Reactores de Tanque Agitado Continuamente Agitados com Ultra-sons

Os reatores de tanque continuamente agitados (CSTR) são amplamente aplicados para várias reações químicas, incluindo catálise, química de emulsão, polimerização, síntese, extração e cristalização. Cinética de reação lenta é um problema comum em CSTR, que pode ser facilmente superado pela aplicação de poder-ultrasonication. A mistura intensa, a agitação e os efeitos sonoquímicos do ultrassom de potência aceleram a cinética da reação e melhoram significativamente a taxa de conversão. Ultrasonicators pode ser facilmente integrado em CSTRs de qualquer volume.

Por que aplicar ultrassom de potência a um reator de tanque continuamente agitado?

Um reator de cuba continuamente agitada (CSTR, ou simplesmente reator de cuba agitada (STR)) é, nas suas caraterísticas principais, bastante semelhante ao reator descontínuo. A principal diferença importante é que, na configuração do reator de cuba agitada contínua (CSTR), a alimentação do material deve ser feita em fluxo contínuo para dentro e para fora do reator. A alimentação do reator pode ser conseguida por fluxo gravítico ou por fluxo de circulação forçada utilizando uma bomba. O CSTR é por vezes designado por reator de fluxo retro-misturado (BMR).
Os CSTRs são normalmente utilizados quando é necessária a agitação de dois ou mais líquidos. Os CSTR podem ser utilizados como reator único ou ser instalados como uma série de configurações para diferentes fluxos de concentração e etapas de reação. Para além da utilização de um reator de tanque único, é comum a instalação em série de vários tanques (um a seguir ao outro) ou a configuração em cascata.
Porquê a ultrassonografia? Sabe-se que a mistura e a agitação ultra-sónicas, bem como os efeitos sonoquímicos dos ultra-sons de potência, contribuem para a eficácia das reacções químicas. A mistura melhorada e a redução do tamanho das partículas devido às vibrações ultra-sónicas e à cavitação proporcionam uma cinética significativamente acelerada e uma taxa de conversão melhorada. Os efeitos sonoquímicos podem fornecer a energia necessária para iniciar reacções químicas, mudar as vias químicas e proporcionar rendimentos mais elevados devido a uma reação mais completa.

O CSTR intensificado por ultrassom pode ser usado para aplicações como:

• Reacções heterogéneas líquido-líquido
• Reacções heterogéneas sólido-líquido
• Reacções homogéneas em fase líquida
• Reacções heterogéneas gás-líquido
• Reacções heterogéneas gás-sólido-líquido

Ultrasonication como sistema químico sintético de alta velocidade

A química sintética de alta velocidade é uma nova técnica de reação utilizada para iniciar e intensificar a síntese química. Em comparação com as vias de reação tradicionais, que necessitam de várias horas ou dias sob refluxo, os reactores de síntese promovidos por ultra-sons podem minimizar a duração da reação para alguns minutos, resultando numa reação de síntese significativamente acelerada. A intensificação da síntese ultra-sônica é baseada no princípio de funcionamento da cavitação acústica e suas forças relacionadas, incluindo o superaquecimento localmente confinado. Saiba mais sobre ultrassom, cavitação acústica e sonoquímica na próxima seção.

Cavitação ultra-sónica e seus efeitos sonoquímicos

A cavitação ultra-sónica (ou acústica) ocorre quando os ultra-sons de potência são acoplados a líquidos ou lamas. A cavitação é a transição de uma fase líquida para uma fase de vapor, que ocorre devido a uma queda de pressão até ao nível da tensão de vapor do fluido.
A cavitação ultra-sónica cria forças de cisalhamento muito elevadas e jactos de líquido com até 1000m/s. Estes jactos de líquido aceleram as partículas e provocam colisões entre partículas, reduzindo assim o tamanho das partículas de sólidos e gotículas. Adicionalmente – localizada no interior e na proximidade da bolha de cavitação em implosão – são geradas pressões extremamente elevadas da ordem das centenas de atmosferas e temperaturas da ordem dos milhares de graus Kelvin.
Embora a ultra-sons seja um método de processamento puramente mecânico, pode produzir um aumento de temperatura extremo confinado localmente. Isto deve-se às forças intensas geradas no interior e na proximidade das bolhas de cavitação em colapso, onde facilmente podem ser atingidas temperaturas de vários milhares de graus Celsius. Na solução a granel, o aumento de temperatura resultante da implosão de uma única bolha é quase insignificante, mas a dissipação de calor de numerosas bolhas de cavitação como observado em hot-spots de cavitação (como gerado por sonicação com ultrassom de alta potência) pode finalmente causar um aumento de temperatura mensurável na temperatura a granel. A vantagem da ultra-sons e da sonoquímica reside nos efeitos controláveis da temperatura durante o processamento: O controlo da temperatura da solução a granel pode ser conseguido através da utilização de tanques com jaquetas de arrefecimento, bem como sonicação pulsada. Hielscher Ultrasonics' ultrasonicators sofisticados podem pausar o ultrassom quando um limite de temperatura superior é atingido e continuar com a ultrassonografia, logo que o valor mais baixo de um conjunto ∆T é atingido. Isto é especialmente importante quando são utilizados reagentes sensíveis ao calor.

A sonoquímica melhora a cinética da reação

Uma vez que a sonicação gera vibrações intensas e cavitação, a cinética química é afetada. A cinética de um sistema químico está intimamente relacionada com a expansão e implosão das bolhas de cavitação, afectando significativamente a dinâmica do movimento das bolhas. Os gases dissolvidos na solução da reação química afectam as caraterísticas de uma reação sonoquímica através de efeitos térmicos e químicos. Os efeitos térmicos influenciam as temperaturas de pico que são atingidas durante o colapso da bolha dentro do vazio da cavitação; os efeitos químicos modificam os efeitos dos gases, que estão diretamente envolvidos numa reação.
Reacções heterogéneas e homogéneas com cinética de reação lenta, incluindo reacções de acoplamento Suzuki, precipitação, cristalização e química de emulsões, estão predestinadas a ser iniciadas e promovidas através de ultra-sons de potência e dos seus efeitos sonoquímicos.
Por exemplo, para a síntese de ácido ferúlico, a sonicação de baixa frequência (20kHz) a uma potência de 180 W deu um rendimento de ácido ferúlico de 94% a 60 ° C em 3 h. Esses resultados de Truong et al. (2018) demonstram que o uso de baixa frequência (tipo de chifre e irradiação de alta potência) melhorou significativamente a taxa de conversão, dando rendimentos superiores a 90%.

Química de emulsão intensificada por ultrassom

As reacções heterogéneas, como a química das emulsões, beneficiam significativamente da aplicação de ultra-sons de potência. A cavitação ultra-sónica diminui e distribui as gotículas de cada fase de forma homogénea entre si, criando uma emulsão sub-micrónica ou nano-emulsão. Uma vez que as gotículas de tamanho nano oferecem uma área de superfície drasticamente aumentada para interagir com gotículas diferentes, a transferência de massa e a taxa de reação são significativamente melhoradas. Sob sonicação, as reacções conhecidas pela sua cinética tipicamente lenta mostram taxas de conversão dramaticamente melhoradas, rendimentos mais elevados, menos subprodutos ou resíduos e melhor eficiência global. A química de emulsão ultrassonicamente melhorada é frequentemente aplicada para polimerização de emulsões, por exemplo, para produzir misturas de polímeros, adesivos à base de água e polímeros especiais.

10 coisas que deve saber antes de comprar um reator químico

Quando se escolhe um reator químico para um processo químico, há muitos factores que influenciam a conceção ideal do reator químico. Se o seu processo químico envolve reacções químicas heterogéneas e multifásicas e tem uma cinética de reação lenta, a agitação do reator e a ativação do processo são factores de influência essenciais para uma conversão química bem sucedida e para os custos económicos (operacionais) do reator químico.
A ultrassonografia melhora significativamente a cinética da reação de reacções químicas líquido-líquido e líquido-sólido em reactores químicos descontínuos e em vasos de reação em linha. Assim, a integração de sondas ultra-sónicas num reator químico pode reduzir os custos do reator e melhorar a eficiência global e a qualidade do produto final.
Muitas vezes, a engenharia de reactores químicos carece de conhecimentos sobre a melhoria dos processos assistidos por ultra-sons. Sem um conhecimento profundo sobre a influência do ultrassom de potência, agitação ultra-sônica, cavitação acústica e efeitos sonoquímicos no desempenho do reator químico, a análise do reator químico e os fundamentos do projeto convencional podem produzir apenas resultados inferiores. Abaixo, você vai ter uma visão geral sobre os benefícios fundamentais de ultrassom para o projeto de reator químico e otimização.

As vantagens do Reator de Tanque Agitado Contínuo (CSTR) intensificado por ultra-sons

• • Reactores melhorados por ultra-sons para laboratório e produção:
    Fácil escalabilidade: Os processadores ultra-sónicos estão prontamente disponíveis para produção em laboratório, piloto e em grande escala
    Reprodutível / repetível resultados devido a parâmetros ultra-sónicos controláveis com precisão
    Capacidade e velocidade de reação: as reacções intensificadas por ultra-sons são mais rápidas e, por conseguinte, mais económicas (custos mais baixos)
  • A sonoquímica é aplicável tanto para fins gerais como para fins especiais

– adaptabilidade & versatilidade, por exemplo, opções flexíveis de instalação e configuração e utilização interdisciplinar

• A ultrassonografia pode ser utilizada em ambientes explosivos
  – purga (por exemplo, manta de azoto)
  – sem superfície aberta
• Limpeza simples: auto-limpeza (CIP – limpeza no local)
• Escolha os seus materiais de construção preferidos
  – vidro, aço inoxidável, titânio
  – sem vedantes rotativos
  – vasta escolha de vedantes
• Os ultrassons podem ser utilizados numa vasta gama de temperaturas
• Os ultrassons podem ser utilizados numa vasta gama de pressões
• Efeito sinérgico com outras tecnologias, por exemplo, a eletroquímica (sonoelectroquímica), a catálise (sono-catálise), a cristalização (sono-cristalização), etc.
• A sonicação é ideal para melhorar os bioreactores, por exemplo, a fermentação.
• Dissolução / Dissolver: Nos processos de dissolução, as partículas passam de uma fase para a outra, por exemplo, quando partículas sólidas se dissolvem num líquido. Verifica-se que o grau de agitação influencia a velocidade do processo. Muitos cristais pequenos dissolvem-se muito mais rapidamente sob cavitação ultra-sónica do que em reactores descontínuos agitados convencionalmente. Também aqui, a razão para diferentes velocidades reside nas diferentes taxas de transferência de massa nas superfícies das partículas. Por exemplo, a ultrassonografia é aplicada com sucesso para criar soluções supersaturadas, por exemplo, em processos de cristalização (sono-cristalização).
• Extração química promovida por ultra-sons:
  – Líquido-Sólido, por exemplo, extração botânica, extração química
  – Líquido-Líquido: Quando os ultra-sons são aplicados a um sistema de extração líquido-líquido, é criada uma emulsão de uma das fases na outra. Esta formação de emulsão leva ao aumento das áreas interfaciais entre as duas fases imiscíveis, resultando num fluxo de transferência de massa melhorado entre as fases.

Como é que a sonicação melhora as reacções químicas em reactores de tanque agitado?

• Maior área de superfície de contacto: Nas reacções entre reagentes em fases heterogéneas, apenas as partículas que colidem umas com as outras na interface podem reagir. Quanto maior for a interface, mais colisões podem ocorrer. À medida que uma porção líquida ou sólida de uma substância é quebrada em gotículas mais pequenas ou partículas sólidas suspensas num líquido em fase contínua, a área de superfície desta substância aumenta. Além disso, como resultado da redução do tamanho, o número de partículas aumenta e, por conseguinte, a distância média entre estas partículas diminui. Isto melhora a exposição da fase contínua à fase dispersa. Por conseguinte, a taxa de reação aumenta com o grau de fragmentação da fase dispersa. Muitas reacções químicas em dispersões ou emulsões mostram melhorias drásticas na velocidade de reação como resultado da redução ultra-sónica do tamanho das partículas.
• Catálise (Energia de ativação): Os catalisadores são de grande importância em muitas reacções químicas, no desenvolvimento laboratorial e na produção industrial. Frequentemente, os catalisadores encontram-se em fase sólida ou líquida e são imiscíveis com um reagente ou com todos os reagentes. Por conseguinte, na maioria das vezes, a catálise é uma reação química heterogénea. Na produção dos produtos químicos de base mais importantes, como o ácido sulfúrico, o amoníaco, o ácido nítrico, o eteno e o metanol, os catalisadores desempenham um papel importante. Grandes áreas da tecnologia ambiental baseiam-se em processos catalíticos. A colisão de partículas só conduz a uma reação química, ou seja, a um reagrupamento de átomos, se as partículas colidirem com energia cinética suficiente. Ultrasonication é um meio altamente eficiente para aumentar a cinética em reatores químicos. Num processo de catálise heterogénea, a adição de ultra-sons a uma conceção de reator químico pode reduzir a necessidade de um catalisador. Isto pode resultar na utilização de menos catalisador ou de catalisadores inferiores e menos nobres.
• Maior frequência de contacto / Melhoria da transferência de massa: A mistura e agitação ultra-sónica é um método altamente eficaz para gerar gotículas e partículas minúsculas (ou seja, sub-microns e nano-partículas), que oferecem uma superfície ativa mais elevada para as reacções. Sob a agitação intensa adicional e o micro-movimento causado pelos ultra-sons de potência, a frequência do contacto entre partículas é drasticamente aumentada, resultando numa taxa de conversão significativamente melhorada.
• Plasma comprimido: Para muitas reacções, um aumento de 10 Kelvin na temperatura do reator faz com que a taxa de reação duplique aproximadamente. A cavitação ultra-sónica produz pontos quentes altamente reactivos localizados até 5000 K no líquido, sem aquecimento substancial do volume total do líquido no reator químico.
• Energia térmica: Qualquer energia ultra-sónica que se adicione ao design de um reator químico será finalmente convertida em energia térmica. Assim, é possível reutilizar a energia para o processo químico. Em vez de uma entrada de energia térmica por elementos de aquecimento ou vapor, ultrasonication introduz um processo de ativação de energia mecânica por meio de vibrações de alta frequência. No reator químico, isso produz cavitação ultra-sônica que ativou o processo químico em vários níveis. Finalmente, o imenso cisalhamento ultrassónico dos produtos químicos resulta na conversão em energia térmica, ou seja, calor. Pode utilizar reactores descontínuos encamisados ou reactores em linha para arrefecimento, de modo a manter uma temperatura de processo constante para a sua reação química.

Ultrasonicators de alto desempenho para reações químicas melhoradas em CSTR

A Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui homogeneizadores e dispersores ultra-sônicos de alto desempenho para a integração em reatores de tanque agitado contínuo (CSTR). Os ultra-sons Hielscher são utilizados em todo o mundo para promover, intensificar, acelerar e melhorar as reacções químicas.
Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos estão disponíveis em qualquer tamanho, desde pequenos dispositivos de laboratório a grandes processadores industriais para aplicações de química de fluxo. O ajuste preciso da amplitude ultra-sônica (que é o parâmetro mais importante) permite operar ultrasonicators Hielscher em amplitudes baixas a muito altas e ajustar a amplitude exatamente às condições de processo ultra-sônico necessárias do sistema de reação química específico.
O gerador de ultra-sons da Hielscher dispõe de um software inteligente com protocolo automático de dados. Todos os parâmetros de processamento importantes, como a energia ultra-sónica, a temperatura, a pressão e o tempo, são automaticamente armazenados num cartão SD integrado, assim que o dispositivo é ligado.
A monitorização do processo e o registo de dados são importantes para a padronização contínua do processo e para a qualidade do produto. Ao aceder aos dados de processo registados automaticamente, pode rever execuções de sonicação anteriores e avaliar o resultado.
Outra caraterística de fácil utilização é o controlo remoto via browser dos nossos sistemas ultra-sónicos digitais. Através do controlo remoto via browser, pode iniciar, parar, ajustar e monitorizar o seu processador ultrassónico remotamente a partir de qualquer lugar.
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O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: