties, precipitatie, kristallisatie en emulsiechemie zijn voorbestemd om te worden geïnitieerd en bevorderd door power-ultrasound en de sonochemische effecten daarvan.
Voor de synthese van ferulinezuur bijvoorbeeld gaf sonicatie met lage frequentie (20kHz) bij een vermogen van 180 W een ferulinezuuropbrengst van 94% bij 60°C in 3 uur. Deze resultaten van Truong et al. (2018) tonen aan dat het gebruik van lage frequentie (hoorntype en bestraling met hoog vermogen) de omzettingssnelheid aanzienlijk verbeterde waardoor opbrengsten van meer dan 90% werden verkregen.

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Continuously Stirred Tank Reactors (CSTR) can be significantly improved by the application of power ultrasound. Ultrasonic agitation and sonochemical effects accelerate slow reaction kinetics and promote chemical conversion rates.

Continu Roerende Tank Reactor (CSTR) met geïntegreerde ultrasooninrichting UIP2000hdT (2kW, 20kHz) voor een betere kinetiek en omzettingssnelheid.

Ultrasoon geïntensifieerde emulsiechemie

Heterogene reacties zoals emulsiechemie hebben veel baat bij de toepassing van ultrageluid met hoog vermogen. Ultrasone cavitatie vermindert en verdeelt de druppels van elke fase homogeen in elkaar waardoor een submicron of nano-emulsie ontstaat. Aangezien de nanodruppeltjes een drastisch vergroot oppervlak bieden voor interactie met andere druppeltjes, worden de massaoverdracht en de reactiesnelheid aanzienlijk verbeterd. Onder sonicatie vertonen reacties die bekend staan om hun typische trage kinetiek een drastisch verbeterde omzettingssnelheid, hogere opbrengst, minder bijproducten of afval en een betere algemene efficiëntie. Ultrasoon verbeterde emulsiechemie wordt vaak toegepast voor emulsiepolymerisatie, b.v. om polymeermengsels, kleefstoffen op waterbasis en speciale polymeren te produceren.

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

Bij de keuze van een chemische reactor voor een chemisch proces zijn er vele 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 omzetting en voor de economische (operationele) kosten van de chemische reactor.
Ultrasoonbehandeling verbetert de reactiekinetiek van vloeistof-vloeistof en vloeistof-vaste chemische reacties 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.
In de chemische reactortechniek ontbreekt het vaak aan kennis over procesverbetering met behulp van ultrasone trillingen. 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 vindt u een overzicht van de fundamentele voordelen van ultrasone trillingen voor het ontwerp en de optimalisering van chemische reactoren.

De voordelen van ultrasoon geïntensiveerde continu geroerde tankreactor (CSTR)

  • Ultrasoon verbeterde reactoren voor labo en productie:
    Gemakkelijke schaalbaarheid: Ultrasone processoren zijn gemakkelijk verkrijgbaar voor laboformaat, piloot- en grootschalige productie
    Reproduceerbaar / herhaalbaar resultaten dankzij nauwkeurig regelbare ultrasone parameters
    Capaciteit en reactiesnelheidultrasoon geïntensiveerde reacties zijn sneller en daardoor economischer (lagere kosten)
  • Sonochemie is zowel voor algemene als voor speciale doeleinden toepasbaar
  • – aanpassingsvermogen & veelzijdigheid, bv. flexibele installatie- en opstellingsmogelijkheden en interdisciplinair gebruik

  • Ultrasoon onderzoek kan worden gebruikt in explosieve omgevingen
    – doorspoelen (b.v. stikstofdeken)
    – geen open oppervlak
  • Eenvoudige reiniging: zelfreinigend (CIP – clean-in-place)
  • Kies de bouwmaterialen van uw voorkeur
    – glas, roestvrij staal, titanium
    – geen roterende afdichtingen
    – ruime keuze aan afdichtingsmiddelen
  • Ultrasoontoestellen kunnen worden gebruikt in een breed temperatuurbereik
  • Ultrasoontoestellen kunnen worden gebruikt bij een groot drukbereik
  • Synergetisch effect met andere technologieën, bv. elektrochemie (sono-elektrochemie), katalyse (sono-katalyse), kristallisatie (sono-kristallisatie), enz.
  • Sonificatie is ideaal om bioreactoren, bv. fermentatie, te verbeteren.
  • Oplossen / Oplossen: Bij oplossingsprocessen gaan deeltjes van de ene fase over in de andere, b.v. wanneer vaste deeltjes oplossen in een vloeistof. Gebleken is dat de mate van agitatie van invloed is op de snelheid van het proces. Veel kleine kristallen lossen veel sneller op onder ultrasone cavitatie dan een in conventioneel geroerde batchreactoren. Ook hier ligt de reden voor de verschillende snelheden in de verschillende massaoverdrachtssnelheden aan de deeltjesoppervlakken. Zo wordt ultrasoonbehandeling met succes toegepast om oververzadigde oplossingen te creëren, b.v. in kristallisatieprocessen (sonokristallisatie).
  • Ultrasonisch-bevorderde chemische extractie:
    – Vloeistof/vaste stof, bv. botanische extractie, chemische extractie
    – Vloeistof-vloeistof: Wanneer ultrageluid wordt toegepast op een vloeistof-vloeistof extractiesysteem, ontstaat een emulsie van een van de fasen in de andere. Deze emulsievorming leidt tot grotere interfaciale gebieden tussen de twee niet-mengbare fasen, hetgeen resulteert in een verhoogde massatransflux tussen de fasen.

Hoe verbetert sonificatie de chemische reacties in geroerde tankreactoren?

  • Groter contactoppervlak: Bij reacties tussen reactanten in heterogene fasen kunnen alleen de deeltjes die op het grensvlak met elkaar in botsing komen, reageren. Hoe groter het grensvlak, hoe meer botsingen er kunnen plaatsvinden. Naarmate een vloeibaar of vast deel van een stof wordt opgebroken in kleinere druppeltjes of vaste deeltjes die in een continue fase vloeistof zweven, neemt de oppervlakte van deze stof toe. Bovendien neemt als gevolg van de verkleining het aantal deeltjes toe en neemt daardoor de gemiddelde afstand tussen deze deeltjes af. Dit verbetert de blootstelling van de continue fase aan de gedispergeerde fase. De reactiesnelheid neemt dan ook toe met de mate van fragmentatie van de dispersiefase. Veel chemische reacties in dispersies of emulsies vertonen een drastische verbetering van de reactiesnelheid als gevolg van ultrasone deeltjesgrootteverkleining.
  • Katalyse (activeringsenergie): Katalysatoren zijn van groot belang bij veel chemische reacties, in de ontwikkeling van laboratoria en in de industriële productie. Vaak zijn katalysatoren in vaste of vloeibare fase en niet mengbaar met één reactant of alle reactanten. Vandaar dat katalyse meestal een heterogene chemische reactie is. Bij de produktie 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, indien de deeltjes met voldoende kinetische energie tegen elkaar botsen. Ultrasoonbehandeling 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 (d.w.z. submicron- en nanodeeltjes) te genereren, die een groter actief oppervlak voor reacties bieden. Door de extra intense agitatie en microbeweging veroorzaakt door power-ultrasound, wordt de frequentie van het contact tussen de deeltjes drastisch verhoogd, wat resulteert in een aanzienlijk betere omzettingssnelheid.
  • Samengeperst plasma: Voor vele reacties veroorzaakt een verhoging van de reactortemperatuur met 10 Kelvin een ruwe verdubbeling van de reactiesnelheid. Ultrasone cavitatie veroorzaakt gelokaliseerde, zeer reactieve hotspots tot 5000 K in de vloeistof, zonder aanzienlijke verwarming van het totale vloeistofvolume in de chemische reactor.
  • Thermische energie: Alle ultrasone energie die u toevoegt aan een chemisch reactorontwerp, zal uiteindelijk worden omgezet in thermische energie. U kunt de energie dus hergebruiken voor het chemische proces. In plaats van een thermische energie-input door verwarmingselementen of stoom, introduceert ultrasone trillingen 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. Tenslotte resulteert de immense ultrasone afschuiving van de chemicaliën in de omzetting in thermische energie, d.w.z. warmte. U kunt jacketed batch reactoren of inline reactoren gebruiken voor koeling om een constante procestemperatuur te handhaven voor uw chemische reactie.

Ultrasone turbines met hoge prestaties voor betere chemische reacties in CSTR

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren en dispergeerapparaten voor de integratie in continu geroerde tankreactoren (CSTR). Hielscher ultrasoonapparaten worden wereldwijd gebruikt om chemische reacties te bevorderen, te intensiveren, te versnellen en te verbeteren.
Hielscher Ultrasonics’ Ultrasoonprocessoren zijn verkrijgbaar in elke grootte, van kleine laboratoriumapparaten tot grote industriële processoren voor flowchemietoepassingen. Nauwkeurige instelling van de ultrasone amplitude (de belangrijkste parameter) maakt het mogelijk Hielscher ultrasoonprocessoren te gebruiken bij lage tot zeer hoge amplitudes en de amplitude precies af te stemmen op de vereiste ultrasone procesomstandigheden van het specifieke chemische reactiesysteem.
Hielscher's ultrasoongenerator is voorzien van een slimme software met automatische dataprotocollering. Alle belangrijke verwerkingsparameters zoals ultrasoon 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 toegang te krijgen tot de automatisch geregistreerde procesgegevens, kunt u eerdere sonicatieruns herzien en het resultaat evalueren.
Een andere gebruiksvriendelijke functie is de browser-afstandsbediening van onze digitale ultrasoon systemen. Via browserbesturing op afstand kunt u uw ultrasoonprocessor overal vandaan starten, stoppen, instellen en controleren.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over onze ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties die uw continu geroerde tankreactor (CSTR) kunnen verbeteren!
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

batch Volume Stroomsnelheid Aanbevolen apparaten
1 tot 500 ml 10 tot 200 ml / min UP100H
10 tot 2000 ml 20 tot 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 tot 20L 0.2 tot 4L / min UIP2000hdT
10 tot 100L 2 tot 10 l / min UIP4000hdT
na 10 tot 100 l / min UIP16000
na grotere cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Vraag ons!

Vraag voor meer informatie

Gebruik het onderstaande formulier om aanvullende informatie aan te vragen over ultrasone processoren, toepassingen en prijs. Wij bespreken graag uw proces met u en bieden u een ultrasoon systeem aan dat aan uw eisen voldoet!









Let op onze Privacybeleid.


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.

Literatuur / Referenties



Feiten die de moeite waard zijn om te weten

Ultrasone agitatie in chemische reactoren levert betere resultaten op dan een conventionele continu geroerde tankreactor of een batchmixreactor. De ultrasone agitatie levert meer shear en beter reproduceerbare resultaten op dan jetroerreactoren, dankzij een betere menging en verwerking van de vloeistof in de reactortank of in de stroomreactor.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.