Реакторы с непрерывным перемешиванием и ультразвуковым перемешиванием

Реакторы с непрерывным перемешиванием (CSTR) широко применяются для различных химических реакций, включая катализ, химию эмульсии, полимеризацию, синтез, экстракцию и кристаллизацию. Медленная кинетика реакции является распространенной проблемой в CSTR, которую можно легко преодолеть с помощью силового ультразвука. Интенсивное перемешивание, перемешивание и сонохимические эффекты силового ультразвука ускоряют кинетику реакции и значительно улучшают скорость конверсии. Ультразвуковые аппараты могут быть легко интегрированы в КСТ любого объема.

Зачем применять технологию Power-ULTRASOUND к реактору с непрерывным перемешиванием?

Реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR, или просто реактор с перемешиванием (STR)) по своим основным характеристикам очень похож на реактор периодического действия. Основное важное отличие заключается в том, что для установки реактора с непрерывным перемешиванием (CSTR) подача материала должна обеспечиваться непрерывным потоком внутрь и из реактора. Питание реактора может осуществляться за счет самотека или принудительной циркуляции с помощью насоса. CSTR иногда называют реактором с обратным смешанным потоком (BMR).
CSTR обычно используются, когда требуется перемешивание двух или более жидкостей. CSTR могут использоваться в качестве одного реактора или устанавливаться в виде ряда конфигураций для различных потоков концентрации и этапов реакции. Помимо использования реактора с одним резервуаром, обычно используется последовательная установка нескольких резервуаров (друг за другом) или каскадная установка.
Почему ультразвуковое исследование? Хорошо известно, что ультразвуковое перемешивание и перемешивание, а также сонохимические эффекты силового ультразвука способствуют эффективности химических реакций. Улучшенное перемешивание и уменьшение размера частиц за счет ультразвуковых колебаний и кавитации обеспечивают значительно ускоренную кинетику и повышенную скорость конверсии. Сонохимические эффекты могут доставлять необходимую энергию для инициирования химических реакций, переключения химических путей и давать более высокие выходы за счет более полной реакции.

Ультразвуковая интенсификация CSTR может использоваться в таких областях, как:

• Гетерогенные реакции жидкость-жидкость
• Гетерогенные твердо-жидкие реакции
• Гомогенные жидкофазные реакции
• Гетерогенные газожидкостные реакции
• Гетерогенные реакции газ-твердое тело-жидкость

Ультразвук как высокоскоростная синтетическая химическая система

Высокоскоростная синтетическая химия — это новый метод реакции, используемый для инициирования и интенсификации химического синтеза. По сравнению с традиционными реакционными путями, которые требуют нескольких часов или дней при рефлюксе, реакторы синтеза с ультразвуковым давлением могут свести к минимуму продолжительность реакции до нескольких минут, что приводит к значительному ускорению реакции синтеза. Интенсификация ультразвукового синтеза основана на принципе работы акустической кавитации и связанных с ней сил, в том числе локально ограниченного перегрева. Узнайте больше об ультразвуке, акустической кавитации и сонохимии в следующем разделе.

Ультразвуковая кавитация и ее сонохимические эффекты

Ультразвуковая (или акустическая) кавитация возникает, когда силовой ультразвук соединяется с жидкостями или суспензиями. Кавитация – это переход из жидкой фазы в парообразную, который происходит за счет падения давления до уровня натяжения пара жидкости.
Ультразвуковая кавитация создает очень высокие силы сдвига и струи жидкости со скоростью до 1000 м/с. Эти струи жидкости ускоряют частицы и вызывают столкновения между частицами, тем самым уменьшая размер твердых частиц и капель. Дополнительно – локализованный внутри и в непосредственной близости от схлопывающегося кавитационного пузыря – генерируются чрезвычайно высокие давления порядка сотен атмосфер и температуры порядка тысяч градусов Кельвина.
Несмотря на то, что ультразвуковая обработка является чисто механическим методом обработки, она может привести к локально ограниченному экстремальному повышению температуры. Это происходит из-за интенсивных сил, создаваемых внутри и в непосредственной близости от схлопывающихся кавитационных пузырьков, где легко достигаются температуры в несколько тысяч градусов Цельсия. В объемном растворе повышение температуры в результате имплозии одного пузырька практически незначительно, но рассеивание тепла от многочисленных кавитационных пузырьков, наблюдаемое в горячих точках кавитации (генерируемых ультразвуком высокой мощности), может, в конечном счете, вызвать заметное повышение объемной температуры. Преимущество ультразвуковой обработки и сонохимии заключается в контролируемых температурных эффектах во время обработки: контроль температуры сыпучего раствора может быть достигнут за счет использования резервуаров с охлаждающими рубашками, а также импульсной ультразвуковой обработки. Сложные ультразвуковые аппараты Hielscher Ultrasonics могут приостанавливать ультразвуковое исследование при достижении верхнего предела температуры и продолжать ультразвуковое исследование, как только будет достигнуто нижнее значение заданного ∆T. Это особенно важно при использовании термочувствительных реагентов.

Сонохимия улучшает кинетику реакций

Поскольку ультразвуковая обработка создает интенсивные вибрации и кавитацию, это влияет на химическую кинетику. Кинетика химической системы тесно коррелирует с расширением и имплозией кавитационного пузырька, что оказывает существенное влияние на динамику движения пузырьков. Растворенные газы в растворе химической реакции влияют на характеристики сонохимической реакции как посредством термических, так и химических эффектов. Тепловые эффекты влияют на пиковые температуры, которые достигаются при схлопывании пузырьков в кавитационной пустоте; Химические эффекты изменяют эффекты газов, которые непосредственно участвуют в реакции.
Гетерогенные и гомогенные реакции с медленной кинетикой реакции, включая реакции Судзуки, осаждение, кристаллизацию и химию эмульсии, предопределены для инициирования и стимулирования с помощью силового ультразвука и его сонохимических эффектов.
Например, для синтеза феруловой кислоты низкочастотная (20 кГц) ультразвуковая обработка при мощности 180 Вт давала выход 94% феруловой кислоты при 60°C за 3 ч. Эти результаты Truong et al. (2018) демонстрируют, что использование низких частот (рупорного типа и мощного облучения) значительно улучшило коэффициент конверсии, дав выход выше 90%.

Химия эмульсии с ультразвуковой интенсификацией

Гетерогенные реакции, такие как химия эмульсии, значительно выигрывают от применения силового ультразвука. Ультразвуковая кавитация уменьшала и равномерно распределяла капли каждой фазы друг в друге, создавая субмикронную или наноэмульсию. Поскольку наноразмерные капли обеспечивают значительно увеличенную площадь поверхности для взаимодействия с различными каплями, массоперенос и скорость реакции значительно улучшаются. При ультразвуковой обработке реакции, известные своей обычно медленной кинетикой, демонстрируют значительно улучшенную скорость конверсии, более высокий выход, меньшее количество побочных продуктов или отходов и более высокую общую эффективность. Усовершенствованная ультразвуком химия эмульсии часто применяется для полимеризации эмульсий, например, для производства полимерных смесей, водоразбавляемых клеев и специальных полимеров.

10 вещей, которые вы должны знать, прежде чем купить химический реактор

Когда вы выбираете химический реактор для химического процесса, существует множество факторов, влияющих на оптимальную конструкцию химического реактора. Если ваш химический процесс включает в себя многофазные, гетерогенные химические реакции и имеет медленную кинетику реакций, перемешивание реактора и активация процесса являются важными факторами, влияющими на успешную химическую конверсию и на экономические (эксплуатационные) затраты на химический реактор.
Ультразвуковая обработка значительно улучшает кинетику реакций жидкость-жидкость и жидкость-твердое тело в реакторах периодического действия и поточных реакционных сосудах. Таким образом, интеграция ультразвуковых зондов в химический реактор может снизить затраты на реактор и повысить общую эффективность и качество конечного продукта.
Очень часто в химической реакторостроении отсутствуют знания о совершенствовании процессов с помощью ультразвука. Без глубоких знаний о влиянии силового ультразвука, ультразвукового перемешивания, акустической кавитации и сонохимического воздействия на производительность химического реактора, анализ химического реактора и традиционные основы проектирования могут дать только худшие результаты. Ниже вы получите обзор фундаментальных преимуществ ультразвука для проектирования и оптимизации химических реакторов.

Преимущества реактора непрерывного действия с ультразвуковой интенсификацией (CSTR)

• • Реакторы с ультразвуковым усовершенствованием для лабораторий и производства:
    Легкая масштабируемость: Ультразвуковые процессоры легко доступны для лабораторного, опытного и крупносерийного производства
    Воспроизводимый / воспроизводимый Результаты благодаря точно контролируемым ультразвуковым параметрам
    Производительность и скорость реакции: реакции с ультразвуковой интенсификацией происходят быстрее и, следовательно, экономичнее (более низкие затраты)
  • Сонохимия применима как для общих, так и для специальных целей

– приспособляемость & универсальность, например, гибкие варианты установки и настройки, а также междисциплинарное использование

• Ультразвуковое излучение может использоваться во взрывоопасных средах
  – продувка (например, азотной подушкой)
  – нет открытой поверхности
• Простая очистка: самоочистка (CIP – безразборная уборка)
• Выберите предпочтительные материалы для строительства
  – стекло, нержавеющая сталь, титан
  – Отсутствие вращающихся уплотнений
  – Широкий выбор герметиков
• Ультразвуковые аппараты могут использоваться в широком диапазоне температур
• Ультразвуковые аппараты могут использоваться в широком диапазоне давлений
• Синергетический эффект с другими технологиями, например, электрохимией (соно-электрохимией), катализом (соно-катализом), кристаллизацией (сонокристаллизацией) и т.д.
• Ультразвуковая обработка идеально подходит для усиления биореакторов, например, ферментации.
• Растворение / растворение: В процессах растворения частицы переходят из одной фазы в другую, например, когда твердые частицы растворяются в жидкости. Установлено, что степень перемешивания влияет на скорость процесса. Многие мелкие кристаллы растворяются гораздо быстрее при ультразвуковой кавитации, чем в реакторах периодического действия с обычным перемешиванием. И здесь причина разной скорости кроется в разной скорости массопереноса на поверхностях частиц. Например, ультразвук успешно применяется для создания пересыщенных растворов, например, в процессах кристаллизации (сонокристаллизация).
• Ультразвуковая химическая экстракция:
  – Жидкое и твердое вещество, например, растительная экстракция, химическая экстракция
  – Жидкость-жидкость: Когда ультразвук применяется к системе экстракции жидкость-жидкость, создается эмульсия одной из фаз в другой. Это образование эмульсии приводит к увеличению межфазных зон между двумя несмешивающимися фазами, что приводит к усилению потока массопереноса между фазами.

Как ультразвуковая обработка улучшает химические реакции в реакторах с перемешиванием?

• Большая площадь контактной поверхности: В реакциях между реагентами в гетерогенных фазах могут вступать в реакцию только те частицы, которые сталкиваются друг с другом на границе раздела. Чем больше интерфейс, тем больше может произойти коллизий. По мере того, как жидкая или твердая часть вещества разбивается на более мелкие капли или твердые частицы, взвешенные в жидкости непрерывной фазы, площадь поверхности этого вещества увеличивается. Кроме того, в результате уменьшения размера количество частиц увеличивается и, следовательно, уменьшается среднее расстояние между этими частицами. Это улучшает воздействие непрерывной фазы на дисперсную. Поэтому скорость реакции увеличивается со степенью фрагментации дисперсной фазы. Многие химические реакции в дисперсиях или эмульсиях демонстрируют резкое увеличение скорости реакции в результате уменьшения размера частиц ультразвуком.
• Катализ (энергия активации): Катализаторы имеют большое значение во многих химических реакциях, в лабораторных разработках и в промышленном производстве. Часто катализаторы находятся в твердой или жидкой фазе и не смешиваются с одним реагентом или всеми реагентами. Следовательно, чаще всего катализ представляет собой гетерогенную химическую реакцию. В производстве важнейших основных химических веществ, таких как серная кислота, аммиак, азотная кислота, этен и метанол, катализаторы играют важную роль. Большие области экологических технологий основаны на каталитических процессах. Столкновение частиц приводит к химической реакции, т.е. к перегруппировке атомов, только если частицы сталкиваются с достаточной кинетической энергией. Ультразвук является высокоэффективным средством для увеличения кинетики в химических реакторах. В процессе гетерогенного катализа добавление ультразвука в конструкцию химического реактора может снизить потребность в катализаторе. Это может привести к использованию меньшего количества катализаторов или некачественных, менее благородных катализаторов.
• Более высокая частота контакта / улучшенный массообмен: Ультразвуковое смешивание и перемешивание является высокоэффективным методом получения мельчайших капель и частиц (т. е. субмикронных и наночастиц), которые обеспечивают более высокую активную поверхность для реакций. При дополнительном интенсивном перемешивании и микродвижении, вызванном мощным ультразвуком, частота контакта между частицами резко увеличивается, что приводит к значительному улучшению коэффициента конверсии.
• Сжатая плазма: Во многих реакциях увеличение температуры реактора на 10 Кельвинов приводит к тому, что скорость реакции увеличивается примерно в два раза. Ультразвуковая кавитация создает локализованные высокореактивные горячие точки до 5000 К в жидкости без существенного нагрева общего объема жидкости в химическом реакторе.
• Тепловая энергия: Любая ультразвуковая энергия, которую вы добавляете в конструкцию химического реактора, в конечном итоге будет преобразована в тепловую энергию. Таким образом, вы можете повторно использовать энергию для химического процесса. Вместо ввода тепловой энергии нагревательными элементами или паром ультразвук вводит процесс, активирующий механическую энергию с помощью высокочастотных вибраций. В химическом реакторе происходит ультразвуковая кавитация, которая активирует химический процесс на нескольких уровнях. Наконец, огромный ультразвуковой сдвиг химических веществ приводит к преобразованию в тепловую энергию, т.е. тепло. Для охлаждения можно использовать реакторы периодического действия с рубашкой или встроенные реакторы, чтобы поддерживать постоянную температуру процесса химической реакции.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для улучшения химических реакций в CSTR

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и продает высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы и диспергаторы для интеграции в реакторы непрерывного действия с перемешиванием воздуха (CSTR). Ультразвуковые аппараты Hielscher используются во всем мире для стимулирования, интенсификации, ускорения и улучшения химических реакций.
Hielscher Ultrasonics’ Ультразвуковые процессоры доступны любого размера, от небольших лабораторных устройств до крупных промышленных процессоров для проточной химии. Прецизионная регулировка амплитуды ультразвука (что является наиболее важным параметром) позволяет работать с ультразвуковыми аппаратами Хильшера на низких и очень высоких амплитудах и точно настраивать амплитуду в соответствии с требуемыми ультразвуковыми условиями процесса конкретной системы химической реакции.
Ультразвуковой генератор Hielscher оснащен интеллектуальным программным обеспечением с автоматическим протоколированием данных. Все важные параметры обработки, такие как ультразвуковая энергия, температура, давление и время, автоматически сохраняются на встроенной SD-карте сразу после включения устройства.
Мониторинг процесса и запись данных важны для непрерывной стандартизации процессов и качества продукции. Получив доступ к автоматически записанным данным процесса, вы можете пересмотреть предыдущие прогоны ультразвука и оценить результат.
Еще одной удобной функцией является дистанционное управление нашими цифровыми ультразвуковыми системами через браузер. С помощью удаленного управления через браузер вы можете запускать, останавливать, настраивать и контролировать ультразвуковой процессор удаленно из любого места.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше о наших высокопроизводительных ультразвуковых гомогенизаторах, которые могут улучшить ваш реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR)!
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: