Reaktory zbiornikowe o pracy ciągłej z mieszaniem wspomaganym ultradźwiękami

Reaktory zbiornikowe o pracy ciągłej z mieszaniem (CSTR) są szeroko stosowane w różnych reakcjach chemicznych, obejmujących katalizę, chemię emulsji, polimeryzację, syntezę, ekstrakcję i krystalizację. Powolna kinetyka reakcji jest częstym problemem w reaktorach CSTR, który można łatwo przezwyciężyć dzięki zastosowaniu sonikacji ultradźwiękami dużej mocy. Intensywne mieszanie oraz efekty sonochemiczne ultradźwięków dużej mocy przyspieszają kinetykę reakcji i znacznie poprawiają stopień konwersji. Sonikatory można łatwo zintegrować z reaktorami CSTR o dowolnej objętości.

Dlaczego warto stosować ultradźwięki dużej mocy w reaktorze zbiornikowym o pracy ciągłej z mieszaniem?

Reaktor zbiornikowy o pracy ciągłej z mieszaniem (CSTR lub po prostu reaktor zbiornikowy z mieszaniem (STR)) pod względem swoich podstawowych cech jest dość podobny do reaktora okresowego. Najważniejsza różnica polega na tym, że w układzie reaktora zbiornikowego o pracy ciągłej z mieszaniem (CSTR) materiał musi być doprowadzany do reaktora i odprowadzany z niego w sposób ciągły. Zasilanie reaktora można realizować przez przepływ grawitacyjny lub przepływ w obiegu wymuszonym za pomocą pompy. Reaktor CSTR bywa nazywany reaktorem przepływowym z mieszaniem wstecznym (BMR).
Reaktory CSTR są powszechnie stosowane, gdy wymagane jest mieszanie dwóch lub większej liczby cieczy. Reaktory CSTR mogą być używane pojedynczo lub instalowane w szeregu konfiguracji dla strumieni o różnych stężeniach i różnych etapów reakcji. Oprócz pojedynczego reaktora zbiornikowego powszechnie stosuje się szeregową instalację wielu zbiorników (jeden za drugim) lub układ kaskadowy.
Dlaczego sonikacja? Powszechnie wiadomo, że mieszanie ultradźwiękowe oraz efekty sonochemiczne ultradźwięków dużej mocy przyczyniają się do zwiększenia efektywności reakcji chemicznych. Lepsze mieszanie i zmniejszenie wielkości cząstek dzięki drganiom ultradźwiękowym i kawitacji zapewniają znaczne przyspieszenie kinetyki i zwiększenie stopnia konwersji. Efekty sonochemiczne mogą dostarczać energię niezbędną do zainicjowania reakcji chemicznych, zmieniać ścieżki reakcji i zapewniać wyższą wydajność dzięki pełniejszemu przebiegowi reakcji.

Reaktory CSTR intensyfikowane ultradźwiękami można stosować w takich zastosowaniach 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

Sonikacja jako system szybkiej syntezy chemicznej

Szybka synteza chemiczna to nowatorska technika reakcyjna stosowana do inicjowania i intensyfikacji syntezy chemicznej. W porównaniu z tradycyjnymi ścieżkami reakcji, które wymagają kilku godzin lub dni ogrzewania pod chłodnicą zwrotną, reaktory do syntezy wspomaganej ultradźwiękami mogą skrócić czas trwania reakcji do kilku minut, co prowadzi do znacznego przyspieszenia reakcji syntezy. Ultradźwiękowa intensyfikacja syntezy opiera się na zasadzie działania kawitacji akustycznej i związanych z nią sił, w tym lokalnie ograniczonego przegrzania. Więcej informacji o ultradźwiękach, kawitacji akustycznej i sonochemii znajdziesz w następnej sekcji.

Kawitacja ultradźwiękowa i jej efekty sonochemiczne

Kawitacja ultradźwiękowa (lub akustyczna) występuje, gdy ultradźwięki dużej mocy są sprzęgane z cieczami lub zawiesinami. Kawitacja to przejście z fazy ciekłej do fazy parowej, które następuje wskutek spadku ciśnienia do poziomu ciśnienia pary płynu.
Kawitacja ultradźwiękowa wytwarza bardzo duże siły ścinające i strugi cieczy o prędkości do 1000m/s. Te strugi cieczy przyspieszają cząstki i powodują zderzenia między nimi, zmniejszając w ten sposób wielkość cząstek ciał stałych i kropelek. Ponadto – lokalnie wewnątrz implodującego pęcherzyka kawitacyjnego i w jego bezpośrednim sąsiedztwie – powstają niezwykle wysokie ciśnienia rzędu setek atmosfer i temperatury rzędu tysięcy stopni Kelvina.
Chociaż sonikacja jest czysto mechaniczną metodą przetwarzania, może powodować lokalnie ograniczony, skrajnie wysoki wzrost temperatury. Wynika to z intensywnych sił wytwarzanych wewnątrz zapadających się pęcherzyków kawitacyjnych i w ich bezpośrednim sąsiedztwie, gdzie z łatwością można osiągnąć temperatury kilku tysięcy stopni Celsjusza. W całej objętości roztworu wzrost temperatury wynikający z implozji pojedynczego pęcherzyka jest niemal pomijalny, jednak rozpraszanie ciepła z licznych pęcherzyków kawitacyjnych, obserwowane w gorących punktach kawitacyjnych (powstających podczas sonikacji ultradźwiękami dużej mocy), może ostatecznie powodować mierzalny wzrost temperatury w całej objętości roztworu. Zaletą sonikacji i sonochemii jest możliwość kontrolowania efektów temperaturowych podczas przetwarzania: kontrolę temperatury całej objętości roztworu można uzyskać dzięki zastosowaniu zbiorników z płaszczami chłodzącymi oraz sonikacji impulsowej. Zaawansowane sonikatory Hielscher Ultrasonics mogą wstrzymać emisję ultradźwięków po osiągnięciu górnej granicy temperatury i wznowić sonikację, gdy tylko zostanie osiągnięta dolna wartość ustawionego ∆T. Jest to szczególnie ważne przy stosowaniu reagentów wrażliwych na ciepło.

Sonochemia poprawia kinetykę reakcji

Ponieważ sonikacja wytwarza intensywne drgania i kawitację, wpływa na kinetykę chemiczną. Kinetyka układu chemicznego jest ściśle skorelowana z rozszerzaniem się i implozją pęcherzyków kawitacyjnych, przez co znacząco wpływa na dynamikę ruchu pęcherzyków. Gazy rozpuszczone w roztworze reakcyjnym wpływają na charakterystykę reakcji sonochemicznej zarówno poprzez efekty termiczne, jak i chemiczne. Efekty termiczne wpływają na maksymalne temperatury osiągane podczas zapadania się pęcherzyka w obrębie pustki kawitacyjnej; efekty chemiczne modyfikują oddziaływanie gazów bezpośrednio uczestniczących w reakcji.
Reakcje heterogeniczne i homogeniczne o powolnej kinetyce, w tym reakcje sprzęgania Suzukiego, strącanie, krystalizacja i reakcje w chemii emulsji, są predysponowane do inicjowania i wspomagania za pomocą ultradźwięków dużej mocy oraz ich efektów sonochemicznych.
Na przykład podczas syntezy kwasu ferulowego sonikacja o niskiej częstotliwości (20kHz) i mocy 180 W pozwoliła uzyskać kwas ferulowy z wydajnością 94% w temperaturze 60°C w ciągu 3 h. Wyniki uzyskane przez Truong i in. (2018) pokazują, że zastosowanie niskiej częstotliwości (sonotrody i napromieniania ultradźwiękami dużej mocy) znacznie poprawiło stopień konwersji, zapewniając wydajność wyższą niż 90%.

Chemia emulsji intensyfikowana ultradźwiękami

Reakcje heterogeniczne, takie jak reakcje w chemii emulsji, odnoszą znaczne korzyści z zastosowania ultradźwięków dużej mocy. Kawitacja ultradźwiękowa zmniejszała wielkość kropelek każdej fazy i równomiernie rozprowadzała je w drugiej fazie, tworząc emulsję submikronową lub nanoemulsję. Ponieważ kropelki o rozmiarach nanometrycznych zapewniają radykalnie zwiększoną powierzchnię oddziaływania z innymi kropelkami, przenoszenie masy i szybkość reakcji ulegają znacznej poprawie. Podczas sonikacji reakcje znane ze swojej zazwyczaj powolnej kinetyki wykazują radykalnie wyższe stopnie konwersji, wyższą wydajność, mniejszą ilość produktów ubocznych lub odpadów oraz lepszą ogólną efektywność. Chemia emulsji wspomagana ultradźwiękami jest często stosowana w polimeryzacji emulsyjnej, np. do wytwarzania mieszanin polimerowych, klejów na bazie wody i polimerów specjalistycznych.

10 rzeczy, które warto wiedzieć przed zakupem reaktora chemicznego

Przy wyborze reaktora chemicznego do procesu chemicznego istnieje wiele czynników wpływających na optymalną konstrukcję reaktora. Jeśli proces chemiczny obejmuje wielofazowe, heterogeniczne reakcje chemiczne i charakteryzuje się powolną kinetyką reakcji, mieszanie w reaktorze i aktywacja procesu są zasadniczymi czynnikami wpływającymi na skuteczną konwersję chemiczną oraz korzystne koszty (eksploatacyjne) reaktora chemicznego.
Sonikacja znacznie poprawia kinetykę reakcji chemicznych ciecz–ciecz i ciecz–ciało stałe w okresowych reaktorach chemicznych oraz przepływowych naczyniach reakcyjnych. Dlatego zintegrowanie sond ultradźwiękowych z reaktorem chemicznym może obniżyć koszty reaktora oraz poprawić ogólną efektywność i jakość produktu końcowego.
Bardzo często w projektowaniu reaktorów chemicznych brakuje wiedzy o wspomaganym ultradźwiękami usprawnianiu procesów. Bez dogłębnej wiedzy o wpływie ultradźwięków dużej mocy, mieszania ultradźwiękowego, kawitacji akustycznej i efektów sonochemicznych na działanie reaktora chemicznego analiza reaktora oraz konwencjonalne podstawy projektowania mogą przynieść jedynie gorsze wyniki. Poniżej przedstawiono przegląd podstawowych korzyści wynikających z zastosowania ultradźwięków w projektowaniu i optymalizacji reaktorów chemicznych.

Zalety reaktora zbiornikowego o pracy ciągłej z mieszaniem (CSTR) intensyfikowanego ultradźwiękami

• • Reaktory wspomagane ultradźwiękami do zastosowań laboratoryjnych i produkcyjnych:
    Łatwe skalowanie: Procesory ultradźwiękowe są łatwo dostępne do zastosowań laboratoryjnych, pilotażowych i produkcji na dużą skalę
    Odtwarzalne / powtarzalne wyniki dzięki parametrom ultradźwięków, które można precyzyjnie kontrolować
    Wydajność i szybkość reakcji: reakcje intensyfikowane ultradźwiękami są szybsze, a przez to bardziej ekonomiczne (niższe koszty)
  • Sonochemia ma zastosowanie zarówno do celów ogólnych, jak i specjalnych

– możliwość dostosowania i wszechstronność, np. elastyczne opcje instalacji i konfiguracji oraz zastosowanie interdyscyplinarne

• Sonikację można stosować w środowiskach zagrożonych wybuchem
  – przedmuchiwanie (np. poduszka azotowa)
  – brak otwartej powierzchni
• Łatwe czyszczenie: samoczyszczenie (CIP – czyszczenie na miejscu)
• Wybierz preferowane materiały konstrukcyjne
  – szkło, stal nierdzewna, tytan
  – brak uszczelnień obrotowych
  – szeroki wybór materiałów uszczelniających
• Sonikatory można stosować w szerokim zakresie temperatur
• Sonikatory można stosować w szerokim zakresie ciśnień
• Efekt synergiczny z innymi technologiami, np. elektrochemią (sonoelektrochemia), katalizą (sonokataliza), krystalizacją (sonokrystalizacja) itp.
• Sonikacja idealnie nadaje się do usprawniania działania bioreaktorów, np. fermentacji.
• Rozpuszczanie: w procesach rozpuszczania cząstki przechodzą z jednej fazy do drugiej, np. gdy cząstki stałe rozpuszczają się w cieczy. Stwierdzono, że intensywność mieszania wpływa na szybkość procesu. Wiele małych kryształów rozpuszcza się pod wpływem kawitacji ultradźwiękowej znacznie szybciej niż jeden kryształ w konwencjonalnie mieszanych reaktorach okresowych. Także w tym przypadku przyczyną różnych szybkości są różne szybkości przenoszenia masy na powierzchniach cząstek. Na przykład sonikacja jest z powodzeniem stosowana do tworzenia roztworów przesyconych, np. w procesach krystalizacji (sonokrystalizacji).
• Ekstrakcja chemiczna wspomagana ultradźwiękami:
  – Ciecz–ciało stałe, np. ekstrakcja surowców roślinnych, ekstrakcja chemiczna
  – Ciecz–ciecz: gdy ultradźwięki są stosowane w układzie ekstrakcji ciecz–ciecz, powstaje emulsja jednej fazy w drugiej. Powstawanie emulsji prowadzi do zwiększenia powierzchni międzyfazowej między dwiema niemieszającymi się fazami, co skutkuje zwiększeniem strumienia przenoszenia masy między fazami.

Jak sonikacja poprawia reakcje chemiczne w reaktorach zbiornikowych z mieszaniem?

• Większa powierzchnia kontaktu: W reakcjach między reagentami w fazach heterogenicznych mogą reagować tylko te cząstki, które zderzają się ze sobą na granicy faz. Im większa powierzchnia międzyfazowa, tym więcej zderzeń może wystąpić. Gdy ciekła lub stała porcja substancji zostaje rozdrobniona na mniejsze kropelki lub cząstki stałe zawieszone w cieczy stanowiącej fazę ciągłą, powierzchnia tej substancji zwiększa się. Ponadto wskutek zmniejszenia rozmiaru wzrasta liczba cząstek, a tym samym maleje średnia odległość między nimi. 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 radykalny wzrost szybkości reakcji w wyniku ultradźwiękowego zmniejszania wielkości cząstek.
• Kataliza (energia aktywacji): Katalizatory mają ogromne znaczenie w wielu reakcjach chemicznych, w pracach rozwojowych w laboratorium i w produkcji przemysłowej. Katalizatory często występują w fazie stałej lub ciekłej i nie mieszają się z jednym reagentem lub ze wszystkimi reagentami. Dlatego kataliza jest najczęściej heterogeniczną reakcją chemiczną. Katalizatory odgrywają kluczową rolę w produkcji najważniejszych podstawowych substancji chemicznych, takich jak kwas siarkowy, amoniak, kwas azotowy, eten i metanol. Rozległe obszary technologii ochrony środowiska opierają się na procesach katalitycznych. Zderzenie cząstek prowadzi do reakcji chemicznej, czyli przegrupowania atomów, tylko wtedy, gdy cząstki zderzają się z wystarczającą energią kinetyczną. Sonikacja jest wysoce skutecznym sposobem przyspieszania kinetyki w reaktorach chemicznych. W procesie katalizy heterogenicznej uwzględnienie ultradźwięków w konstrukcji reaktora chemicznego może zmniejszyć zapotrzebowanie na katalizator. Może to pozwolić na stosowanie mniejszej ilości katalizatora lub gorszych, mniej szlachetnych katalizatorów.
• Większa częstotliwość kontaktu / Lepsze przenoszenie masy: Mieszanie ultradźwiękowe jest wysoce skuteczną metodą wytwarzania bardzo małych kropelek i cząstek (tj. cząstek submikronowych i nanocząstek), które zapewniają większą aktywną powierzchnię dla reakcji. Dzięki dodatkowemu intensywnemu mieszaniu i mikroruchom wywołanym przez ultradźwięki dużej mocy częstotliwość kontaktu między cząstkami radykalnie wzrasta, co prowadzi do znacznego zwiększenia stopnia konwersji.
• Sprężona plazma: W przypadku wielu reakcji wzrost temperatury reaktora o 10 kelwinów powoduje w przybliżeniu podwojenie szybkości reakcji. Kawitacja ultradźwiękowa wytwarza w cieczy lokalne, wysoce reaktywne gorące punkty o temperaturze do 5000K, bez znacznego ogrzewania całej objętości cieczy w reaktorze chemicznym.
• Energia cieplna: Każda energia ultradźwiękowa wprowadzona do układu reaktora chemicznego zostanie ostatecznie przekształcona w energię cieplną. Dlatego można ponownie wykorzystać tę energię w procesie chemicznym. Zamiast dostarczania energii cieplnej przez elementy grzejne lub parę sonikacja wprowadza za pomocą drgań o wysokiej częstotliwości energię mechaniczną aktywującą proces. W reaktorze chemicznym powoduje to kawitację ultradźwiękową, która aktywuje proces chemiczny na wielu poziomach. Ostatecznie intensywne ultradźwiękowe ścinanie substancji chemicznych prowadzi do przekształcenia energii w energię cieplną, czyli ciepło. Do chłodzenia można stosować reaktory okresowe z płaszczem lub reaktory przepływowe, aby utrzymać stałą temperaturę procesu reakcji chemicznej.

Sonikatory o wysokiej wydajności do usprawniania reakcji chemicznych w reaktorach CSTR

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje homogenizatory ultradźwiękowe oraz dyspergatory o wysokiej wydajności przeznaczone do integracji z reaktorami zbiornikowymi o pracy ciągłej z mieszaniem (CSTR). Sonikatory Hielscher są stosowane na całym świecie do wspomagania, intensyfikacji, przyspieszania i usprawniania reakcji chemicznych.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics są dostępne w dowolnej wielkości, od małych urządzeń laboratoryjnych po duże procesory przemysłowe do zastosowań w chemii przepływowej. Precyzyjna regulacja amplitudy ultradźwięków (która jest najważniejszym parametrem) pozwala na pracę sonikatorów Hielscher przy amplitudach od niskich do bardzo wysokich oraz dokładne dostosowanie amplitudy do wymaganych warunków procesu ultradźwiękowego w konkretnym układzie reakcji chemicznej.
Generator ultradźwiękowy Hielscher jest wyposażony w inteligentne oprogramowanie z automatyczną rejestracją danych. Wszystkie ważne parametry przetwarzania, takie jak energia ultradźwiękowa, temperatura, ciśnienie i czas, są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD od chwili włączenia urządzenia.
Monitorowanie procesu i rejestracja danych są ważne dla standaryzacji procesu ciągłego i jakości produktu. Dzięki dostępowi do automatycznie zarejestrowanych danych procesowych można analizować wcześniejsze przebiegi sonikacji i oceniać wyniki.
Kolejną przyjazną użytkownikowi funkcją jest zdalne sterowanie naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi przez przeglądarkę. Za pomocą zdalnego sterowania przez przeglądarkę można z dowolnego miejsca uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować procesor ultradźwiękowy.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak nasze homogenizatory ultradźwiękowe o wysokiej wydajności mogą usprawnić Twój reaktor zbiornikowy o pracy ciągłej z mieszaniem (CSTR)!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: