Reatores de tanques continuamente agitados com ultrassom

Reatores de tanques 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 na CSTR, que pode ser facilmente superado pela aplicação da ultrassônica de energia. A intensa mistura, agitação e os efeitos sonoquímicos do power-ultrasound aceleram a cinética da reação e melhoram significativamente a taxa de conversão. Ultrassonicadores podem ser facilmente integrados em CSTRs de qualquer volume.

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

Ultrasonically intensified CSTR: Power-ultrasound prootes chemical reactions by intense agitation.Um reator de tanque continuamente agitado (CSTR, ou simplesmente reator de tanque agitado (STR)) está em suas características principais bastante semelhante ao reator de lote. A grande diferença importante é que, para a configuração contínua do reator do tanque agitado (CSTR), a alimentação do material deve ser fornecida em fluxo contínuo dentro e fora do reator. Alimentar o reator pode ser alcançado pelo fluxo de gravidade ou fluxo de circulação forçada usando uma bomba. O CSTR é às vezes chamado de reator de fluxo misturado (BMR).
CSTRs são comumente usados quando é necessária agitação de dois ou mais líquidos. Os CSTRs podem ser usados como reator único ou ser 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 serial de vários tanques (um após o outro) ou a configuração em cascata são comumente utilizadas.
Por que ultrassônica? Mistura ultrassônica e agitação, bem como os efeitos sonoquímicos do ultrassom de energia são bem conhecidos por contribuir para a eficiência das reações químicas. A melhor redução do tamanho da mistura e das partículas devido a vibrações ultrassônicas e cavitação fornecem uma cinética significativamente acelerada e uma taxa de conversão aprimorada. Efeitos sonográficos podem fornecer a energia necessária para iniciar reações químicas, mudar vias químicas e dar maiores rendimentos devido a uma reação mais completa.

CSTR ultrasonicamente intensificada pode ser usado para aplicações como:

  • Reações heterogêneas líquido-líquido
  • Reações heterogêneas de líquido sólido
  • Reações homogêneas da fase líquida
  • Reações heterogêneas gás-líquido
  • Reações heterogêneas gás-líquido sólido

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The ultrasonicator UP200St in a stirred vessel for emulsification of reactants

Reator de tanque continuamente agitado (CSTR) com ultrassonicador UP200St para intensificação de processos

Ultrassônica como Sistema Químico Sintético de Alta Velocidade

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

Cavitação Ultrassônica e seus Efeitos Sonoquímicos

A cavitação ultrassônica (ou acústica) ocorre quando o ultrassom de energia é acoplado em líquidos ou chorumes. 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 líquidos com até 1000m/s. Estes jatos líquidos aceleram partículas e causam colisões inter 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 sobre a ordem de centenas de atmosferas e temperaturas na ordem de milhares de graus Kelvin são geradas.
Embora a ultrassônica seja um método de processamento puramente mecânico, pode produzir um aumento de temperatura extremo localmente confinado. 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, como observado em pontos quentes de cavitação (gerados pela sonicação com ultrassom de alta potência) pode finalmente causar um aumento de temperatura mensurável na temperatura a granel. A vantagem da ultrassonização e da sonoquímica reside nos efeitos de temperatura controláveis durante o processamento: o controle de temperatura da solução a granel pode ser alcançado usando tanques com jaquetas de resfriamento, bem como sônica pulsada. Os ultrassonicadores sofisticados da Hielscher Ultrasonics podem pausar o ultrassom quando um limite de temperatura superior é atingido e continuar com a ultrassônica assim que o valor mais baixo de um conjunto ∆T é atingido. Isso é especialmente importante quando os reagentes sensíveis ao calor são usados.

Sonoquímica melhora cinética de reação

Ultasonically intendified Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR) are widely used in flow  chemistry. Ultrasonication improves amss transfer, accelerates slow reaction kinetics and promotes conversion rates and yields.Como a sônica gera vibrações intensas e cavitação, cinética química é afetada. A cinética de um sistema químico se correlaciona estreitamente com a expansão e implosão da bolha de cavitação, que impacta significativamente a dinâmica do movimento da bolha. Gases dissolvidos na solução de reação química afetam as características de uma reação sonoquímica através de ambos, efeitos térmicos e efeitos 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 para serem iniciadas e promovidas através do ultrassom de energia e seus efeitos sonológicos.
Por exemplo, para a síntese de ácido ferúlico, a sônica 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%.

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Continuously Stirred Tank Reactors (CSTR) can be significantly improved by the application of power ultrasound. Ultrasonic agitation and sonochemical effects accelerate slow reaction kinetics and promote chemical conversion rates.

Reator de tanque continuamente agitado (CSTR) com ultrassônico integrado UIP2000hdT (2kW, 20kHz) para melhor cinética e taxas de conversão.

Química de emulsão ultrasonicamente intensificada

Reações heterogêneas, como a química de emulsão, beneficiam-se significativamente da aplicação do ultrassom de energia. A cavitação ultrassônica diminuiu e distribuiu as gotículas de cada fase de forma homogênea entre si criando um sub-mícnico ou nano-emulsão. Uma vez que as gotículas de tamanho nano 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 sônica, reações conhecidas por sua cinética tipicamente lenta mostram taxas de conversão dramaticamente melhoradas, rendimentos mais altos, menos subprodutos ou desperdícios e melhor eficiência geral. A química de emulsão ultrasonicamente melhorada é frequentemente aplicada para a polimerização de emulsões, por exemplo, para produzir misturas de polímeros, adesivos transportados pela 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 multifamiliares, heterogêneas e tem cinética de reação lenta, agitação do reator e ativação de processos são fatores essenciais para a conversão química bem sucedida e para os custos econômicos (operacionais) do reator químico.
A ultrassônica melhora a cinética de reação das reações químicas líquido-líquido e líquido-sólido em reatores de lote químico e vasos de reação inline significativamente. 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 não tem o conhecimento sobre o aprimoramento de processos ultrasonicamente assistido. Sem profundo conhecimento sobre a influência do ultrassom de energia, agitação ultrassônica, cavitação acústica e efeitos sonológicos no desempenho do reator químico, análise de reatores químicos e fundamentos de design convencionais podem produzir apenas resultados inferiores. Abaixo, você terá uma visão geral sobre os benefícios fundamentais dos ultrassônicos para o design e otimização do reator químico.

As vantagens do reator de tanque contínuo ultrasonicamente intensificado (CSTR)

  • Reatores ultrasonicamente aprimorados para laboratório e produção:
    Escalabilidade fácil: Os processadores ultrassônicos estão prontamente disponíveis para o tamanho do laboratório, o piloto e a produção em larga escala
    Reprodutível / repetível resultados devido a parâmetros ultrassônicos precisamente controláveis
    Capacidade e velocidade de reação: reações ultrasonicamente intensificadas 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

  • Ultrassônica pode ser usada em ambientes explosivos
    – purga (por exemplo, cobertor de nitrogênio)
    – nenhuma superfície aberta
  • Limpeza simples: autolimpo (CIP) – clean-in-place)
  • Escolha seus materiais preferidos de construção
    – vidro, aço inoxidável, titânio
    – sem selos rotativos
    – ampla escolha de selantes
  • Ultrassonicadores podem ser usados em uma ampla gama de temperaturas
  • Ultrassonicadores 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 sônicação é ideal para melhorar os bioreatores, por exemplo, a fermentação.
  • Dissolução / Dissolução: Em processos de dissolução, as partículas passam de uma fase para a outra, por exemplo, quando partículas sólidas se dissolvem em um líquido. Constata-se que o grau de agitação influencia a velocidade do processo. Muitos cristais pequenos dissolvem-se muito mais rápido sob cavitação ultrassônica do que um em reatores de lote convencionalmente agitados. Aqui, também, a razão para diferentes velocidades está nas diferentes taxas de transferência de massa em superfícies de partículas. Por exemplo, a ultrassonização é aplicada com sucesso para criar soluções supersaturadas, por exemplo, em processos de cristalização (sono-cristalização).
  • Extração química ultrasonicamente promovida:
    – Líquido-Sólido, por exemplo, extração botânica, extração química
    – Líquido-Líquido: Quando o ultrassom é aplicado a um sistema de extração líquido-líquido, uma emulsão de uma das fases da outra é criada. 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 tanques agitados?

  • Área de superfície de contato maior: Em reações entre reagentes em fases heterogêneas, apenas as partículas que colidem entre si na interface podem reagir. Quanto maior a interface, mais colisões podem ocorrer. À medida que uma porção líquida ou sólida de uma substância é dividida em gotículas menores ou partículas sólidas suspensas em um líquido de fase contínua, a área superficial desta substância aumenta. Além disso, como resultado da redução de 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 de dispersão. Muitas reações químicas em dispersões ou emulsões mostram melhorias drásticas na velocidade de reação como resultado da redução do tamanho das partículas ultrassônicas.
  • Catalise (Energia de Ativação): Catalisadores são de grande importância em muitas reações químicas, no desenvolvimento de laboratório e na produção industrial. Muitas vezes os catalisadores estão em fase sólida ou líquida e imiscíveis com um reagente 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, etheno 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, apenas se as partículas colidirem com energia cinética suficiente. Ultrassonicação é um meio altamente eficiente para aumentar a cinética em reatores químicos. Em um processo de catálise heterogênea, a adição de ultrassonônicos a um projeto de reator químico pode diminuir a exigência de um catalisador. Isso pode resultar no uso de catalisadores menos catalisadores ou inferiores, menos nobres.
  • Maior frequência de contato / Melhor transferência de massa: A mistura ultrassônica e agitação é um método altamente eficaz para gerar gotículas minúsculas e partículas (ou seja, sub-mícrons e nanopartículas), que oferecem uma superfície ativa mais alta para reações. Sob a agitação intensa adicional e micro-movimento causado pelo ultrassom de energia, a frequência do 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 seja aproximadamente o dobro. A cavitação ultrassônica produz hotspots altamente reativos localizados de até 5000K dentro do líquido, sem aquecimento substancial do volume líquido global 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 ultrassônica introduz um processo ativando 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, a imensa cisalhamento ultrassônico dos produtos químicos resulta na conversão para energia térmica, ou seja, calor. Você pode usar reatores de lote reveses ou reatores inline para resfriamento, a fim de manter uma temperatura de processo constante para sua reação química.

Ultrassonicadores de alto desempenho para reações químicas melhoradas no CSTR

Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho e dispersores para a integração em reatores de tanques agitados contínuos (CSTR). Ultrassonicadores hielscher são usados em todo o mundo para promover, intensificar, acelerar e melhorar as reações químicas.
Hielscher Ultrasonics’ 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 ultrassonicadores hielscher em amplitudes baixas a muito altas e ajustar a amplitude exatamente às condições de processo ultrassônico necessárias do sistema de reação química específica.
O gerador ultrassônico da Hielscher possui um software inteligente com protocolos automáticos de dados. Todos os parâmetros de processamento importantes, como energia ultrassônica, temperatura, pressão e tempo são automaticamente armazenados em um cartão SD embutido assim que o dispositivo é ligado.
O monitoramento de processos 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 corridas de sônica 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.
Entre em contato conosco agora para saber mais sobre nossos homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho podem melhorar seu reator de tanque continuamente agitado (CSTR)!
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
1 a 500mL 10 a 200 mL / min UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.

Literatura / Referências



Fatos, vale a pena conhecer

A agitação ultrassônica em reatores químicos produz melhores resultados do que um reator convencional de tanque contínuo ou reator batchmix. A agitação ultrassônica produz mais cisalhamento e resultados mais reprodutíveis do que os reatores a jato, devido à melhor mistura e processamento líquido no tanque do reator ou no reator de fluxo.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.