Reatores de tanque com agitação contínua agitados por ultrassons

Os reatores de tanque com agitação contínua (CSTR) são amplamente utilizados em diversas reações químicas, incluindo catálise, química de emulsões, polimerização, síntese, extração e cristalização. A cinética reacional lenta é um problema comum nos CSTR, que pode ser facilmente ultrapassado através da aplicação de sonicação de potência. A mistura e a agitação intensas, bem como os efeitos sonoquímicos dos ultrassons de potência, aceleram a cinética reacional e melhoram significativamente a taxa de conversão. Os sonicadores podem ser facilmente integrados em CSTR de qualquer volume.

Porquê aplicar ultrassons de potência a um reator de tanque com agitação contínua?

Um reator de tanque com agitação contínua (CSTR, ou simplesmente reator de tanque agitado (STR)) é, nas suas características principais, bastante semelhante a um reator descontínuo. A principal diferença é que, na configuração de um reator de tanque com agitação contínua (CSTR), o material tem de ser alimentado e descarregado em fluxo contínuo. A alimentação do reator pode ser efetuada por escoamento gravítico ou por circulação forçada com recurso a uma bomba. O CSTR é por vezes designado reator de fluxo com retromistura (BMR).
Os CSTR são habitualmente utilizados quando é necessário agitar dois ou mais líquidos. Os CSTR podem ser utilizados como reator único ou instalados numa série de configurações para correntes de diferentes concentrações e etapas de reação. Para além da utilização de um único reator de tanque, são comuns a instalação de vários tanques em série (um após o outro) ou a configuração em cascata.
Porquê a sonicação? É bem conhecido o contributo da mistura e da agitação ultrassónicas, bem como dos efeitos sonoquímicos dos ultrassons de potência, para a eficiência das reações químicas. A melhoria da mistura e a redução do tamanho das partículas devido às vibrações ultrassónicas e à cavitação proporcionam uma cinética significativamente acelerada e uma taxa de conversão melhorada. Os efeitos sonoquímicos podem fornecer a energia necessária para iniciar reações químicas, alterar vias reacionais e proporcionar rendimentos mais elevados devido a uma reação mais completa.

Os CSTR intensificados por ultrassons podem ser utilizados em aplicações como:

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

Sonicação como sistema de síntese química de alta velocidade

A química de síntese de alta velocidade é uma técnica reacional inovadora utilizada para iniciar e intensificar a síntese química. Em comparação com as vias reacionais tradicionais, que exigem várias horas ou dias sob refluxo, os reatores de síntese promovida por ultrassons podem minimizar a duração da reação para alguns minutos, resultando numa reação de síntese significativamente acelerada. A intensificação ultrassónica da síntese baseia-se no princípio de funcionamento da cavitação acústica e nas forças associadas, incluindo o sobreaquecimento confinado localmente. Saiba mais sobre ultrassons, cavitação acústica e sonoquímica na secção seguinte.

Cavitação ultrassónica e os seus efeitos sonoquímicos

A cavitação ultrassónica (ou acústica) ocorre quando os ultrassons de potência são acoplados a líquidos ou suspensões. A cavitação é a transição de uma fase líquida para uma fase de vapor, que ocorre devido a uma diminuição da pressão até ao nível da pressão de vapor do fluido.
A cavitação ultrassónica cria forças de cisalhamento muito elevadas e jatos de líquido com velocidades até 1000m/s. Estes jatos de líquido aceleram as partículas e provocam colisões entre partículas, reduzindo assim o tamanho das partículas sólidas e das gotículas. Além disso – no interior e nas proximidades da bolha de cavitação em implosão – são geradas pressões extremamente elevadas, da ordem de centenas de atmosferas, e temperaturas da ordem de milhares de graus Kelvin.
Embora a sonicação seja um método de processamento puramente mecânico, pode produzir um aumento extremo da temperatura confinado localmente. Isto deve-se às forças intensas geradas no interior e nas proximidades das bolhas de cavitação em colapso, onde podem facilmente ser atingidas temperaturas de vários milhares de graus Celsius. No conjunto da solução, o aumento da temperatura resultante da implosão de uma única bolha é quase negligenciável, mas a dissipação de calor de numerosas bolhas de cavitação, observada nos pontos quentes de cavitação (como os gerados pela sonicação com ultrassons de alta potência), pode acabar por causar um aumento mensurável da temperatura global. A vantagem da sonicação e da sonoquímica reside nos efeitos térmicos controláveis durante o processamento: o controlo da temperatura global da solução pode ser conseguido através da utilização de tanques com camisas de arrefecimento, bem como de sonicação pulsada. Os sofisticados sonicadores da Hielscher Ultrasonics podem interromper os ultrassons quando é atingido um limite superior de temperatura e retomar a sonicação assim que é atingido o valor inferior de um ∆T definido. Isto é especialmente importante quando se utilizam reagentes sensíveis ao calor.

A sonoquímica melhora a cinética reacional

Uma vez que a sonicação gera vibrações intensas e cavitação, a cinética química é afetada. A cinética de um sistema químico está estreitamente correlacionada com a expansão e a implosão das bolhas de cavitação, influenciando assim significativamente a dinâmica do movimento das bolhas. Os gases dissolvidos na solução da reação química afetam as características de uma reação sonoquímica através de efeitos térmicos e químicos. Os efeitos térmicos influenciam as temperaturas máximas atingidas durante o colapso das bolhas no interior da cavidade de cavitação; os efeitos químicos modificam os efeitos dos gases diretamente envolvidos numa reação.
As reações heterogéneas e homogéneas com cinética reacional lenta, incluindo reações de acoplamento de Suzuki, precipitação, cristalização e química de emulsões, são particularmente adequadas para serem iniciadas e promovidas através dos ultrassons de potência e dos seus efeitos sonoquímicos.
Por exemplo, na síntese de ácido ferúlico, a sonicação de baixa frequência (20kHz), com uma potência de 180 W, proporcionou um rendimento de ácido ferúlico de 94% a 60°C em 3 h. Estes resultados de Truong et al. (2018) demonstram que a utilização de baixa frequência (do tipo corneta e com irradiação de alta potência) melhorou significativamente a taxa de conversão, proporcionando rendimentos superiores a 90%.

Química de emulsões intensificada por ultrassons

As reações heterogéneas, como as da química de emulsões, beneficiam significativamente da aplicação de ultrassons de potência. A cavitação ultrassónica reduziu o tamanho das gotículas de cada fase e distribuiu-as homogeneamente umas nas outras, criando uma emulsão submicrométrica ou uma nanoemulsão. Uma vez que as gotículas de dimensão nanométrica oferecem uma área superficial drasticamente maior para interagir com outras gotículas, a transferência de massa e a velocidade de reação são significativamente melhoradas. Sob sonicação, as reações conhecidas pela sua cinética tipicamente lenta apresentam taxas de conversão drasticamente melhoradas, rendimentos mais elevados, menos subprodutos ou resíduos e uma melhor eficiência global. A química de emulsões melhorada por ultrassons é frequentemente aplicada à polimerização em emulsão, por exemplo, para produzir misturas de polímeros, adesivos de base aquosa e polímeros especiais.

10 coisas que deve saber antes de comprar um reator químico

Ao escolher um reator químico para um processo químico, existem muitos fatores que influenciam a conceção ideal do reator. Se o seu processo químico envolver reações químicas heterogéneas multifásicas e tiver uma cinética reacional lenta, a agitação do reator e a ativação do processo são fatores essenciais para uma conversão química bem-sucedida e para custos (operacionais) económicos do reator químico.
A sonicação melhora significativamente a cinética reacional das reações químicas líquido-líquido e líquido-sólido em reatores químicos descontínuos e em vasos de reação em linha. Assim, a integração de sondas ultrassónicas num reator químico pode reduzir os custos do reator e melhorar a eficiência global e a qualidade do produto final.
Muito frequentemente, a engenharia de reatores químicos carece de conhecimentos sobre a melhoria dos processos assistida por ultrassons. Sem um conhecimento aprofundado da influência dos ultrassons de potência, da agitação ultrassónica, da cavitação acústica e dos efeitos sonoquímicos no desempenho dos reatores químicos, a análise de reatores químicos e os fundamentos convencionais de conceção apenas podem produzir resultados inferiores. Abaixo, encontrará uma visão geral dos benefícios fundamentais dos ultrassons para a conceção e a otimização de reatores químicos.

As vantagens do reator de tanque com agitação contínua (CSTR) intensificado por ultrassons

• • Reatores melhorados por ultrassons para laboratório e produção:
    Fácil aumento de escala: Os processadores ultrassónicos estão prontamente disponíveis para utilização à escala laboratorial, piloto e de produção em grande escala
    Reprodutíveis / repetíveis são os resultados, graças a parâmetros ultrassónicos controláveis com precisão
    Capacidade e velocidade de reação: as reações intensificadas por ultrassons são mais rápidas e, por conseguinte, mais económicas (custos mais baixos)
  • A sonoquímica é aplicável tanto a fins gerais como a fins especiais

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

• A sonicação pode ser utilizada em ambientes explosivos
  – purga (por exemplo, atmosfera protetora de azoto)
  – sem superfície aberta
• Limpeza simples: autolimpeza (CIP – limpeza no local)
• Escolha os materiais de construção da sua preferência
  – vidro, aço inoxidável, titânio
  – sem vedantes rotativos
  – ampla escolha de materiais de vedação
• Os sonicadores podem ser utilizados numa ampla gama de temperaturas
• Os sonicadores podem ser utilizados numa ampla gama de pressões
• Efeito sinérgico com outras tecnologias, por exemplo, eletroquímica (sonoeletroquímica), catálise (sonocatálise), cristalização (sonocristalização), etc.
• A sonicação é ideal para melhorar os biorreatores, por exemplo, na fermentação.
• Dissolução / Dissolver: nos processos de dissolução, as partículas passam de uma fase para 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 ultrassónica do que um único cristal em reatores descontínuos com agitação convencional. Também aqui, a razão para as diferentes velocidades reside nas diferentes taxas de transferência de massa nas superfícies das partículas. Por exemplo, a sonicação é aplicada com sucesso para criar soluções sobressaturadas, nomeadamente em processos de cristalização (sonocristalização).
• Extração química promovida por ultrassons:
  – Líquido-sólido, por exemplo, extração botânica, extração química
  – Líquido-líquido: quando se aplicam ultrassons a um sistema de extração líquido-líquido, cria-se uma emulsão de uma das fases na outra. Esta formação de emulsão aumenta as áreas interfaciais entre as duas fases imiscíveis, resultando num fluxo de transferência de massa melhorado entre as fases.

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

• Maior área superficial de contacto: Nas reações entre reagentes em fases heterogéneas, apenas as partículas que colidem entre si 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 fragmentada em gotículas ou partículas sólidas mais pequenas, suspensas num líquido que constitui a fase contínua, a área superficial desta substância aumenta. Além disso, em 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. Assim, a velocidade de reação aumenta com o grau de fragmentação da fase dispersa. Muitas reações químicas em dispersões ou emulsões apresentam melhorias drásticas na velocidade de reação em resultado da redução ultrassónica do tamanho das partículas.
• Catálise (energia de ativação): Os catalisadores têm grande importância em muitas reações químicas, no desenvolvimento laboratorial e na produção industrial. Frequentemente, os catalisadores encontram-se em fase sólida ou líquida e são imiscíveis com um dos reagentes ou com todos eles. Por conseguinte, na maioria dos casos, 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. Vastas áreas da tecnologia ambiental baseiam-se em processos catalíticos. Uma colisão de partículas só conduz a uma reação química, ou seja, a um reagrupamento de átomos, se as partículas colidirem com energia cinética suficiente. A sonicação é um meio altamente eficiente para aumentar a cinética nos reatores químicos. Num processo de catálise heterogénea, a inclusão de ultrassons na conceção de um reator químico pode reduzir a necessidade de catalisador. Isto pode resultar na utilização de menos catalisador ou de catalisadores inferiores, menos nobres.
• Maior frequência de contacto / Melhor transferência de massa: A mistura e a agitação ultrassónicas são um método altamente eficaz para gerar gotículas e partículas minúsculas (ou seja, partículas submicrométricas e nanopartículas), que oferecem uma superfície ativa maior para as reações. Sob a agitação intensa adicional e os micromovimentos causados pelos ultrassons de potência, a frequência de contacto entre partículas aumenta drasticamente, resultando numa taxa de conversão significativamente melhorada.
• Plasma comprimido: Em muitas reações, um aumento de 10 Kelvin na temperatura do reator faz com que a velocidade de reação aproximadamente duplique. A cavitação ultrassónica produz pontos quentes localizados altamente reativos, com temperaturas até 5000K no interior do líquido, sem aquecimento substancial do volume total de líquido no reator químico.
• Energia térmica: Qualquer energia ultrassónica que adicione à conceção de um reator químico acabará por ser convertida em energia térmica. Assim, pode reutilizar a energia no processo químico. Em vez de fornecer energia térmica através de elementos de aquecimento ou de vapor, a sonicação introduz energia mecânica que ativa o processo por meio de vibrações de alta frequência. No reator químico, isto produz cavitação ultrassónica que ativa o processo químico a vários níveis. Por fim, o intenso cisalhamento ultrassónico dos produtos químicos resulta na conversão em energia térmica, ou seja, calor. Pode utilizar reatores descontínuos com camisa ou reatores em linha para arrefecimento, de modo a manter uma temperatura de processo constante para a sua reação química.

Sonicadores de elevado desempenho para melhorar as reações químicas em CSTR

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui homogeneizadores ultrassónicos e dispersores de elevado desempenho para integração em reatores de tanque com agitação contínua (CSTR). Os sonicadores Hielscher são utilizados em todo o mundo para promover, intensificar, acelerar e melhorar reações químicas.
Os processadores ultrassónicos da Hielscher Ultrasonics estão disponíveis em qualquer dimensão, desde pequenos dispositivos de laboratório até grandes processadores industriais para aplicações de química em fluxo. O ajuste preciso da amplitude ultrassónica (que é o parâmetro mais importante) permite operar os sonicadores Hielscher a amplitudes baixas a muito elevadas e ajustar finamente a amplitude às condições de processo ultrassónico exigidas pelo sistema específico de reação química.
O gerador ultrassónico da Hielscher dispõe de software inteligente com registo automático de dados. Todos os parâmetros de processamento importantes, como a energia ultrassónica, a temperatura, a pressão e o tempo, são automaticamente guardados num cartão SD integrado assim que o dispositivo é ligado.
A monitorização do processo e o registo de dados são importantes para a normalização contínua do processo e a qualidade do produto. Ao aceder aos dados do processo registados automaticamente, pode rever operações anteriores de sonicação e avaliar os resultados.
Outra funcionalidade fácil de utilizar é o controlo remoto dos nossos sistemas ultrassónicos digitais através do navegador. Com este controlo remoto através do navegador, pode iniciar, parar, ajustar e monitorizar o seu processador ultrassónico à distância, a partir de qualquer lugar.
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A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: