Reactoare cu rezervor agitate continuu agitate cu ultrasunete

Reactoarele rezervor agitate continuu (CSTR) sunt aplicate pe scară largă pentru diverse reacții chimice, inclusiv cataliză, chimie emulsie, polimerizare, sinteză, extracție și cristalizare. Cinetica reacției lente este o problemă comună în CSTR, care poate fi ușor depășită prin aplicarea power-ultrasonication. Amestecarea intensă, agitația și efectele sonochimice ale power-ultrasound accelerează cinetica reacției și îmbunătățesc semnificativ rata de conversie. Ultrasonicators pot fi ușor integrate în CSTR-uri de orice volum.

De ce aplicarea ultrasunetelor de putere la un reactor rezervor agitat continuu?

Un reactor rezervor agitat continuu (CSTR sau pur și simplu reactor rezervor agitat (STR)) este, în caracteristicile sale principale, destul de similar cu reactorul lot. Diferența majoră este că, pentru configurarea reactorului rezervor cu agitare continuă (CSTR), alimentarea cu material trebuie să fie asigurată în flux continuu în și din reactor. Alimentarea reactorului poate fi realizată prin flux gravitațional sau flux de circulație forțată folosind o pompă. CSTR este uneori numit reactor cu flux mixt (BMR).
CSTR sunt utilizate în mod obișnuit atunci când este necesară agitarea a două sau mai multe lichide. CSTR-urile pot fi utilizate ca un singur reactor sau pot fi instalate ca o serie de configurații pentru diferite fluxuri de concentrație și etape de reacție. Pe lângă utilizarea unui singur reactor rezervor, instalarea în serie a diferitelor rezervoare (unul după altul) sau configurarea în cascadă sunt utilizate în mod obișnuit.
De ce Ultrasonication? Amestecarea cu ultrasunete și agitație, precum și efectele sonochimice ale ultrasunetelor de putere sunt bine cunoscute pentru a contribui la eficiența reacțiilor chimice. Amestecarea îmbunătățită și reducerea dimensiunii particulelor datorită vibrațiilor cu ultrasunete și cavitației oferă o cinetică semnificativ accelerată și o rată de conversie îmbunătățită. Efectele sonochimice pot furniza energia necesară pentru a iniția reacții chimice, pentru a schimba căile chimice și pentru a da randamente mai mari datorită unei reacții mai complete.

CSTR intensificat ultrasonically poate fi utilizat pentru aplicații precum:

• Reacții eterogene lichid-lichid
• Reacții eterogene solid-lichid
• Reacții omogene în fază lichidă
• Reacții eterogene gaz-lichid
• Reacții eterogene gaz-solid-lichid

Ultrasonication ca sistem chimic sintetic de mare viteză

Chimia sintetică de mare viteză este o tehnică nouă de reacție utilizată pentru inițierea și intensificarea sintezei chimice. În comparație cu căile tradiționale de reacție, care au nevoie de câteva ore sau zile sub reflux, reactoare de sinteză promovate ultrasonically poate minimiza durata reacției la câteva minute, rezultând într-o reacție semnificativă de sinteză accelerată. Intensificarea sintezei cu ultrasunete se bazează pe principiul de lucru al cavitației acustice și forțele sale conexe, inclusiv supraîncălzirea limitată local. Aflați mai multe despre ultrasunete, cavitație acustică și sonochimie în secțiunea următoare.

Cavitație cu ultrasunete și efectele sale sonochimice

Cavitația cu ultrasunete (sau acustică) apare atunci când ultrasunetele de putere sunt cuplate în lichide sau suspensii. Cavitația este tranziția de la o fază lichidă la o fază de vapori, care apare datorită unei căderi de presiune până la nivelul tensiunii de vapori a fluidului.
Cavitația cu ultrasunete creează forțe de forfecare foarte mari și jeturi lichide cu până la 1000m? s. Aceste jeturi lichide accelerează particulele și provoacă coliziuni între particule, reducând astfel dimensiunea particulelor solidelor și picăturilor. Suplimentar – localizat în interiorul și în imediata apropiere a bulei de cavitație în implozie – sunt generate presiuni extrem de mari de ordinul a sute de atmosfere și temperaturi de ordinul a mii de grade Kelvin.
Deși ultrasonicarea este o metodă de prelucrare pur mecanică, poate produce o creștere a temperaturii extreme limitată local. Acest lucru se datorează forțelor intense generate în interiorul și în imediata apropiere a bulelor de cavitație care se prăbușesc, unde pot fi atinse cu ușurință temperaturi de câteva mii de grade Celsius. În soluția vrac, creșterea temperaturii care rezultă dintr-o implozie a unei singure bule este aproape neglijabilă, dar disiparea căldurii din numeroase bule de cavitație, așa cum se observă în punctele fierbinți de cavitație (așa cum este generată de sonicarea cu ultrasunete de mare putere) poate provoca în cele din urmă creșteri măsurabile ale temperaturii în vrac. Avantajul ultrasonicării și al sonochimiei constă în efectele controlabile ale temperaturii în timpul procesării: controlul temperaturii soluției în vrac poate fi realizat prin utilizarea rezervoarelor cu jachete de răcire, precum și a sonicării pulsate. Hielscher Ultrasonics’ Ultrasunetele sofisticate pot întrerupe ultrasunetele atunci când este atinsă o limită superioară de temperatură și pot continua cu ultrasunetele de îndată ce este atinsă valoarea inferioară a unui set ∆T. Acest lucru este deosebit de important atunci când se utilizează reactanți sensibili la căldură.

Sonochemistry îmbunătățește cinetica reacției

Deoarece sonicare generează vibrații intense și cavitație, cinetica chimică sunt afectate. Cinetica unui sistem chimic se corelează strâns cu expansiunea și implozia bulei de cavitație, afectând semnificativ dinamica mișcării bulelor. Gazele dizolvate în soluția de reacție chimică afectează caracteristicile unei reacții sonochimice atât prin efecte termice, cât și prin efecte chimice. Efectele termice influențează temperaturile maxime care sunt atinse în timpul colapsului bulei în golul de cavitație; Efectele chimice modifică efectele gazelor, care sunt direct implicate într-o reacție.
Reacțiile eterogene și omogene cu cinetică de reacție lentă, inclusiv reacțiile de cuplare Suzuki, precipitarea, cristalizarea și chimia emulsiei, sunt predestinate să fie inițiate și promovate prin ultrasunete de putere și efectele sale sonochimice.
De exemplu, pentru sinteza acidului ferulic, sonicare de joasă frecvență (20kHz) la o putere de 180 W a dat un randament de acid ferulic 94% la 60 ° C în 3 ore. Aceste rezultate ale lui Truong et al. (2018) demonstrează că utilizarea frecvenței joase (tip corn și iradiere de mare putere) a îmbunătățit semnificativ rata de conversie, oferind randamente mai mari de 90%.

Ultrasonically intensificat chimie emulsie

Reacțiile eterogene, cum ar fi chimia emulsiei, beneficiază semnificativ de aplicarea ultrasunetelor de putere. Cavitația cu ultrasunete diminuat și distribuit picăturile fiecărei faze omogen unul în celălalt, creând un sub-micron sau nano-emulsie. Deoarece picăturile de dimensiuni nanometrice oferă o suprafață drastic crescută pentru a interacționa cu diferite picături, transferul de masă și rata de reacție sunt îmbunătățite semnificativ. Sub sonicare, reacțiile cunoscute pentru cinetica lor de obicei lentă arată rate de conversie îmbunătățite dramatic, randamente mai mari, mai puține produse secundare sau deșeuri și o eficiență globală mai bună. Chimia emulsiei îmbunătățită ultrasonically este adesea aplicată pentru polimerizarea emulsiilor, de exemplu, pentru a produce amestecuri de polimeri, adezivi pe bază de apă și polimeri de specialitate.

10 lucruri pe care ar trebui să le știți, înainte de a cumpăra un reactor chimic

Când alegeți un reactor chimic pentru un proces chimic, există mulți factori care influențează proiectarea optimă a reactorului chimic. Dacă procesul dvs. chimic implică reacții chimice eterogene în mai multe faze și are o cinetică lentă a reacției, agitarea reactorului și activarea procesului sunt factori esențiali de influență pentru conversia chimică reușită și pentru costurile economice (operaționale) ale reactorului chimic.
Ultrasonication îmbunătățește cinetica reacției de reacții chimice lichid-lichid și lichid-solid în reactoare chimice lot și vase de reacție inline semnificativ. Prin urmare, integrarea sondelor cu ultrasunete într-un reactor chimic poate reduce costurile reactorului și poate îmbunătăți eficiența generală și calitatea produsului final.
Foarte des, ingineria reactorului chimic nu are cunoștințele despre îmbunătățirea procesului asistat ultrasonically. Fără cunoștințe profunde despre influența ultrasunetelor de putere, agitația cu ultrasunete, cavitația acustică și efectele sonochimice asupra performanței reactorului chimic, analiza reactorului chimic și fundamentele convenționale de proiectare pot produce doar rezultate inferioare. Mai jos, veți obține o imagine de ansamblu asupra beneficiilor fundamentale ale ultrasunetelor pentru proiectarea și optimizarea reactorului chimic.

Avantajele ultrasonically intensificat continuu agitat rezervor reactor (CSTR)

• • Ultrasonically îmbunătățite reactoare pentru laborator și producție:
    Scalabilitate ușoară: Procesoarele cu ultrasunete sunt disponibile pentru dimensiunea laboratorului, producția pilot și pe scară largă
    Reproductibil? repetabil rezultate datorate parametrilor ultrasonici controlabili cu precizie
    Capacitatea și viteza de reacție: reacțiile intensificate ultrasonically sunt mai rapide și, prin urmare, mai economice (costuri mai mici)
  • Sonochemistry este aplicabilă atât pentru scopuri generale, cât și pentru scopuri speciale

– adaptabilitate & versatilitate, de exemplu, opțiuni flexibile de instalare și configurare și utilizare interdisciplinară

• Ultrasonication poate fi utilizat în medii explozive
  – purjare (de exemplu, pătură de azot)
  – fără suprafață deschisă
• Curățare simplă: autocurățare (CIP – curat-în-loc)
• Alegeți materialele preferate de construcție
  – sticlă, oțel inoxidabil, titan
  – fără garnituri rotative
  – o gamă largă de materiale de etanșare
• Ultrasonicators pot fi utilizate într-o gamă largă de temperaturi
• Ultrasonicators pot fi utilizate la o gamă largă de presiuni
• Efect sinergic cu alte tehnologii, de exemplu, electrochimie (sono-electrochimie), cataliză (sono-cataliză), cristalizare (sono-cristalizare) etc.
• Sonicare este ideal pentru a spori bioreactoare, de exemplu, fermentație.
• Dizolvare? dizolvare: În procesele de dizolvare, particulele trec de la o fază la alta, de exemplu atunci când particulele solide se dizolvă într-un lichid. Se constată că gradul de agitație influențează viteza procesului. Multe cristale mici se dizolvă mult mai repede sub cavitație cu ultrasunete decât unul în reactoare loturi agitate convențional. Și aici, motivul vitezelor diferite constă în ratele diferite de transfer de masă la suprafețele particulelor. De exemplu, ultrasonication este aplicat cu succes pentru a crea soluții suprasaturate, de exemplu, în procesele de cristalizare (sono-cristalizare).
• Extracție chimică promovată ultrasonically:
  – Lichid-solid, de ex. extracție botanică, extracție chimică
  – Lichid-lichid: Când ultrasunetele sunt aplicate unui sistem de extracție lichid-lichid, se creează o emulsie a uneia dintre fazele celeilalte. Această formare de emulsie duce la creșterea zonelor interfaciale între cele două faze nemiscibile, rezultând un flux sporit de transfer de masă între faze.

Cum sonicare îmbunătăți reacțiile chimice în reactoarele cu rezervor agitat?

• Suprafață de contact mai mare: În reacțiile dintre reactanți în faze eterogene, numai particulele care se ciocnesc între ele la interfață pot reacționa. Cu cât interfața este mai mare, cu atât pot apărea mai multe coliziuni. Pe măsură ce o porțiune lichidă sau solidă a unei substanțe este ruptă în picături mai mici sau particule solide suspendate într-un lichid în fază continuă, suprafața acestei substanțe crește. În plus, ca urmare a reducerii dimensiunii, numărul de particule crește și, prin urmare, distanța medie dintre aceste particule scade. Acest lucru îmbunătățește expunerea fazei continue la faza dispersată. Prin urmare, rata de reacție crește odată cu gradul de fragmentare a fazei dispersate. Multe reacții chimice în dispersii sau emulsii arată îmbunătățiri drastice ale vitezei de reacție ca urmare a reducerii dimensiunii particulelor cu ultrasunete.
• Cataliză (energie de activare): Catalizatorii au o mare importanță în multe reacții chimice, în dezvoltarea laboratoarelor și în producția industrială. Adesea, catalizatorii sunt în fază solidă sau lichidă și nemiscibili cu un reactant sau cu toți reactanții. Prin urmare, cel mai adesea, cataliza este o reacție chimică eterogenă. În producția celor mai importante substanțe chimice de bază, cum ar fi acidul sulfuric, amoniacul, acidul azotic, etena și metanolul, catalizatorii joacă un rol important. Domenii mari ale tehnologiei de mediu se bazează pe procese catalitice. O coliziune a particulelor duce la o reacție chimică, adică o regrupare a atomilor, numai dacă particulele se ciocnesc cu suficientă energie cinetică. Ultrasonication este un mijloc extrem de eficient pentru a crește cinetica în reactoarele chimice. Într-un proces eterogen de cataliză, adăugarea de ultrasunete la un design reactor chimic poate reduce cerința pentru un catalizator. Acest lucru poate duce la utilizarea unui catalizator mai mic sau a unor catalizatori inferiori, mai puțin nobili.
• Frecvență mai mare de contact? Transfer de masă îmbunătățit: Amestecarea cu ultrasunete și agitarea este o metodă extrem de eficace pentru a genera picături și particule minute (adică sub-micron și nano-particule), care oferă o suprafață activă mai mare pentru reacții. Sub agitația intensă suplimentară și micro-mișcarea cauzată de ultrasunetele de putere, frecvența contactului între particule este crescută drastic, rezultând o rată de conversie semnificativ îmbunătățită.
• Plasmă comprimată: Pentru multe reacții, o creștere cu 10 grade Kelvin a temperaturii reactorului face ca rata de reacție să se dubleze. Cavitația cu ultrasunete produce puncte fierbinți localizate foarte reactive de până la 5000K în lichid, fără încălzire substanțială a volumului total de lichid din reactorul chimic.
• Căldură: Orice energie cu ultrasunete pe care o adăugați la un design reactor chimic, va fi în cele din urmă convertită în energie termică. Prin urmare, puteți reutiliza energia pentru procesul chimic. În loc de o intrare de energie termică prin elemente de încălzire sau abur, ultrasonication introduce un proces de activare a energiei mecanice prin intermediul vibrațiilor de înaltă frecvență. În reactorul chimic, acest lucru produce cavitație cu ultrasunete care a activat procesul chimic pe mai multe niveluri. În cele din urmă, forfecarea imensă cu ultrasunete a substanțelor chimice are ca rezultat conversia la energie termică, adică căldură. Puteți utiliza reactoare cu lot cu manta sau reactoare inline pentru răcire pentru a menține o temperatură constantă a procesului pentru reacția chimică.

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru reacții chimice îmbunătățite în CSTR

Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță și dispersoare pentru integrarea în reactoare rezervor agitate continuu (CSTR). Hielscher ultrasonicators sunt folosite la nivel mondial pentru a promova, intensifica, accelera și îmbunătăți reacțiile chimice.
Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele cu ultrasunete sunt disponibile la orice dimensiune, de la dispozitive mici de laborator la procesoare industriale mari pentru aplicații de chimie a fluxului. Ajustarea precisă a amplitudinii cu ultrasunete (care este cel mai important parametru) permite operarea ultrasonicators Hielscher la amplitudini mici până la foarte mari și pentru a regla fin amplitudinea exact la condițiile de proces cu ultrasunete necesare ale sistemului de reacție chimică specifică.
Generatorul cu ultrasunete Hielscher dispune de un software inteligent cu protocol automat de date. Toți parametrii importanți de procesare, cum ar fi energia ultrasonică, temperatura, presiunea și timpul, sunt stocați automat pe un card SD încorporat de îndată ce dispozitivul este pornit.
Monitorizarea proceselor și înregistrarea datelor sunt importante pentru standardizarea continuă a proceselor și calitatea produselor. Prin accesarea datelor de proces înregistrate automat, puteți revizui rulările sonicare anterioare și puteți evalua rezultatul.
O altă caracteristică ușor de utilizat este controlul de la distanță al browserului sistemelor noastre digitale cu ultrasunete. Prin intermediul controlului de la distanță al browserului puteți porni, opri, regla și monitoriza procesorul cu ultrasunete de la distanță de oriunde.
Contactați-ne acum pentru a afla mai multe despre omogenizatoarele noastre cu ultrasunete de înaltă performanță vă pot îmbunătăți reactorul rezervorului agitat continuu (CSTR)!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: