Reaktory ze zbiornikiem z ciągłym mieszaniem mieszane ultradźwiękami

Zbiornikowe reaktory z ciągłym mieszaniem (CSTR) są szeroko stosowane w różnych reakcjach chemicznych, w tym w katalizie, chemii emulsyjnej, polimeryzacji, syntezie, ekstrakcji i krystalizacji. Powolna kinetyka reakcji jest powszechnym problemem w CSTR, który może być łatwo przezwyciężony przez zastosowanie elektroultradźwięków. Intensywne mieszanie, agitacja i efekty sonochemiczne ultradźwięków przyspieszają kinetykę reakcji i znacznie poprawiają stopień konwersji. Ultradźwiękowce można łatwo zintegrować z CSTR o dowolnej objętości.

Dlaczego warto zastosować technologię Power-Ultrasound w reaktorze z ciągłym mieszaniem?

Ultrasonically intensified CSTR: Power-ultrasound prootes chemical reactions by intense agitation.Reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem (CSTR, lub po prostu reaktor zbiornikowy z mieszadłem (STR)) jest w swoich podstawowych cechach dość podobny do reaktora okresowego. Główna istotna różnica polega na tym, że w przypadku reaktora ze zbiornikiem z ciągłym mieszaniem (CSTR) materiał musi być podawany do reaktora i z powrotem w sposób ciągły. Podawanie materiału do reaktora może odbywać się poprzez przepływ grawitacyjny lub wymuszony przepływ cyrkulacyjny za pomocą pompy. CSTR jest czasami nazywany reaktorem z przepływem wstecznie mieszanym (BMR).
CSTR-y są powszechnie stosowane, gdy wymagane jest mieszanie dwóch lub więcej cieczy. CSTR-y mogą być używane jako pojedyncze reaktory lub mogą być instalowane jako szereg konfiguracji dla różnych strumieni stężenia i etapów reakcji. Oprócz reaktora z pojedynczym zbiornikiem, powszechnie stosuje się szeregową instalację różnych zbiorników (jeden za drugim) lub konfigurację kaskadową.
Dlaczego ultrasonografia? Wiadomo, że mieszanie i mieszanie ultradźwiękowe oraz efekty sonochemiczne ultradźwięków o dużej mocy przyczyniają się do zwiększenia wydajności reakcji chemicznych. Ulepszone mieszanie i redukcja wielkości cząstek dzięki wibracjom ultradźwiękowym i kawitacji zapewniają znacznie przyspieszoną kinetykę i zwiększony stopień konwersji. Efekty sonochemiczne mogą dostarczyć energii niezbędnej do zainicjowania reakcji chemicznych, zmiany szlaków chemicznych i uzyskania wyższej wydajności dzięki pełniejszej reakcji.

Ultradźwiękowo wzmocniony CSTR może być użyty do takich zastosowań jak:

  • Heterogeniczne reakcje ciecz-ciecz
  • Heterogeniczne reakcje ciało stałe-ciecz
  • Homogeniczne reakcje w fazie ciekłej
  • Heterogeniczne reakcje gaz-ciecz
  • Heterogeniczne reakcje gaz-ciało stałe-ciecz

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


The ultrasonicator UP200St in a stirred vessel for emulsification of reactants

Reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem (CSTR) z ultradźwiękowiec UP200St dla intensyfikacji procesów

Ultrasonikacja jako system szybkiej chemii syntetycznej

Szybka chemia syntetyczna jest nową techniką reakcyjną stosowaną do inicjowania i intensyfikacji syntezy chemicznej. W porównaniu do tradycyjnych ścieżek reakcji, które wymagają kilku godzin lub dni pod chłodnicą zwrotną, reaktory do syntezy wspomaganej ultradźwiękami mogą zminimalizować czas trwania reakcji do kilku minut, co skutkuje znacznym przyspieszeniem reakcji syntezy. Ultradźwiękowa intensyfikacja syntezy opiera się na zasadzie działania kawitacji akustycznej i związanych z nią sił, w tym lokalnie ograniczonego przegrzania. Dowiedz się więcej o ultradźwiękach, kawitacji akustycznej i sonochemii w następnym rozdziale.

Kawitacja ultradźwiękowa i jej efekty sonochemiczne

Kawitacja ultradźwiękowa (lub akustyczna) występuje, gdy ultradźwięki o dużej mocy są sprzężone z cieczami lub zawiesinami. Kawitacja to przejście z fazy ciekłej w fazę parową, które następuje w wyniku spadku ciśnienia do poziomu napięcia parowego cieczy.
Kawitacja ultradźwiękowa wytwarza bardzo duże siły ścinające i strumienie cieczy o prędkości do 1000m/s. Te strumienie cieczy przyspieszają cząstki i powodują zderzenia międzycząsteczkowe, zmniejszając w ten sposób wielkość cząstek ciał stałych i kropel. Dodatkowo – zlokalizowane wewnątrz i w bliskiej odległości od implodującego pęcherzyka kawitacyjnego – wytwarzane są ekstremalnie wysokie ciśnienia rzędu setek atmosfer i temperatury rzędu tysięcy stopni Kelvina.
Chociaż ultradźwięki są czysto mechaniczną metodą obróbki, mogą one powodować lokalnie ograniczony ekstremalny wzrost temperatury. Wynika to z intensywnych sił generowanych wewnątrz i w bezpośredniej bliskości zapadających się pęcherzyków kawitacyjnych, gdzie łatwo można osiągnąć temperatury rzędu kilku tysięcy stopni Celsjusza. W roztworze objętościowym, wzrost temperatury wynikający z implozji pojedynczego pęcherzyka jest prawie nieistotny, ale rozpraszanie ciepła z licznych pęcherzyków kawitacyjnych obserwowane w kawitacyjnych hot-spotach (generowanych podczas sonikacji ultradźwiękami o dużej mocy) może w końcu spowodować mierzalny wzrost temperatury w roztworze objętościowym. Zaletą ultradźwięków i sonochemii jest możliwość kontrolowania efektów temperaturowych podczas przetwarzania: Regulację temperatury roztworu sypkiego można osiągnąć poprzez zastosowanie zbiorników z płaszczem chłodzącym, jak również sonikację pulsacyjną. Zaawansowane technologicznie ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher Ultrasonics mogą wstrzymać ultradźwięki po osiągnięciu górnej granicy temperatury i kontynuować ultradźwięki, gdy tylko osiągnięta zostanie dolna wartość ustawionego ∆T. Jest to szczególnie ważne, gdy stosowane są reakcje wrażliwe na ciepło.

Sonochemia poprawia kinetykę reakcji

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.Ponieważ sonikacja generuje intensywne wibracje i kawitację, wpływa na kinetykę chemiczną. Kinetyka układu chemicznego jest ściśle skorelowana z ekspansją i implozją pęcherzyków kawitacyjnych, co ma znaczący wpływ na dynamikę ruchu pęcherzyków. Rozpuszczone gazy w roztworze reakcyjnym wpływają na charakterystykę reakcji sonochemicznej zarówno poprzez efekty termiczne jak i chemiczne. Efekty termiczne wpływają na szczytowe temperatury, które są osiągane podczas zapadania się pęcherzyków w pustce kawitacyjnej; efekty chemiczne modyfikują działanie gazów, które są bezpośrednio zaangażowane w reakcję.
Heterogeniczne i homogeniczne reakcje o powolnej kinetyce reakcji, w tym reakcje sprzęgania Suzuki, wytrącanie, krystalizacja i chemia emulsji są predestynowane do inicjowania i promowania przez ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne.
Na przykład, w przypadku syntezy kwasu ferulowego, sonikacja o niskiej częstotliwości (20kHz) przy mocy 180 W dała 94% wydajność kwasu ferulowego w temperaturze 60°C w ciągu 3 h. Te wyniki Truonga i wsp. (2018) pokazują, że zastosowanie niskiej częstotliwości (typ tubowy i napromieniowanie o wysokiej mocy) znacznie poprawiło współczynnik konwersji, dając wydajność wyższą niż 90%.

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


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.

Reaktor ze zbiornikiem z ciągłym mieszaniem (CSTR) z wbudowanym ultradźwiękowcem UIP2000hdT (2kW, 20kHz) dla poprawy kinetyki i współczynnika konwersji.

Chemia emulsji wzmocnionych ultradźwiękami

Reakcje heterogeniczne, takie jak chemia emulsji, odnoszą znaczne korzyści z zastosowania ultradźwięków o dużej mocy. Kawitacja ultradźwiękowa zmniejsza i rozprowadza krople każdej fazy jednorodnie wewnątrz siebie, tworząc submikronową lub nanoemulsję. Ponieważ nano-krople mają znacznie zwiększoną powierzchnię do interakcji z innymi kroplami, transfer masy i szybkość reakcji ulegają znacznej poprawie. Pod wpływem sonikacji, reakcje znane ze swojej typowej powolnej kinetyki wykazują radykalnie lepszy stopień konwersji, wyższą wydajność, mniejszą ilość produktów ubocznych lub odpadów oraz lepszą ogólną wydajność. Ultradźwiękowo ulepszona chemia emulsji jest często stosowana do polimeryzacji emulsji, np. do produkcji mieszanek polimerowych, klejów wodorozcieńczalnych i polimerów specjalnych.

10 rzeczy, które powinieneś wiedzieć, zanim kupisz reaktor chemiczny

Przy wyborze reaktora chemicznego dla procesu chemicznego istnieje wiele czynników, które wpływają na optymalny projekt reaktora chemicznego. Jeśli proces chemiczny obejmuje wielofazowe, heterogeniczne reakcje chemiczne i charakteryzuje się powolną kinetyką reakcji, mieszanie w reaktorze i aktywacja procesu są istotnymi czynnikami wpływającymi na udaną konwersję chemiczną oraz na ekonomiczne (operacyjne) koszty reaktora chemicznego.
Ultradźwięki znacznie poprawiają kinetykę reakcji chemicznych typu ciecz-ciecz i ciecz-ciało stałe w reaktorach wsadowych i inline. W związku z tym, integracja sond ultradźwiękowych w reaktorze chemicznym może zmniejszyć koszty reaktora i poprawić ogólną wydajność oraz jakość produktu końcowego.
Bardzo często w inżynierii reaktorów chemicznych brakuje wiedzy na temat ultradźwiękowego wspomagania procesów. Bez dogłębnej wiedzy na temat wpływu ultradźwięków, mieszania ultradźwiękowego, kawitacji akustycznej i efektów sonochemicznych na wydajność reaktora chemicznego, analiza reaktora chemicznego i konwencjonalne podstawy projektowania mogą dać tylko gorsze wyniki. Poniżej przedstawiamy przegląd podstawowych korzyści płynących z zastosowania ultradźwięków w projektowaniu i optymalizacji reaktorów chemicznych.

Zalety ultradźwiękowo wzmocnionego reaktora z ciągłym mieszaniem (CSTR)

  • Ultradźwiękowo wzmocnione reaktory dla laboratorium i produkcji:
    Łatwa skalowalność: Procesory ultradźwiękowe są łatwo dostępne dla laboratoriów, produkcji pilotażowej i wielkoskalowej.
    Powtarzalny / powtarzalny wyniki dzięki precyzyjnej regulacji parametrów ultradźwiękowych
    Zdolność i szybkość reakcji: reakcje intensyfikowane ultradźwiękami są szybsze i przez to bardziej ekonomiczne (niższe koszty)
  • Sonochemia ma zastosowanie zarówno do celów ogólnych, jak i specjalnych
  • – adaptacyjność & uniwersalność, np. elastyczne opcje instalacji i ustawienia oraz interdyscyplinarne zastosowanie

  • Ultrasonikowanie może być stosowane w środowiskach zagrożonych wybuchem
    – przedmuchiwanie (np. kocem azotowym)
    – brak otwartej powierzchni
  • Proste czyszczenie: samooczyszczanie (CIP – clean-in-place)
  • Wybierz preferowane materiały konstrukcyjne
    – szkło, stal nierdzewna, tytan
    – brak uszczelnień obrotowych
    – szeroki wybór materiałów uszczelniających
  • Ultradźwiękowce mogą być stosowane w szerokim zakresie temperatur
  • Ultradźwiękowce mogą być stosowane w szerokim zakresie ciśnień
  • Efekt synergiczny z innymi technologiami, np. elektrochemią (sono-elektrochemią), katalizą (sono-katalizą), krystalizacją (sono-krystalizacją) itp.
  • Sonikacja jest idealna do usprawnienia bioreaktorów, np. fermentacji.
  • Rozpuszczanie / Dissolving: W procesach rozpuszczania cząsteczki przechodzą z jednej fazy do drugiej, np. gdy cząsteczki stałe rozpuszczają się w cieczy. Stwierdzono, że stopień wzburzenia wpływa na szybkość procesu. Wiele małych kryształów rozpuszcza się znacznie szybciej pod wpływem kawitacji ultradźwiękowej niż w konwencjonalnie mieszanych reaktorach wsadowych. Również w tym przypadku przyczyna różnych prędkości leży w różnej szybkości przenoszenia masy na powierzchniach cząsteczek. Ultradźwięki są z powodzeniem stosowane do tworzenia roztworów przesyconych, np. w procesach krystalizacji (sono-krystalizacja).
  • Ekstrakcja chemiczna wspomagana ultradźwiękami:
    – Ciecz - ciało stałe, np. ekstrakcja botaniczna, ekstrakcja chemiczna
    – Ciecz-ciecz: Kiedy ultradźwięki są stosowane w systemie ekstrakcji ciecz-ciecz, powstaje emulsja jednej z faz w drugiej. Tworzenie emulsji prowadzi do zwiększenia powierzchni międzyfazowych pomiędzy dwiema niemieszającymi się fazami, co powoduje zwiększenie strumienia przenoszenia masy pomiędzy fazami.

Jak sonikacja poprawia reakcje chemiczne w reaktorach ze zbiornikiem mieszadłowym?

  • Większa powierzchnia styku: W reakcjach pomiędzy reagentami w fazach heterogenicznych, reagować mogą tylko te cząsteczki, które zderzają się ze sobą na granicy faz. Im większa powierzchnia styku, tym więcej zderzeń może wystąpić. Ponieważ ciekła lub stała część substancji jest rozbijana na mniejsze kropelki lub cząstki stałe zawieszone w cieczy w fazie ciągłej, zwiększa się powierzchnia tej substancji. Ponadto, w wyniku zmniejszenia rozmiaru, liczba cząstek wzrasta, a zatem średnia odległość między tymi cząstkami zmniejsza się. Poprawia to kontakt fazy ciągłej z fazą rozproszoną. Dlatego szybkość reakcji wzrasta wraz ze stopniem rozdrobnienia fazy rozproszonej. Wiele reakcji chemicznych w dyspersjach lub emulsjach wykazuje drastyczną poprawę szybkości reakcji w wyniku ultradźwiękowego zmniejszania wielkości cząstek.
  • Kataliza (energia aktywacji): Katalizatory mają ogromne znaczenie w wielu reakcjach chemicznych, w rozwoju laboratoriów i w produkcji przemysłowej. Często katalizatory znajdują się w fazie stałej lub ciekłej i są niemieszalne z jednym reagentem lub wszystkimi reagentami. Stąd, częściej niż zwykle, kataliza jest heterogeniczną reakcją chemiczną. W produkcji najważniejszych podstawowych substancji chemicznych, takich jak kwas siarkowy, amoniak, kwas azotowy, eten i metanol, katalizatory odgrywają ważną rolę. Duże obszary technologii ochrony środowiska opierają się na procesach katalitycznych. Zderzenie cząsteczek prowadzi do reakcji chemicznej, tzn. przegrupowania atomów, tylko wtedy, gdy cząsteczki zderzają się z wystarczającą energią kinetyczną. Ultradźwięki są bardzo skutecznym środkiem zwiększającym kinetykę w reaktorach chemicznych. W procesie katalizy heterogenicznej, dodanie ultradźwięków do konstrukcji reaktora chemicznego może obniżyć zapotrzebowanie na katalizator. Może to skutkować użyciem mniejszej ilości katalizatora lub gorszych, mniej szlachetnych katalizatorów.
  • Wyższa częstotliwość kontaktu / Lepsze przenoszenie masy: Mieszanie i mieszanie ultradźwiękowe jest bardzo skuteczną metodą generowania drobnych kropli i cząstek (tj. submikronowych i nanocząstek), które oferują większą powierzchnię aktywną dla reakcji. Pod wpływem dodatkowego intensywnego mieszania i mikroruchów wywołanych przez ultradźwięki, częstotliwość kontaktu międzycząsteczkowego drastycznie wzrasta, co skutkuje znacznie lepszym współczynnikiem konwersji.
  • Sprężona plazma: Dla wielu reakcji, wzrost temperatury reaktora o 10 Kelwinów powoduje mniej więcej podwojenie szybkości reakcji. Kawitacja ultradźwiękowa wytwarza zlokalizowane, wysoce reaktywne punkty zapalne o temperaturze do 5000K w cieczy, bez znacznego podgrzewania całkowitej objętości cieczy w reaktorze chemicznym.
  • Energia cieplna: Każda energia ultradźwiękowa, którą dodasz do konstrukcji reaktora chemicznego, zostanie ostatecznie przekształcona w energię cieplną. W ten sposób energia ta może być ponownie wykorzystana w procesie chemicznym. Zamiast energii cieplnej dostarczanej przez elementy grzewcze lub parę, ultradźwięki wprowadzają proces aktywacji energii mechanicznej za pomocą drgań o wysokiej częstotliwości. W reaktorze chemicznym powstaje w ten sposób kawitacja ultradźwiękowa, która aktywuje proces chemiczny na wielu poziomach. W końcu ogromne ultradźwiękowe ścinanie substancji chemicznych powoduje przekształcenie ich w energię cieplną, czyli ciepło. W celu utrzymania stałej temperatury procesu reakcji chemicznej można zastosować reaktory wsadowe z płaszczem wodnym lub reaktory liniowe do chłodzenia.

Wysokowydajne ultradźwiękowe urządzenia do ulepszania reakcji chemicznych w CSTR

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne ultradźwiękowe homogenizatory i dyspergatory do integracji w reaktorach z ciągłym mieszaniem (CSTR). Ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher są stosowane na całym świecie do wspierania, intensyfikowania, przyspieszania i ulepszania reakcji chemicznych.
Hielscher Ultrasonics’ Procesory ultradźwiękowe są dostępne w każdej wielkości od małych urządzeń laboratoryjnych do dużych procesorów przemysłowych do zastosowań w chemii przepływowej. Precyzyjna regulacja amplitudy ultradźwięków (która jest najważniejszym parametrem) pozwala na pracę ultradźwiękowców Hielschera przy niskich do bardzo wysokich amplitudach oraz na dokładne dostrojenie amplitudy do wymaganych warunków procesu ultradźwiękowego w konkretnym układzie reakcji chemicznej.
Generatory ultradźwiękowe firmy Hielscher wyposażone są w inteligentne oprogramowanie z automatycznym protokołowaniem danych. Wszystkie ważne parametry obróbki, takie jak energia ultradźwiękowa, temperatura, ciśnienie i czas, są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD, gdy tylko urządzenie zostanie włączone.
Nadzorowanie procesu i rejestracja danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Dzięki dostępowi do automatycznie zapisanych danych procesowych można skorygować poprzednie przebiegi sonikacji i ocenić ich wynik.
Kolejną przyjazną dla użytkownika funkcją jest zdalne sterowanie naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi przez przeglądarkę. Dzięki zdalnemu sterowaniu przez przeglądarkę można z dowolnego miejsca zdalnie uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować procesor ultradźwiękowy.
Skontaktuj się z nami teraz, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak nasze wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe mogą ulepszyć Twój reaktor ze zbiornikiem z ciągłym mieszaniem (CSTR)!
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
1 do 500mL 10-200mL/min UP100H
10 do 2000mL 20-400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000hdT
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Prosimy o skorzystanie z poniższego formularza w celu uzyskania dodatkowych informacji na temat procesorów ultradźwiękowych, zastosowań i ceny. Chętnie omówimy z Państwem proces i zaproponujemy Państwu system ultradźwiękowy spełniający Państwa wymagania!









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


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

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do zastosowań mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.

Literatura / materiały źródłowe



Fakty Warto wiedzieć

Mieszanie ultradźwiękowe w reaktorach chemicznych daje lepsze wyniki niż konwencjonalny reaktor z ciągłym mieszaniem lub reaktor okresowy. Dzięki lepszemu mieszaniu i przetwarzaniu cieczy w zbiorniku reaktora lub w reaktorze przepływowym, mieszanie ultradźwiękowe powoduje większe ścinanie i bardziej powtarzalne wyniki niż w przypadku reaktorów z mieszadłem strumieniowym.


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.

Firma Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do wielkość przemysłowa.