Reactoare cu rezervor agitat continuu, agitate cu ultrasunete

Reactoarele cu rezervor agitat continuu (CSTR) sunt utilizate pe scară largă pentru diverse reacții chimice, inclusiv cataliză, chimia emulsiilor, polimerizare, sinteză, extracție și cristalizare. Cinetica lentă a reacțiilor este o problemă frecventă în CSTR, care poate fi depășită cu ușurință prin aplicarea ultrasonicării de putere. Amestecarea intensă, agitarea și efectele sonochimice ale ultrasunetelor de putere accelerează cinetica reacțiilor și îmbunătățesc semnificativ rata de conversie. Ultrasonicatoarele pot fi integrate cu ușurință în CSTR-uri de orice volum.

De ce să aplicați ultrasunete de putere unui reactor cu rezervor agitat continuu?

Un reactor cu rezervor agitat continuu (CSTR, sau pur și simplu reactor cu rezervor agitat (STR)) este, în caracteristicile sale principale, destul de asemănător cu reactorul discontinuu (batch). Diferența majoră și importantă este că, în configurația reactorului cu rezervor agitat continuu (CSTR), alimentarea cu material trebuie asigurată în flux continuu, la intrarea în reactor și la ieșirea din acesta. Alimentarea reactorului se poate realiza prin curgere gravitațională sau prin circulație forțată cu ajutorul unei pompe. CSTR-ul este uneori numit reactor cu flux cu amestecare inversă (BMR).
CSTR-urile sunt utilizate frecvent atunci când este necesară agitarea a două sau mai multe lichide. CSTR-urile pot fi utilizate ca reactor unic sau pot fi instalate într-o serie de configurații pentru diferite fluxuri de concentrație și etape de reacție. Pe lângă utilizarea unui singur reactor cu rezervor, se folosesc frecvent instalarea în serie a mai multor rezervoare (unul după altul) sau configurația în cascadă.
De ce ultrasonicare? Amestecarea și agitarea cu ultrasunete, precum și efectele sonochimice ale ultrasunetelor de putere, sunt bine cunoscute pentru contribuția lor la eficiența reacțiilor chimice. Amestecarea îmbunătățită și reducerea dimensiunii particulelor datorate vibrațiilor ultrasonice și cavitației asigură o cinetică semnificativ accelerată și o rată de conversie sporită. Efectele sonochimice pot furniza energia necesară pentru a iniția reacții chimice, a schimba căile chimice și a oferi randamente mai mari datorită unei reacții mai complete.

CSTR-urile intensificate cu ultrasunete pot fi utilizate 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

Ultrasonicarea ca sistem chimic de sinteză de mare viteză

Chimia de sinteză de mare viteză este o tehnică de reacție nouă, utilizată pentru inițierea și intensificarea sintezei chimice. În comparație cu căile de reacție tradiționale, care necesită câteva ore sau zile sub reflux, reactoarele de sinteză promovate cu ultrasunete pot reduce durata reacției la câteva minute, ceea ce duce la o reacție de sinteză semnificativ accelerată. Intensificarea cu ultrasunete a sintezei se bazează pe principiul de funcționare al cavitației acustice și pe forțele asociate acesteia, inclusiv supraîncălzirea limitată local. Aflați mai multe despre ultrasunete, cavitația acustică și sonochimie în secțiunea următoare.

Cavitația ultrasonică și efectele sale sonochimice

Cavitația ultrasonică (sau acustică) apare atunci când ultrasunetele de putere sunt cuplate în lichide sau suspensii dense. Cavitația este tranziția dintr-o fază lichidă într-o fază de vapori, care are loc din cauza unei scăderi a presiunii până la nivelul tensiunii de vapori a fluidului.
Cavitația ultrasonică generează forțe de forfecare foarte mari și jeturi de lichid cu viteze de până la 1000m/s. Aceste jeturi de lichid accelerează particulele și provoacă coliziuni între particule, reducând astfel dimensiunea particulelor solide și a picăturilor. În plus – localizat în interiorul și în imediata apropiere a bulei de cavitație care implodează – se generează presiuni extrem de ridicate, de ordinul sutelor de atmosfere, și temperaturi de ordinul miilor de grade Kelvin.
Deși ultrasonicarea este o metodă de procesare pur mecanică, aceasta poate produce o creștere extremă de temperatură, limitată local. Aceasta se datorează forțelor intense generate în interiorul și în imediata apropiere a bulelor de cavitație care colapsează, unde se pot atinge cu ușurință temperaturi de câteva mii de grade Celsius. În masa soluției, creșterea temperaturii rezultată din implozia unei singure bule este aproape neglijabilă, însă disiparea căldurii de la numeroase bule de cavitație, așa cum se observă în punctele fierbinți de cavitație (generate prin sonicare cu ultrasunete de mare putere), poate provoca în final o creștere măsurabilă a temperaturii în masa soluției. Avantajul ultrasonicării și al sonochimiei constă în efectele de temperatură controlabile în timpul procesării: controlul temperaturii masei soluției poate fi realizat prin utilizarea rezervoarelor cu mantale de răcire, precum și prin sonicare în regim pulsat. Ultrasonicatoarele sofisticate de la Hielscher Ultrasonics pot întrerupe ultrasunetele atunci când este atinsă o limită superioară de temperatură și pot continua ultrasonicarea imediat ce este atinsă valoarea inferioară a unui ∆T setat. Acest lucru este deosebit de important atunci când se utilizează reactanți sensibili la căldură.

Sonochimia îmbunătățește cinetica reacțiilor

Deoarece sonicarea generează vibrații intense și cavitație, cinetica chimică este afectată. Cinetica unui sistem chimic se corelează strâns cu expansiunea și implozia bulelor de cavitație, influențând astfel 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 atinse în timpul colapsului bulei în golul de cavitație; efectele chimice modifică efectele gazelor implicate direct într-o reacție.
Reacțiile eterogene și omogene cu cinetică lentă, inclusiv reacțiile de cuplare Suzuki, precipitarea, cristalizarea și chimia emulsiilor, sunt predestinate să fie inițiate și promovate prin ultrasunete de putere și efectele lor sonochimice.
De exemplu, pentru sinteza acidului ferulic, sonicarea la frecvență joasă (20kHz) la o putere de 180 W a dat un randament de acid ferulic de 94% la 60°C în 3 h. Aceste rezultate obținute de Truong et al. (2018) demonstrează că utilizarea frecvenței joase (de tip sonotrodă și iradiere de mare putere) a îmbunătățit semnificativ rata de conversie, oferind randamente mai mari de 90%.

Chimia emulsiilor intensificată cu ultrasunete

Reacțiile eterogene, precum chimia emulsiilor, beneficiază semnificativ de aplicarea ultrasunetelor de putere. Cavitația ultrasonică micșorează și distribuie omogen picăturile fiecărei faze una în cealaltă, creând o emulsie submicronică sau o nanoemulsie. Deoarece picăturile de dimensiuni nanometrice oferă o suprafață drastic mărită pentru interacțiunea cu alte picături, transferul de masă și viteza de reacție sunt îmbunătățite semnificativ. Sub sonicare, reacțiile cunoscute pentru cinetica lor tipic lentă prezintă rate de conversie dramatic îmbunătățite, randamente mai mari, mai puține produse secundare sau deșeuri și o eficiență generală mai bună. Chimia emulsiilor îmbunătățită cu ultrasunete este adesea aplicată în polimerizarea în emulsie, 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

Atunci când alegeți un reactor chimic pentru un proces chimic, există numeroși factori care influențează proiectarea optimă a reactorului chimic. Dacă procesul dumneavoastră chimic implică reacții chimice multifazice, eterogene și are o cinetică lentă, agitarea reactorului și activarea procesului sunt factori de influență esențiali pentru o conversie chimică reușită și pentru costurile economice (operaționale) ale reactorului chimic.
Ultrasonicarea îmbunătățește semnificativ cinetica reacțiilor chimice lichid-lichid și lichid-solid în reactoarele chimice discontinue (batch) și în vasele de reacție în linie. Prin urmare, integrarea sondelor ultrasonice într-un reactor chimic poate reduce costurile reactorului și poate îmbunătăți eficiența generală și calitatea produsului final.
Foarte des, ingineriei reactoarelor chimice îi lipsesc cunoștințele despre îmbunătățirea proceselor asistată de ultrasunete. Fără cunoștințe aprofundate despre influența ultrasunetelor de putere, a agitării ultrasonice, a cavitației acustice și a efectelor sonochimice asupra performanței reactorului chimic, analiza reactoarelor chimice și principiile convenționale de proiectare pot produce doar rezultate inferioare. Mai jos veți obține o prezentare generală a beneficiilor fundamentale ale ultrasunetelor pentru proiectarea și optimizarea reactoarelor chimice.

Avantajele reactorului cu rezervor agitat continuu (CSTR) intensificat cu ultrasunete

• • Reactoare îmbunătățite cu ultrasunete pentru laborator și producție:
    Scalabilitate ușoară: Procesoarele ultrasonice sunt disponibile imediat pentru dimensiuni de laborator, pilot și producție la scară largă
    Rezultate reproductibile / repetabile datorită parametrilor ultrasonici controlabili cu precizie
    Capacitate și viteză de reacție: reacțiile intensificate cu ultrasunete sunt mai rapide și, prin urmare, mai economice (costuri mai mici)
  • Sonochimia este aplicabilă atât în scopuri generale, cât și în scopuri speciale

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

• Ultrasonicarea poate fi utilizată în medii explozive
  – purjare (de exemplu, pernă de azot)
  – fără suprafață deschisă
• Curățare simplă: autocurățare (CIP – curățare pe loc)
• Alegeți materialele de construcție preferate
  – sticlă, oțel inoxidabil, titan
  – fără garnituri rotative
  – gamă largă de materiale de etanșare
• Ultrasonicatoarele pot fi utilizate într-un interval larg de temperaturi
• Ultrasonicatoarele pot fi utilizate într-un interval larg de presiuni
• Efect sinergic cu alte tehnologii, de exemplu electrochimia (sono-electrochimie), cataliza (sono-cataliză), cristalizarea (sono-cristalizare) etc.
• Sonicarea este ideală pentru îmbunătățirea bioreactoarelor, de exemplu în fermentație.
• Dizoluție / Dizolvare: În procesele de dizolvare, particulele trec dintr-o fază în cealaltă, de exemplu atunci când particulele solide se dizolvă într-un lichid. S-a constatat că gradul de agitare influențează viteza procesului. Multe cristale mici se dizolvă mult mai rapid sub cavitație ultrasonică decât un singur cristal în reactoarele discontinue agitate convențional. Și aici, motivul vitezelor diferite constă în ratele diferite de transfer de masă la suprafețele particulelor. De exemplu, ultrasonicarea este aplicată cu succes pentru a crea soluții suprasaturate, de exemplu în procesele de cristalizare (sono-cristalizare).
• Extracție chimică promovată cu ultrasunete:
  – Lichid-solid, de exemplu extracție botanică, extracție chimică
  – Lichid-lichid: Atunci când ultrasunetele sunt aplicate unui sistem de extracție lichid–lichid, se creează o emulsie a uneia dintre faze în cealaltă. Această formare a emulsiei duce la creșterea suprafețelor interfaciale dintre cele două faze nemiscibile, rezultând un flux de transfer de masă sporit între faze.

Cum îmbunătățește sonicarea reacțiile chimice în reactoarele cu rezervor agitat?

• Suprafață de contact mai mare: În reacțiile dintre reactanți aflați în faze eterogene, pot reacționa doar particulele care se ciocnesc între ele la interfață. Cu cât interfața este mai mare, cu atât pot avea loc mai multe ciocniri. Pe măsură ce o porțiune lichidă sau solidă a unei substanțe este fragmentată în picături mai mici sau particule solide suspendate într-un lichid de 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. Aceasta îmbunătățește expunerea fazei continue la faza dispersată. Prin urmare, viteza de reacție crește odată cu gradul de fragmentare a fazei disperse. Multe reacții chimice în dispersii sau emulsii prezintă îmbunătățiri drastice ale vitezei de reacție ca urmare a reducerii ultrasonice a dimensiunii particulelor.
• Cataliză (energie de activare): Catalizatorii au o mare importanță în multe reacții chimice, atât în dezvoltarea de laborator, cât și în producția industrială. Adesea, catalizatorii se află în fază solidă sau lichidă și sunt nemiscibili cu unul sau cu toți reactanții. Prin urmare, de cele mai multe ori, cataliza este o reacție chimică eterogenă. În producția celor mai importante substanțe chimice de bază, precum acidul sulfuric, amoniacul, acidul azotic, etena și metanolul, catalizatorii joacă un rol important. Domenii largi ale tehnologiei de mediu se bazează pe procese catalitice. O ciocnire a particulelor duce la o reacție chimică, adică la o regrupare a atomilor, doar dacă particulele se ciocnesc cu o energie cinetică suficientă. Ultrasonicarea este un mijloc extrem de eficient de a crește cinetica în reactoarele chimice. Într-un proces de cataliză eterogenă, adăugarea ultrasunetelor la proiectul unui reactor chimic poate reduce necesarul de catalizator. Aceasta poate duce la utilizarea unei cantități mai mici de catalizator sau a unor catalizatori inferiori, mai puțin nobili.
• Frecvență mai mare a contactului / Transfer de masă îmbunătățit: Amestecarea și agitarea cu ultrasunete reprezintă o metodă extrem de eficace pentru generarea de picături și particule minuscule (adică particule submicronice și nanoparticule), care oferă o suprafață activă mai mare pentru reacții. Sub agitarea intensă suplimentară și micro-mișcarea provocate de ultrasunetele de putere, frecvența contactului dintre particule crește drastic, rezultând o rată de conversie semnificativ îmbunătățită.
• Plasmă comprimată: Pentru multe reacții, o creștere cu 10 Kelvin a temperaturii reactorului determină aproximativ dublarea vitezei de reacție. Cavitația ultrasonică produce puncte fierbinți localizate, extrem de reactive, de până la 5000K în lichid, fără o încălzire substanțială a întregului volum de lichid din reactorul chimic.
• Energie termică: Orice energie ultrasonică pe care o adăugați la proiectul unui reactor chimic va fi în final convertită în energie termică. Prin urmare, puteți reutiliza energia pentru procesul chimic. În locul unui aport de energie termică prin elemente de încălzire sau abur, ultrasonicarea introduce o energie mecanică ce activează procesul, prin intermediul vibrațiilor de înaltă frecvență. În reactorul chimic, aceasta produce cavitație ultrasonică ce activează procesul chimic la mai multe niveluri. În final, forfecarea ultrasonică imensă a substanțelor chimice are ca rezultat conversia în energie termică, adică în căldură. Puteți utiliza reactoare discontinue cu manta sau reactoare în linie pentru răcire, pentru a menține o temperatură constantă de proces pentru reacția dumneavoastră chimică.

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru reacții chimice îmbunătățite în CSTR

Hielscher Ultrasonics proiectează, fabrică și distribuie omogenizatoare cu ultrasunete și dispersoare de înaltă performanță pentru integrarea în reactoare cu rezervor agitat continuu (CSTR). Ultrasonicatoarele Hielscher sunt utilizate în întreaga lume pentru a promova, intensifica, accelera și îmbunătăți reacțiile chimice.
Procesoarele ultrasonice Hielscher Ultrasonics sunt disponibile în orice dimensiune, de la dispozitive mici de laborator până la procesoare industriale mari pentru aplicații de chimie în flux. Reglarea precisă a amplitudinii ultrasonice (care este cel mai important parametru) permite operarea ultrasonicatoarelor Hielscher la amplitudini de la mici până la foarte mari și ajustarea fină a amplitudinii exact la condițiile de proces ultrasonic necesare ale sistemului de reacție chimică specific.
Generatoarele ultrasonice Hielscher dispun de un software inteligent cu protocolare automată a datelor. Toți parametrii de procesare importanți, precum energia ultrasonică, temperatura, presiunea și timpul, sunt stocați automat pe un card SD încorporat de îndată ce dispozitivul este pornit.
Monitorizarea procesului și înregistrarea datelor sunt importante pentru standardizarea continuă a procesului și pentru calitatea produsului. Accesând datele de proces înregistrate automat, puteți revizui rulările anterioare de sonicare și evalua rezultatul.
O altă funcție ușor de utilizat este controlul de la distanță prin browser al sistemelor noastre ultrasonice digitale. Prin controlul de la distanță prin browser puteți porni, opri, regla și monitoriza procesorul dumneavoastră ultrasonic de la distanță, de oriunde.
Contactați-ne acum pentru a afla mai multe despre modul în care omogenizatoarele noastre cu ultrasunete de înaltă performanță pot îmbunătăți reactorul dumneavoastră cu rezervor agitat continuu (CSTR)!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: