Reatores de tanque continuamente agitado agitados com ultrassom

Os reatores de tanque continuamente agitados (CSTR) são amplamente aplicados para várias reações químicas, incluindo catálise, química de emulsão, polimerização, síntese, extração e cristalização. A cinética de reação lenta é um problema comum no CSTR, que pode ser facilmente superado pela aplicação de ultrassom de potência. A mistura intensa, a agitação e os efeitos sonoquímicos do ultrassom acelerado aceleram a cinética da reação e melhoram significativamente a taxa de conversão. Os ultrasonicadores podem ser facilmente integrados em CSTRs de qualquer volume.

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

Um reator de tanque continuamente agitado (CSTR, ou simplesmente reator de tanque agitado (STR)) é em suas principais características bastante semelhante ao reator em batelada. A principal diferença importante é que, para a configuração do reator de tanque agitado contínuo (CSTR), a alimentação do material deve ser fornecida em fluxo contínuo para dentro e para fora do reator. A alimentação do reator pode ser alcançada por fluxo por gravidade ou fluxo de circulação forçada usando uma bomba. O CSTR às vezes é chamado de reator de fluxo de mistura reversa (BMR).
Os CSTRs são comumente usados quando a agitação de dois ou mais líquidos é necessária. Os CSTRs podem ser usados como reator único ou instalados como uma série de configurações para diferentes fluxos de concentração e etapas de reação. Além do uso de um único reator de tanque, a instalação em série de vários tanques (um após o outro) ou a configuração em cascata são comumente usadas.
Por que ultrassom? A mistura e agitação ultrassônicas, bem como os efeitos sonoquímicos do ultrassom de potência, são bem conhecidos por contribuir para a eficiência das reações químicas. A mistura aprimorada e a redução do tamanho das partículas devido às vibrações ultrassônicas e cavitação fornecem uma cinética significativamente acelerada e uma taxa de conversão aprimorada. Os efeitos sonoquímicos podem fornecer a energia necessária para iniciar reações químicas, mudar as vias químicas e dar maiores rendimentos devido a uma reação mais completa.

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

• Reações líquido-líquido heterogêneas
• Reações sólido-líquido heterogêneas
• Reações homogêneas em fase líquida
• Reações gás-líquido heterogêneas
• Reações heterogêneas gás-sólido-líquido

Ultrassom como sistema químico sintético de alta velocidade

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

Cavitação ultrassônica e seus efeitos sonoquímicos

A cavitação ultrassônica (ou acústica) ocorre quando o ultrassom de potência é acoplado a líquidos ou pastas. A cavitação é a transição de uma fase líquida para uma fase de vapor, que ocorre devido a uma queda de pressão até o nível da tensão de vapor do fluido.
A cavitação ultrassônica cria forças de cisalhamento muito altas e jatos de líquido com até 1000m/s. Esses jatos de líquido aceleram as partículas e causam colisões entre partículas, reduzindo assim o tamanho das partículas de sólidos e gotículas. Adicionalmente – localizado dentro e nas proximidades da bolha de cavitação implodindo – pressões extremamente altas da ordem de centenas de atmosferas e temperaturas da ordem de milhares de graus Kelvin são geradas.
Embora a ultrassonografia seja um método de processamento puramente mecânico, ela pode produzir um aumento extremo de temperatura confinado localmente. Isso se deve às intensas forças geradas dentro e nas proximidades das bolhas de cavitação em colapso, onde facilmente temperaturas de vários milhares de graus Celsius podem ser alcançadas. Na solução a granel, o aumento de temperatura resultante de uma única implosão de bolha é quase insignificante, mas a dissipação de calor de numerosas bolhas de cavitação, conforme observado em pontos quentes de cavitação (como gerado por sonicação com ultrassom de alta potência) pode finalmente causar um aumento mensurável de temperatura na temperatura a granel. A vantagem da ultrassonografia e da sonoquímica reside nos efeitos controláveis da temperatura durante o processamento: O controle de temperatura da solução a granel pode ser obtido usando tanques com camisas de resfriamento, bem como sonicação pulsada. Os sofisticados ultrassônicos da Hielscher Ultrasonics podem pausar o ultrassom quando um limite superior de temperatura é atingido e continuar com a ultrassonografia assim que o valor mais baixo de um conjunto ∆T for atingido. Isso é especialmente importante quando são usados reagentes sensíveis ao calor.

A sonoquímica melhora a cinética da reação

Como a sonicação gera vibrações intensas e cavitação, a cinética química é afetada. A cinética de um sistema químico se correlaciona intimamente com a expansão e implosão da bolha de cavitação, impactando significativamente a dinâmica do movimento da bolha. Os gases dissolvidos na solução de reação química afetam as características de uma reação sonoquímica por meio de efeitos térmicos e químicos. Os efeitos térmicos influenciam as temperaturas máximas que são atingidas durante o colapso da bolha dentro do vazio de cavitação; Os efeitos químicos modificam os efeitos dos gases, que estão diretamente envolvidos em uma reação.
Reações heterogêneas e homogêneas com cinética de reação lenta, incluindo reações de acoplamento de Suzuki, precipitação, cristalização e química de emulsão, são predestinadas a serem iniciadas e promovidas por meio de ultrassom de potência e 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 buzina e irradiação de alta potência) melhorou significativamente a taxa de conversão, proporcionando rendimentos superiores a 90%.

Química de emulsão intensificada por ultrassom

Reações heterogêneas, como a química da emulsão, se beneficiam significativamente da aplicação do ultrassom de potência. A cavitação ultrassônica diminuiu e distribuiu as gotículas de cada fase de forma homogênea dentro umas das outras, criando uma sub-micron ou nano-emulsão. Como as gotículas nanométricas oferecem uma área de superfície drasticamente aumentada para interagir com diferentes gotículas, a transferência de massa e a taxa de reação são significativamente melhoradas. Sob sonicação, as reações conhecidas por sua cinética tipicamente lenta mostram taxas de conversão drasticamente melhoradas, rendimentos mais altos, menos subprodutos ou resíduos e melhor eficiência geral. A química de emulsão aprimorada por ultrassom 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 você deve saber antes de comprar um reator químico

Quando você escolhe um reator químico para um processo químico, há muitos fatores que influenciam o projeto ideal do reator químico. Se o seu processo químico envolve reações químicas heterogêneas e multifásicas e tem cinética de reação lenta, a agitação do reator e a ativação do processo são fatores de influência essenciais para uma conversão química bem-sucedida e para os custos econômicos (operacionais) do reator químico.
A ultrassonografia melhora significativamente a cinética de reação de reações químicas líquido-líquido e líquido-sólido em reatores de batelada química e vasos de reação em linha. Assim, a integração de sondas ultrassônicas em um reator químico pode reduzir os custos do reator e melhorar a eficiência geral e a qualidade do produto final.
Muitas vezes, a engenharia de reatores químicos carece de conhecimento sobre aprimoramento de processos assistidos por ultrassom. Sem um conhecimento profundo sobre a influência do ultrassom de potência, agitação ultrassônica, 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 terá uma visão geral sobre os benefícios fundamentais do ultrassom para o projeto e otimização de reatores químicos.

As vantagens do reator de tanque agitado contínuo intensificado por ultrassom (CSTR)

• • Reatores ultrassônicos aprimorados para laboratório e produção:
    Fácil escalabilidade: Os processadores ultrassônicos estão prontamente disponíveis para produção em laboratório, piloto e em larga escala
    Reproduzível / repetível resultados devido a parâmetros ultrassônicos controláveis com precisão
    Capacidade e velocidade de reação: as reações intensificadas por ultrassom são mais rápidas e, portanto, mais econômicas (custos mais baixos)
  • A sonoquímica é aplicável para fins gerais e especiais

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

• A ultrassonografia pode ser usada em ambientes explosivos
  – purga (por exemplo, manta de nitrogênio)
  – sem superfície aberta
• Limpeza simples: autolimpeza (CIP – limpeza no local)
• Escolha seus materiais de construção preferidos
  – em vidro, em aço inoxidável, em titânio
  – Sem vedações rotativas
  – Ampla escolha de selantes
• Os ultrassônicos podem ser usados em uma ampla faixa de temperaturas
• Os ultrassônicos podem ser usados em uma ampla gama de pressões
• Efeito sinérgico com outras tecnologias, por exemplo, eletroquímica (sono-eletroquímica), catálise (sono-catálise), cristalização (sono-cristalização) etc.
• A sonicação é ideal para melhorar os biorreatores, por exemplo, fermentação.
• Dissolução / Dissolução: Nos processos de dissolução, as partículas passam de uma fase para outra, por exemplo, quando partículas sólidas se dissolvem em um líquido. Verifica-se que o grau de agitação influencia a velocidade do processo. Muitos pequenos cristais se dissolvem muito mais rápido sob cavitação ultrassônica do que um em reatores de batelada convencionalmente agitados. Aqui, também, a razão para velocidades diferentes está 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 ultrassom:
  – Líquido-Sólido, por exemplo, extração botânica, extração química
  – Líquido-Líquido: Quando o ultrassom é aplicado a um sistema de extração líquido-líquido, é criada uma emulsão de uma das fases na outra. Essa formação de emulsão leva ao aumento das áreas interfaciais entre as duas fases imiscíveis, resultando em um fluxo de transferência de massa aprimorado entre as fases.

Como a sonicação melhora as reações químicas em reatores de tanque agitado?

• Maior área de superfície de contato: Em reações entre reagentes em fases heterogêneas, apenas as partículas que colidem umas com as outras na interface podem reagir. Quanto maior a interface, mais colisões podem ocorrer. À medida que uma porção líquida ou sólida de uma substância é quebrada em gotículas menores ou partículas sólidas suspensas em um líquido de fase contínua, a área de superfície dessa substância aumenta. Além disso, como resultado da redução do tamanho, o número de partículas aumenta e, portanto, a distância média entre essas partículas diminui. Isso melhora a exposição da fase contínua à fase dispersa. Portanto, a taxa de reação aumenta com o grau de fragmentação da fase dispersa. Muitas reações químicas em dispersões ou emulsões mostram melhorias drásticas na velocidade de reação como resultado da redução do tamanho das partículas ultrassônicas.
• Catálise (Energia de Ativação): Os catalisadores são de grande importância em muitas reações químicas, no desenvolvimento de laboratório e na produção industrial. Freqüentemente, os catalisadores estão em fase sólida ou líquida e imiscíveis com um ou todos os reagentes. Portanto, na maioria das vezes, a catálise é uma reação química heterogênea. Na produção dos produtos químicos básicos mais importantes, como ácido sulfúrico, amônia, ácido nítrico, eteno e metanol, os catalisadores desempenham um papel importante. Grandes áreas de tecnologia ambiental são baseadas em processos catalíticos. Uma colisão de partículas leva a uma reação química, ou seja, um reagrupamento de átomos, somente se as partículas colidirem com energia cinética suficiente. A ultrassonografia é um meio altamente eficiente de aumentar a cinética em reatores químicos. Em um processo de catálise heterogêneo, a adição de ultrassom a um projeto de reator químico pode reduzir a necessidade de um catalisador. Isso pode resultar no uso de menos catalisador ou catalisadores inferiores e menos nobres.
• Maior frequência de contato / Transferência de massa aprimorada: A mistura e agitação ultrassônica é um método altamente eficaz para gerar gotículas e partículas minúsculas (ou seja, submícrons e nanopartículas), que oferecem uma superfície ativa mais alta para reações. Sob a intensa agitação adicional e micromovimento causado pelo ultrassom de potência, a frequência de contato entre partículas é drasticamente aumentada, resultando em uma taxa de conversão significativamente melhorada.
• Plasma comprimido: Para muitas reações, um aumento de 10 Kelvin na temperatura do reator faz com que a taxa de reação dobre. A cavitação ultrassônica produz pontos quentes altamente reativos localizados de até 5000K dentro do líquido, sem aquecimento substancial do volume total do líquido no reator químico.
• Calor: Qualquer energia ultrassônica que você adicionar a um projeto de reator químico será finalmente convertida em energia térmica. Portanto, você pode reutilizar a energia para o processo químico. Em vez de uma entrada de energia térmica por elementos de aquecimento ou vapor, a ultrassonografia introduz um processo que ativa a energia mecânica por meio de vibrações de alta frequência. No reator químico, isso produz cavitação ultrassônica que ativou o processo químico em vários níveis. Finalmente, o imenso cisalhamento ultrassônico dos produtos químicos resulta na conversão em energia térmica, ou seja, calor. Você pode usar reatores de batelada encamisados ou reatores em linha para resfriamento, a fim de manter uma temperatura de processo constante para sua reação química.

Ultrassonicadores de alto desempenho para reações químicas aprimoradas em CSTR

A Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui homogeneizadores e dispersores ultrassônicos de alto desempenho para a integração em reatores de tanque agitado contínuo (CSTR). Os ultrassônicos Hielscher são usados em todo o mundo para promover, intensificar, acelerar e melhorar as reações químicas.
Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultrassônicos estão disponíveis em qualquer tamanho, desde pequenos dispositivos de laboratório até grandes processadores industriais para aplicações de química de fluxo. O ajuste preciso da amplitude ultrassônica (que é o parâmetro mais importante) permite operar os ultrasonicadores Hielscher em amplitudes baixas a muito altas e ajustar a amplitude exatamente às condições de processo ultrassônico exigidas do sistema de reação química específico.
O gerador ultrassônico da Hielscher apresenta um software inteligente com protocolo automático de dados. Todos os parâmetros de processamento importantes, como energia ultrassônica, temperatura, pressão e tempo, são armazenados automaticamente em um cartão SD integrado assim que o dispositivo é ligado.
O monitoramento do processo e o registro de dados são importantes para a padronização contínua do processo e a qualidade do produto. Ao acessar os dados do processo gravados automaticamente, você pode revisar as execuções de sonicação anteriores e avaliar o resultado.
Outro recurso fácil de usar é o controle remoto do navegador de nossos sistemas ultrassônicos digitais. Através do controle remoto do navegador, você pode iniciar, parar, ajustar e monitorar seu processador ultrassônico remotamente de qualquer lugar.
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A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: