Reaktory ze zbiornikiem z ciągłym mieszaniem mieszane za pomocą ultradźwięków

Reaktory zbiornikowe z ciągłym mieszaniem (CSTR) są szeroko stosowane w różnych reakcjach chemicznych, w tym w katalizie, chemii emulsji, polimeryzacji, syntezie, ekstrakcji i krystalizacji. Powolna kinetyka reakcji jest powszechnym problemem w CSTR, który można łatwo przezwyciężyć poprzez zastosowanie ultradźwięków. Intensywne mieszanie, mieszanie i efekty sonochemiczne ultradźwięków mocy przyspieszają kinetykę reakcji i znacznie poprawiają współczynnik konwersji. Ultradźwięki można łatwo zintegrować z CSTR o dowolnej objętości.

Dlaczego warto stosować ultradźwięki w reaktorze zbiornikowym z ciągłym mieszaniem?

Reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem (CSTR lub po prostu reaktor zbiornikowy z mieszaniem (STR)) ma zasadnicze cechy dość podobne do reaktora wsadowego. Główną istotną różnicą jest to, że w przypadku reaktora zbiornikowego z ciągłym mieszaniem (CSTR) podawanie materiału musi odbywać się w ciągłym przepływie do i z reaktora. Zasilanie reaktora można uzyskać poprzez przepływ grawitacyjny lub przepływ wymuszony za pomocą pompy. Reaktor CSTR jest czasami nazywany reaktorem z przepływem wstecznym (BMR).
Reaktory CSTR są powszechnie stosowane, gdy wymagane jest mieszanie dwóch lub więcej cieczy. Reaktory CSTR mogą być używane jako pojedyncze reaktory lub instalowane jako szereg konfiguracji dla różnych strumieni stężenia i etapów reakcji. Oprócz zastosowania reaktora z pojedynczym zbiornikiem, powszechnie stosuje się szeregową instalację różnych zbiorników (jeden po drugim) lub konfigurację kaskadową.
Dlaczego ultrasonografia? Ultradźwiękowe mieszanie i mieszanie, a także efekty sonochemiczne ultradźwięków mocy są dobrze znane, aby przyczynić się do wydajności reakcji chemicznych. Ulepszone mieszanie i redukcja wielkości cząstek dzięki drganiom ultradźwiękowym i kawitacji zapewniają znacznie przyspieszoną kinetykę i zwiększony współczynnik konwersji. Efekty sonochemiczne mogą dostarczać energię niezbędną do zainicjowania reakcji chemicznych, przełączania szlaków chemicznych i uzyskiwania wyższych wydajności dzięki bardziej kompletnej reakcji.

Ultradźwiękowo wzmocniony CSTR może być używany do zastosowań takich jak

• Heterogeniczne reakcje ciecz-ciecz
• Heterogeniczne reakcje ciało stałe-ciecz
• Jednorodne reakcje w fazie ciekłej
• Niejednorodne reakcje gaz-ciecz
• Niejednorodne reakcje gaz-ciało stałe-ciecz

Ultradźwięki jako szybki syntetyczny system chemiczny

Szybka chemia syntetyczna to nowa technika reakcji stosowana do inicjowania i intensyfikacji syntezy chemicznej. W porównaniu z tradycyjnymi ścieżkami reakcji, które wymagają kilku godzin lub dni pod chłodnicą zwrotną, reaktory syntezy promowane 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 powiązanych z nią sił, w tym lokalnie ograniczonego przegrzania. Dowiedz się więcej o ultradźwiękach, kawitacji akustycznej i sonochemii w następnej sekcji.

Kawitacja ultradźwiękowa i jej efekty sonochemiczne

Kawitacja ultradźwiękowa (lub akustyczna) występuje, gdy ultradźwięki mocy są sprzężone z cieczami lub zawiesinami. Kawitacja jest przejściem z fazy ciekłej do fazy parowej, które występuje z powodu spadku ciśnienia do poziomu napięcia pary cieczy.
Kawitacja ultradźwiękowa wytwarza bardzo duże siły ścinające i strumienie cieczy o prędkości do 1000 m/s. Te strumienie cieczy przyspieszają cząstki i powodują zderzenia międzycząsteczkowe, zmniejszając w ten sposób rozmiar cząstek ciał stałych i kropelek. Dodatkowo – zlokalizowane wewnątrz i w pobliżu implodującego pęcherzyka kawitacyjnego – generowane są ekstremalnie wysokie ciśnienia rzędu setek atmosfer i temperatury rzędu tysięcy stopni Kelvina.
Chociaż ultradźwięki są czysto mechaniczną metodą przetwarzania, mogą powodować lokalnie ograniczony ekstremalny wzrost temperatury. Wynika to z intensywnych sił generowanych wewnątrz i w pobliżu zapadających się pęcherzyków kawitacyjnych, gdzie łatwo można osiągnąć temperatury rzędu kilku tysięcy stopni Celsjusza. W roztworze masowym wzrost temperatury wynikający z implozji pojedynczego pęcherzyka jest prawie nieistotny, ale rozpraszanie ciepła z licznych pęcherzyków kawitacyjnych obserwowanych w gorących punktach kawitacyjnych (generowanych przez sonikację ultradźwiękami o dużej mocy) może ostatecznie spowodować mierzalny wzrost temperatury w temperaturze masowej. Zaletą ultradźwięków i sonochemii jest kontrolowany wpływ temperatury podczas przetwarzania: Kontrolę temperatury roztworu luzem można osiągnąć za pomocą zbiorników z płaszczami chłodzącymi, a także sonikacji pulsacyjnej. Zaawansowane ultrasonografy firmy Hielscher Ultrasonics mogą wstrzymać ultradźwięki po osiągnięciu górnej granicy temperatury i kontynuować ultradźwięki, gdy tylko zostanie osiągnięta dolna wartość ustawionego ∆T. Jest to szczególnie ważne w przypadku stosowania reagentów wrażliwych na ciepło.

Sonochemia poprawia kinetykę reakcji

Ponieważ sonikacja generuje intensywne wibracje i kawitację, wpływa to na kinetykę chemiczną. Kinetyka układu chemicznego jest ściśle skorelowana z ekspansją i implozją pęcherzyków kawitacyjnych, co znacząco wpływa na dynamikę ruchu pęcherzyków. Rozpuszczone gazy w roztworze reakcji chemicznej 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 za pomocą ultradźwięków i ich efektów sonochemicznych.
Na przykład, w przypadku syntezy kwasu ferulowego, sonikacja o niskiej częstotliwości (20 kHz) przy mocy 180 W dała 94% wydajność kwasu ferulowego w temperaturze 60°C w ciągu 3 godzin. Wyniki te uzyskane przez Truong et al. (2018) pokazują, że zastosowanie niskiej częstotliwości (typ tuby i napromieniowanie o dużej mocy) znacznie poprawiło współczynnik konwersji, dając wydajność wyższą niż 90%.

Chemia emulsji wzmocniona ultradźwiękami

Niejednorodne reakcje, takie jak chemia emulsji, znacznie zyskują na zastosowaniu ultradźwięków mocy. Kawitacja ultradźwiękowa zmniejsza i rozprowadza krople każdej fazy jednorodnie wewnątrz siebie, tworząc submikronową lub nano-emulsję. Ponieważ kropelki o rozmiarze nano oferują drastycznie zwiększoną powierzchnię do interakcji z różnymi kropelkami, transfer masy i szybkość reakcji ulegają znacznej poprawie. Pod wpływem sonikacji reakcje znane z typowo powolnej kinetyki wykazują znacznie lepsze współczynniki konwersji, wyższe plony, mniej produktów ubocznych lub odpadów i lepszą ogólną wydajność. Ultradźwiękowo ulepszona chemia emulsji jest często stosowana do polimeryzacji emulsji, np. do produkcji mieszanek polimerów, klejów wodorozcieńczalnych i specjalistycznych polimerów.

10 rzeczy, które warto wiedzieć przed zakupem reaktora chemicznego

Przy wyborze reaktora chemicznego do procesu chemicznego istnieje wiele czynników, które wpływają na optymalny projekt reaktora chemicznego. Jeśli proces chemiczny obejmuje wielofazowe, heterogeniczne reakcje chemiczne i ma powolną kinetykę reakcji, mieszanie reaktora i aktywacja procesu są istotnymi czynnikami wpływającymi na udaną konwersję chemiczną i ekonomiczne (operacyjne) koszty reaktora chemicznego.
Ultradźwięki znacznie poprawiają kinetykę reakcji chemicznych ciecz-ciecz i ciecz-ciało stałe w chemicznych reaktorach okresowych i liniowych zbiornikach reakcyjnych. W związku z tym integracja sond ultradźwiękowych w reaktorze chemicznym może obniżyć koszty reaktora i poprawić ogólną wydajność i jakość produktu końcowego.
Bardzo często w inżynierii reaktorów chemicznych brakuje wiedzy na temat wspomaganego ultradźwiękami usprawniania procesów. Bez dogłębnej wiedzy na temat wpływu ultradźwięków mocy, mieszania ultradźwiękowego, kawitacji akustycznej i efektów sonochemicznych na wydajność reaktora chemicznego, analiza reaktora chemicznego i konwencjonalne podstawy projektowania mogą przynieść jedynie gorsze wyniki. Poniżej znajduje się przegląd podstawowych zalet ultradźwięków w projektowaniu i optymalizacji reaktorów chemicznych.

Zalety ultradźwiękowo zintensyfikowanego reaktora z ciągłym mieszaniem (CSTR)

• • Reaktory wzmocnione ultradźwiękami do zastosowań laboratoryjnych i produkcyjnych:
    Łatwa skalowalność: Procesory ultradźwiękowe są łatwo dostępne do produkcji laboratoryjnej, pilotażowej i na dużą skalę.
    Odtwarzalność / powtarzalność wyniki dzięki precyzyjnie kontrolowanym parametrom ultradźwiękowym
    Wydajność i szybkość reakcjiultradźwiękowo zintensyfikowane reakcje są szybsze, a tym samym bardziej ekonomiczne (niższe koszty)
  • Sonochemia ma zastosowanie zarówno do celów ogólnych, jak i specjalnych

– zdolność adaptacji & wszechstronność, np. elastyczne opcje instalacji i konfiguracji oraz interdyscyplinarne zastosowanie

• Ultradźwięki mogą być stosowane w środowiskach zagrożonych wybuchem
  – przedmuchiwanie (np. kocem azotowym)
  – brak otwartej powierzchni
• Proste czyszczenie: samoczyszczenie (CIP – clean-in-place)
• Wybierz preferowane materiały konstrukcyjne
  – szkło, stal nierdzewna, tytan
  – brak uszczelnień obrotowych
  – Szeroki wybór uszczelniaczy
• Ultradźwięki mogą być używane w szerokim zakresie temperatur
• Ultradźwięki mogą być stosowane w szerokim zakresie ciśnień
• Efekt synergii z innymi technologiami, np. elektrochemią (sonoelektrochemia), katalizą (sono-kataliza), krystalizacją (sono-krystalizacja) itp.
• Sonikacja jest idealna do ulepszania bioreaktorów, np. fermentacyjnych.
• Rozpuszczanie / Rozpuszczanie: W procesach rozpuszczania cząstki przechodzą z jednej fazy do drugiej, np. gdy cząstki stałe rozpuszczają się w cieczy. Stwierdzono, że stopień mieszania wpływa na szybkość procesu. Wiele małych kryształów rozpuszcza się znacznie szybciej w kawitacji ultradźwiękowej niż w konwencjonalnie mieszanych reaktorach wsadowych. Również w tym przypadku przyczyną różnych prędkości są różne szybkości przenoszenia masy na powierzchniach cząstek. Na przykład, ultradźwięki są z powodzeniem stosowane do tworzenia przesyconych roztworów, np. w procesach krystalizacji (sono-krystalizacja).
• Ekstrakcja chemiczna promowana ultradźwiękami:
  – Ciecz-ciało stałe, np. ekstrakcja botaniczna, ekstrakcja chemiczna
  – Ciecz-ciecz: Gdy ultradźwięki są stosowane do systemu ekstrakcji ciecz-ciecz, tworzona jest emulsja jednej z faz w drugiej. To tworzenie emulsji prowadzi do zwiększenia powierzchni międzyfazowych między dwiema niemieszającymi się fazami, co skutkuje zwiększonym strumieniem przenoszenia masy między fazami.

W jaki sposób sonikacja usprawnia reakcje chemiczne w reaktorach ze zbiornikiem mieszanym?

• Większa powierzchnia styku: W reakcjach między reagentami w fazach heterogenicznych reagować mogą tylko cząsteczki, które zderzają się ze sobą na granicy faz. Im większy interfejs, tym więcej kolizji może wystąpić. Gdy ciekła lub stała część substancji jest rozbijana na mniejsze kropelki lub cząstki stałe zawieszone w cieczy w fazie ciągłej, powierzchnia tej substancji wzrasta. Ponadto, w wyniku zmniejszenia rozmiaru, zwiększa się liczba cząstek, a zatem zmniejsza się średnia odległość między tymi cząstkami. Poprawia to ekspozycję fazy ciągłej na fazę rozproszoną. W związku z tym szybkość reakcji wzrasta wraz ze stopniem rozdrobnienia fazy rozproszonej. Wiele reakcji chemicznych w dyspersjach lub emulsjach wykazuje drastyczną poprawę szybkości reakcji w wyniku ultradźwiękowej redukcji wielkości cząstek.
• Kataliza (energia aktywacji): Katalizatory mają ogromne znaczenie w wielu reakcjach chemicznych, w badaniach laboratoryjnych i w produkcji przemysłowej. Często katalizatory znajdują się w fazie stałej lub ciekłej i są niemieszalne z jednym lub wszystkimi reagentami. Dlatego też kataliza jest najczęściej heterogeniczną reakcją chemiczną. Katalizatory odgrywają ważną rolę w produkcji najważniejszych podstawowych substancji chemicznych, takich jak kwas siarkowy, amoniak, kwas azotowy, eten i metanol. Duże obszary technologii ochrony środowiska opierają się na procesach katalitycznych. Zderzenie cząstek prowadzi do reakcji chemicznej, tj. przegrupowania atomów, tylko wtedy, gdy cząstki zderzają się z wystarczającą energią kinetyczną. Ultradźwięki są bardzo skutecznym sposobem na zwiększenie kinetyki 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 / Lepszy transfer masy: Ultradźwiękowe mieszanie i mieszanie jest wysoce skuteczną metodą generowania drobnych kropelek i cząstek (tj. submikronowych i nanocząstek), które oferują wyższą powierzchnię aktywną do reakcji. Dzięki dodatkowemu intensywnemu mieszaniu i mikroruchom powodowanym przez ultradźwięki, częstotliwość kontaktu między cząsteczkami jest drastycznie zwiększona, co skutkuje znacznie lepszym współczynnikiem konwersji.
• Sprężona plazma: W przypadku wielu reakcji wzrost temperatury reaktora o 10 kelwinów powoduje około dwukrotne zwiększenie szybkości reakcji. Kawitacja ultradźwiękowa wytwarza zlokalizowane, wysoce reaktywne hotspoty o temperaturze do 5000K w cieczy, bez znacznego ogrzewania całkowitej objętości cieczy w reaktorze chemicznym.
• Energia cieplna: Każda energia ultradźwiękowa dodana do projektu reaktora chemicznego zostanie ostatecznie przekształcona w energię cieplną. W związku z tym można ponownie wykorzystać energię do procesu chemicznego. Zamiast wprowadzania energii cieplnej przez elementy grzejne lub parę, ultradźwięki wprowadzają proces aktywujący energię mechaniczną za pomocą drgań o wysokiej częstotliwości. W reaktorze chemicznym powoduje to kawitację ultradźwiękową, która aktywuje proces chemiczny na wielu poziomach. Wreszcie ogromne ultradźwiękowe ścinanie chemikaliów powoduje konwersję na energię cieplną, tj. ciepło. Do chłodzenia można użyć reaktorów wsadowych z płaszczem lub reaktorów liniowych, aby utrzymać stałą temperaturę procesu reakcji chemicznej.

Wysokowydajne ultradźwięki dla ulepszonych reakcji chemicznych w CSTR

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe i dyspergatory do integracji z reaktorami z ciągłym mieszaniem (CSTR). Ultradźwięki Hielscher są używane na całym świecie do promowania, intensyfikowania, przyspieszania i ulepszania reakcji chemicznych.
Hielscher Ultrasonics’ Procesory ultradźwiękowe są dostępne w dowolnym rozmiarze, od małych urządzeń laboratoryjnych po duże procesory przemysłowe do zastosowań w chemii przepływowej. Precyzyjna regulacja amplitudy ultradźwięków (która jest najważniejszym parametrem) pozwala na pracę ultrasonografów Hielscher przy niskich i bardzo wysokich amplitudach oraz na dokładne dostrojenie amplitudy do wymaganych warunków procesu ultradźwiękowego określonego układu reakcji chemicznej.
Generatory ultradźwiękowe firmy Hielscher są wyposażone w inteligentne oprogramowanie z automatycznym protokołowaniem danych. Wszystkie ważne parametry przetwarzania, takie jak energia ultradźwiękowa, temperatura, ciśnienie i czas są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD, gdy tylko urządzenie zostanie włączone.
Monitorowanie procesu i rejestracja danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Uzyskując dostęp do automatycznie rejestrowanych danych procesowych, można zrewidować poprzednie przebiegi sonikacji i ocenić ich wyniki.
Kolejną przyjazną dla użytkownika funkcją jest zdalne sterowanie przez przeglądarkę naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi. Za pomocą zdalnego sterowania przez przeglądarkę można uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować procesor ultradźwiękowy zdalnie z dowolnego miejsca.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o naszych wysokowydajnych homogenizatorach ultradźwiękowych, które mogą poprawić działanie reaktora ze zbiornikiem z ciągłym mieszaniem (CSTR)!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: