Reaktory chemiczne wspomagane sonikacją – typy, konstrukcje i mechanizmy

Reaktory chemiczne stanowią podstawę chemii przemysłowej, syntezy materiałów, produkcji chemikaliów wysokowartościowych, produkcji farmaceutycznej i procesów ochrony środowiska. W miarę jak przemysł poszukuje szybszych, czystszych i bardziej energooszczędnych procesów, sonikacja, znana również jako obróbka ultradźwiękowa, staje się coraz istotniejszą metodą intensyfikacji pracy reaktorów. Technologia reaktorów ultradźwiękowych zmienia sposób prowadzenia procesów chemicznych poprzez poprawę mieszania, przenoszenia masy, kinetyki reakcji i katalizy heterogenicznej w układach reaktorów okresowych i ciągłych.

Jak sonikacja usprawnia pracę reaktorów chemicznych

Wprowadzając ultradźwięki o dużej mocy do reaktora chemicznego, inżynierowie mogą wywołać mieszanie przez przepływ oscylacyjny wzbudzany ultradźwiękami oraz kawitację akustyczną wewnątrz medium reakcyjnego. Mechanizmy te poprawiają kontakt między reagentami, przyspieszają przenoszenie masy i mogą zwiększać szybkość reakcji, selektywność oraz wydajność. Sonikacja jest szczególnie skuteczna w układach ciało stałe–ciecz, takich jak kataliza heterogeniczna, oraz w układach ciecz–ciecz, takich jak emulgowanie, ekstrakcja i reakcje dwufazowe. Stosuje się ją rzadziej w mieszaninach gaz–ciecz, ponieważ w cieczach o dużej zawartości gazu kawitacja akustyczna jest generowana mniej efektywnie.
W nowoczesnych konstrukcjach reaktorów sonochemicznych płyny są mieszane przez oscylacje ultradźwiękowe i kawitację, zazwyczaj przy amplitudach w zakresie od 10 do 200 µm. Umożliwia to uzyskanie silnych efektów mieszania w skali mikroskopowej, które trudno osiągnąć wyłącznie za pomocą konwencjonalnego mieszania mechanicznego.

Dlaczego sonikacja intensyfikuje pracę reaktorów chemicznych

Znaczenie przemysłowe sonikacji wynika z jej zdolności do oddziaływania na chemiczne i fizyczne zjawiska transportu w mikro- i mezoskali. W przeciwieństwie do konwencjonalnego mieszania ultradźwięki nie tylko wprawiają w ruch całą objętość cieczy. Generują fale ciśnienia, ruch oscylacyjny, pęcherzyki kawitacyjne i zlokalizowane strefy o wysokiej energii.
Powstawanie, wzrost i zapadanie się pęcherzyków kawitacji akustycznej tworzą mikrośrodowiska o intensywnych oddziaływaniach. Zjawiska te mogą powodować:

• duże lokalne siły ścinające
• mikrostrumienie w pobliżu powierzchni ciał stałych
• fale uderzeniowe
• szybkie mikromieszanie
• lepsze dyspergowanie cząstek
• lepszy kontakt międzyfazowy
• przyspieszone przenoszenie masy i ciepła
• efekty czyszczenia powierzchni i aktywacji katalizatora

Zjawiska te sprawiają, że sonikacja jest bardzo cenną metodą intensyfikacji procesów, szczególnie gdy reakcje są ograniczane przez dyfuzję, słaby kontakt między fazami, zanieczyszczenie katalizatora osadami lub niewystarczające mieszanie.

Sonikacja w reaktorach okresowych

Reaktory okresowe są szeroko stosowane w laboratoriach, instalacjach pilotażowych i produkcji chemikaliów specjalistycznych. Zapewniają elastyczność, są łatwe w obsłudze i nadają się do badań przesiewowych reakcji, syntezy w małych objętościach oraz wytwarzania produktów o wysokiej wartości.
Zastosowanie sonikacji w reaktorach okresowych może znacząco poprawić mieszanie i jednorodność przebiegu reakcji. Sonotrody, komory przepływowe lub przetworniki zamontowane na zewnątrz mogą wprowadzać energię akustyczną bezpośrednio do medium reakcyjnego.

W układach okresowych sonikacja jest szczególnie przydatna w następujących zastosowaniach:

1. kataliza heterogeniczna
2. synteza nanocząstek
3. kontrola krystalizacji
4. emulgowanie
5. ekstrakcja
6. polimeryzacja
7. rozpuszczanie i dyspergowanie ciał stałych

W reakcjach ciało stałe–ciecz ultradźwięki mogą zapobiegać aglomeracji cząstek i poprawiać dostęp do powierzchni katalitycznych lub reaktywnych. W układach ciecz–ciecz sonikacja może tworzyć drobne emulsje i zwiększać powierzchnię międzyfazową między niemieszającymi się fazami, co często prowadzi do wzrostu szybkości reakcji.

 

W tym filmie homogenizator ultradźwiękowy Hielscher UP200St o mocy 200 watów z sonotrodą 7mm jest zamontowany w standardowym szklanym złączu na dnie szklanego reaktora. Montaż jest możliwy w poziomie, w pionie lub w dowolnym innym kierunku. W jednym zbiorniku reaktora można zamontować wiele sond ultradźwiękowych – na przykład na różnych wysokościach. Często preferowany jest montaż z boku lub od dołu, ponieważ lepiej sprawdza się przy zmiennym poziomie cieczy. Mieszanie ultradźwiękowe można łączyć z konwencjonalnymi mieszadłami górnymi.

 

Reaktory przepływowe do ciągłej obróbki sonochemicznej

Reaktory przepływowe należą do najważniejszych konstrukcji stosowanych w sonikacji przemysłowej. Zamiast obróbki stałej objętości cieczy mieszanina reakcyjna w sposób ciągły przepływa przez komorę reaktora ultradźwiękowego.
Konstrukcja ta jest bardzo atrakcyjna z punktu widzenia zwiększania skali procesu, ponieważ umożliwia inżynierom dokładniejsze kontrolowanie czasu przebywania, natężenia przepływu, temperatury, ciśnienia i dopływu energii ultradźwiękowej. Przepływowe reaktory sonochemiczne są często stosowane tam, gdzie wymagana jest stała jakość produktu i praca ciągła.

Główne zalety reaktorów przepływowych z sonikacją obejmują:

• możliwość ciągłej produkcji
• lepszą odtwarzalność procesu
• lepszą kontrolę temperatury
• kontrolowany rozkład czasu przebywania
• łatwiejszą integrację z przemysłowymi liniami procesowymi
• skalowalną architekturę reaktora

W tych układach mieszanie przez przepływ oscylacyjny wzbudzany ultradźwiękami może poprawiać mieszanie promieniowe i osiowe, zmniejszać gradienty stężenia i poprawiać oddziaływanie między reagentami. Jest to szczególnie cenne w procesach, w których efektywność reakcji zależy od szybkiego kontaktu między fazami lub szybkiego dyspergowania.

 

W tym filmie przedstawiamy układ ultradźwiękowy o mocy 2 kilowatów do pracy przepływowej, umieszczony w szafie z przedmuchem. Hielscher dostarcza urządzenia ultradźwiękowe do niemal wszystkich gałęzi przemysłu, w tym chemicznego, farmaceutycznego i kosmetycznego, a także do procesów petrochemicznych oraz ekstrakcji z użyciem rozpuszczalników. Ta szafa ze stali nierdzewnej z możliwością przedmuchu jest przeznaczona do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. W tym celu klient może przedmuchiwać szczelną szafę azotem lub świeżym powietrzem, aby zapobiec przedostawaniu się do jej wnętrza łatwopalnych gazów lub par.

 

Wkład MultiPhaseCavitator do ultradźwiękowej komory przepływowej

MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 to specjalistyczny wkład do reaktorów Hielscher z ultradźwiękową komorą przepływową, zaprojektowany do intensyfikacji procesów ciecz/ciecz i ciecz/gaz bezpośrednio w strefie kawitacji ultradźwiękowej. Poprzez wtryskiwanie drugiej fazy ciekłej lub fazy gazowej przez 48 cienkich kaniul do głównego strumienia cieczy MultiPhaseCavitator tworzy bardzo małe krople lub pęcherzyki gazu o dużej właściwej powierzchni międzyfazowej. Dzięki temu jest szczególnie efektywny w emulgowaniu ultradźwiękowym, w którym niemieszające się fazy są dyspergowane do postaci drobnych emulsji, oraz w katalitycznych reakcjach gazowych, w których wtryskiwana faza gazowa jest szybko dyspergowana i doprowadzana do ścisłego kontaktu z fazą ciekłą, rozpuszczonymi reagentami lub zawieszonymi katalizatorami. Powstające ścinanie kawitacyjne, mikromieszanie i zwiększone przenoszenie masy mogą poprawiać kinetykę reakcji, kontakt na granicy faz i efektywność procesu podczas ciągłej lub okresowej pracy przepływowej.

Dowiedz się więcej o MultiPhaseCavitator!

Mechanizmy ultradźwiękowej intensyfikacji pracy reaktorów

Zalety sonikacji w reaktorach chemicznych opierają się na kilku wzajemnie oddziałujących mechanizmach.

• Kawitacja akustyczna jest najważniejszym mechanizmem. Obejmuje powstawanie, wzrost i zapadanie się mikroskopijnych pęcherzyków w cieczy poddanej działaniu ultradźwięków o wysokim natężeniu. Zapadanie się pęcherzyków powoduje lokalne uwalnianie energii i powstawanie silnych sił mechanicznych.
• Strumieniowanie akustyczne wytwarza ustalony ruch płynu wywołany falami ultradźwiękowymi. Poprawia to mieszanie i transport w strefach, w których mieszanie mechaniczne może być słabe.
• Mieszanie przez przepływ oscylacyjny zachodzi wtedy, gdy drgania ultradźwiękowe powodują szybki ruch cieczy tam i z powrotem. W układach reaktorów amplitudy wynoszące około 10 do 200 µm mogą zapewniać bardzo skuteczne mieszanie i lepsze przenoszenie masy.
• Mikrostrumienie i fale uderzeniowe powstają w pobliżu zapadających się pęcherzyków kawitacyjnych, szczególnie blisko powierzchni ciał stałych. Efekty te mogą czyścić powierzchnie katalizatora, naruszać warstwy graniczne i poprawiać dostęp cieczy do miejsc aktywnych.
• Zwiększanie powierzchni międzyfazowej jest szczególnie ważne w układach ciecz–ciecz. Ultradźwięki mogą tworzyć drobne krople i stabilne dyspersje, zwiększając powierzchnię dostępną dla reakcji lub przenoszenia masy.

Łącznie mechanizmy te sprawiają, że sonikacja jest skutecznym narzędziem intensyfikacji pracy reaktorów chemicznych.

 

Intensywna sonikacja wytwarza w wodzie pęcherzyki kawitacyjne. Ich późniejsze zapadanie się generuje w cieczy ekstremalne mechaniczne siły ścinające. Efekt ten rozbija komórki, np. podczas ekstrakcji surowców roślinnych, lub rozdrabnia krople oleju w wodzie do bardzo małych rozmiarów, powodując emulgowanie. Dzięki kawitacji homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher są bardzo skutecznym narzędziem do dyspergowania, homogenizacji, emulgowania i ekstrakcji. Hielscher Ultrasonics produkuje sondy ultradźwiękowe o mocy od 50 watów do 16000 watów, przeznaczone do procesów sonikacji w laboratorium i w produkcji na pełną skalę.

 

Przemysłowe znaczenie projektowania reaktorów sonochemicznych

Przemysłowe znaczenie reaktorów z sonikacją wykracza poza szybsze mieszanie. Sonikacja umożliwia modyfikowanie środowiska reakcji w skalach, do których konwencjonalne urządzenia nie mają łatwego dostępu.
W inżynierii chemicznej wiele ograniczeń reaktorów wynika ze zjawisk transportu, a nie z samoistnej szybkości reakcji. Reagenty mogą nie docierać do miejsc katalitycznych wystarczająco szybko. Niemieszające się ciecze mogą mieć niewystarczającą powierzchnię kontaktu. Ciała stałe mogą ulegać aglomeracji. Membrany mogą zanieczyszczać się osadami. Powierzchnie katalizatora mogą ulegać zablokowaniu.
Sonikacja przeciwdziała tym ograniczeniom poprzez bezpośrednią poprawę warunków fizycznych wewnątrz reaktora. Dzięki temu ma znaczenie dla kilku priorytetów badawczych i przemysłowych:

• bardziej ekologiczne procesy chemiczne
• mniejsze zapotrzebowanie na energię i rozpuszczalniki
• lepsza efektywność katalizatora
• wyższa selektywność reakcji
• szybszy rozwój procesów
• produkcja ciągła
• zintensyfikowane modułowe układy reaktorów
• synteza zaawansowanych materiałów
• zrównoważona konwersja biomasy i strumieni odpadów

Badaczom sonikacja oferuje kontrolowaną metodę badania zależności między dopływem energii akustycznej, zachowaniem kawitacji, usprawnieniem transportu i efektywnością procesów chemicznych. Przemysłowi oferuje praktyczną drogę do kompaktowych, efektywnych i skalowalnych układów reaktorów.

 

 

Zalety sonikacji w reaktorach chemicznych

Uwzględnienie ultradźwięków w konstrukcji reaktora zapewnia szereg korzyści operacyjnych i naukowych:

• większą szybkość reakcji dzięki lepszemu przenoszeniu masy
• lepsze mieszanie w układach wielofazowych
• lepsze dyspergowanie ciał stałych i kropli
• lepsze wykorzystanie katalizatora
• mniejsze ograniczenia dyfuzyjne
• czystsze powierzchnie katalizatora i membran
• lepszą odtwarzalność procesu w układach przepływowych
• potencjalne obniżenie temperatury, ciśnienia lub skrócenie czasu reakcji
• możliwość pracy okresowej i ciągłej
• duże znaczenie dla katalizy heterogenicznej i reakcji dwufazowych

Korzyści te sprawiają, że technologia reaktorów ultradźwiękowych jest szczególnie atrakcyjna w obszarze chemikaliów wysokowartościowych, chemikaliów specjalistycznych, katalizy, nanomateriałów, zielonej chemii i intensyfikacji procesów.

Zintensyfikuj pracę swojego reaktora chemicznego dzięki sonikatorom Hielscher!

Sonikatory Hielscher dobrze nadają się do integracji z reaktorami chemicznymi dostosowanej do indywidualnych potrzeb, ponieważ są dostępne jako wytrzymałe układy ultradźwiękowe o dużej mocy z sonotrodami, komorami przepływowymi i wkładami do reaktorów, które można dostosować do zastosowania, oraz akcesoriami przeznaczonymi do konkretnych procesów. W zależności od konfiguracji reakcji procesory ultradźwiękowe Hielscher można instalować w reaktorach okresowych, przepływowych reaktorach zbiornikowych z ciągłym mieszaniem, liniowych reaktorach przepływowych, pętlach recyrkulacyjnych, układach ciśnieniowych oraz instalacjach pilotażowych lub produkcyjnych. Ta elastyczność umożliwia stosowanie ultradźwięków dokładnie tam, gdzie kawitacja jest najskuteczniejsza: na granicy ciecz–ciało stałe, ciecz–ciecz lub ciecz–gaz. Hielscher Ultrasonics oferuje również różne typy ultradźwiękowych reaktorów okresowych i liniowych, umożliwiających kontrolowaną obróbkę sonochemiczną, emulgowanie, dyspergowanie, aktywację katalizatora, czyszczenie powierzchni, intensyfikację przenoszenia masy i przyspieszanie reakcji. Dzięki precyzyjnej kontroli amplitudy, dopływu mocy, temperatury, ciśnienia, natężenia przepływu i czasu przebywania sonikatory Hielscher można dostosować do szczególnych wymagań badań laboratoryjnych, rozwoju procesów, zwiększania skali i przemysłowej produkcji chemicznej.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającym środowiskiem pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyróżniające się najnowocześniejszą technologią i przyjazną obsługą. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

---

---

 

Literatura / źródła

• Yu, Hang Gao, Jing; Zhong, Qili; Guo, Yahui; Xie, Yunfei; Yao, Weirong; Zhou, Weibiao (2018): Acoustic pressure and temperature distribution in a novel continuous ultrasonic tank reactor: a simulation study. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2018.
• Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
• M. Ajmal, S. Rusli, G. Fieg (2016): Modeling and experimental validation of hydrodynamics in an ultrasonic batch reactor. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 28, 2016. 218-229.
• L. Castrillón, E. Marañón, Y. Fernández-Nava, P. Ormaechea, G. Quiroga (2013): Thermophilic co-digestion of cattle manure and food waste supplemented with crude glycerin in induced bed reactor (IBR). Bioresource Technology, Volume 136, 2013. 73-77.