Реакторы непрерывного действия с перемешиванием ультразвуком

Реакторы непрерывного действия с перемешиванием (CSTR) широко применяются для различных химических реакций, включая катализ, эмульсионную химию, полимеризацию, синтез, экстракцию и кристаллизацию. Медленная кинетика реакций – распространённая проблема в CSTR, которую легко преодолеть с помощью обработки мощным ультразвуком. Интенсивное смешивание, перемешивание и сонохимические эффекты мощного ультразвука ускоряют кинетику реакций и значительно повышают степень превращения. Ультразвуковые аппараты легко интегрируются в CSTR любого объёма.

Зачем применять мощный ультразвук в реакторе непрерывного действия с перемешиванием?

Реактор непрерывного действия с перемешиванием (CSTR, или просто реактор с перемешиванием (STR)) по своим основным характеристикам весьма похож на реактор периодического действия. Главное существенное отличие заключается в том, что в конфигурации реактора непрерывного действия с перемешиванием (CSTR) необходимо обеспечить непрерывный поток материала на входе в реактор и на выходе из него. Подачу в реактор можно осуществлять самотёком или посредством принудительной циркуляции с помощью насоса. CSTR иногда называют проточным реактором с обратным перемешиванием (BMR).
CSTR обычно используют, когда требуется перемешивание двух или более жидкостей. CSTR можно использовать как отдельный реактор или устанавливать в виде последовательности конфигураций для потоков с разными концентрациями и различных стадий реакции. Помимо использования одного реактора, часто применяют последовательную установку нескольких ёмкостей (одной за другой) или каскадную конфигурацию.
Зачем нужна обработка ультразвуком? Хорошо известно, что ультразвуковое смешивание и перемешивание, а также сонохимические эффекты мощного ультразвука способствуют повышению эффективности химических реакций. Улучшенное смешивание и уменьшение размера частиц благодаря ультразвуковым колебаниям и кавитации обеспечивают значительное ускорение кинетики и повышение степени превращения. Сонохимические эффекты могут обеспечивать энергию, необходимую для инициирования химических реакций, изменения путей их протекания и повышения выхода благодаря более полному протеканию реакции.

CSTR с ультразвуковой интенсификацией можно использовать для следующих задач:

• Гетерогенные реакции жидкость–жидкость
• Гетерогенные реакции твёрдое тело–жидкость
• Гомогенные жидкофазные реакции
• Гетерогенные реакции газ–жидкость
• Гетерогенные реакции газ–твёрдое тело–жидкость

Обработка ультразвуком как система высокоскоростного химического синтеза

Высокоскоростная химия синтеза – новый метод проведения реакций, используемый для инициирования и интенсификации химического синтеза. По сравнению с традиционными путями проведения реакций, требующими нескольких часов или дней кипячения с обратным холодильником, реакторы синтеза с ультразвуковой интенсификацией могут сократить продолжительность реакции до нескольких минут, что значительно ускоряет реакцию синтеза. Ультразвуковая интенсификация синтеза основана на принципе действия акустической кавитации и связанных с ней сил, включая локализованный перегрев. Подробнее об ультразвуке, акустической кавитации и сонохимии читайте в следующем разделе.

Ультразвуковая кавитация и её сонохимические эффекты

Ультразвуковая (или акустическая) кавитация возникает при передаче мощного ультразвука в жидкости или суспензии. Кавитация – это переход из жидкой фазы в паровую, происходящий вследствие падения давления до уровня давления пара жидкости.
Ультразвуковая кавитация создаёт очень высокие силы сдвига и струи жидкости со скоростью до 1000m/s. Эти струи жидкости ускоряют частицы и вызывают межчастичные столкновения, тем самым уменьшая размер твёрдых частиц и капель. Кроме того, внутри схлопывающегося кавитационного пузырька и в непосредственной близости от него локально возникают чрезвычайно высокие давления порядка сотен атмосфер и температуры порядка тысяч градусов Кельвина.
Хотя обработка ультразвуком является чисто механическим методом обработки, она может вызывать локализованное экстремальное повышение температуры. Это обусловлено интенсивными силами, возникающими внутри схлопывающихся кавитационных пузырьков и в непосредственной близости от них, где легко могут достигаться температуры в несколько тысяч градусов Цельсия. В основном объёме раствора повышение температуры в результате схлопывания одного пузырька почти пренебрежимо мало, однако рассеивание тепла от многочисленных кавитационных пузырьков, наблюдаемое в кавитационных горячих точках (образующихся при обработке мощным ультразвуком), в конечном итоге может вызвать измеримое повышение температуры основного объёма. Преимущество обработки ультразвуком и сонохимии заключается в управляемых температурных эффектах во время обработки: регулирование температуры основного объёма раствора можно обеспечить с помощью ёмкостей с охлаждающими рубашками, а также импульсной обработки ультразвуком. Современные ультразвуковые аппараты Hielscher Ultrasonics могут приостанавливать подачу ультразвука при достижении верхнего предела температуры и возобновлять обработку ультразвуком, как только достигается нижнее значение заданного ∆T. Это особенно важно при использовании термочувствительных реагентов.

Сонохимия улучшает кинетику реакций

Поскольку обработка ультразвуком создаёт интенсивные колебания и кавитацию, она влияет на химическую кинетику. Кинетика химической системы тесно связана с расширением и схлопыванием кавитационных пузырьков, при этом существенно влияя на динамику движения пузырьков. Растворённые газы в растворе, где протекает химическая реакция, влияют на характеристики сонохимической реакции посредством как тепловых, так и химических эффектов. Тепловые эффекты влияют на пиковые температуры, достигаемые при схлопывании пузырька внутри кавитационной полости; химические эффекты изменяют действие газов, непосредственно участвующих в реакции.
Гетерогенные и гомогенные реакции с медленной кинетикой, включая реакции сочетания Судзуки, осаждение, кристаллизацию и эмульсионную химию, особенно подходят для инициирования и интенсификации с помощью мощного ультразвука и его сонохимических эффектов.
Например, при синтезе феруловой кислоты низкочастотная (20kHz) обработка ультразвуком мощностью 180 W обеспечила выход феруловой кислоты 94% при 60°C за 3 h. Эти результаты Truong et al. (2018) показывают, что использование низкой частоты (излучатель рупорного типа и облучение высокой мощности) значительно повысило степень превращения, обеспечив выход выше 90%.

Эмульсионная химия с ультразвуковой интенсификацией

Применение мощного ультразвука значительно улучшает гетерогенные реакции, в том числе реакции эмульсионной химии. Ультразвуковая кавитация уменьшала размер капель каждой фазы и равномерно распределяла их друг в друге, создавая субмикронную или наноэмульсию. Поскольку наноразмерные капли имеют резко увеличенную площадь поверхности для взаимодействия с другими каплями, массоперенос и скорость реакции значительно улучшаются. При обработке ультразвуком реакции, известные своей обычно медленной кинетикой, демонстрируют резкое повышение степени превращения, более высокий выход, меньшее количество побочных продуктов или отходов и более высокую общую эффективность. Эмульсионная химия с ультразвуковой интенсификацией часто применяется для эмульсионной полимеризации, например для получения полимерных смесей, клеёв на водной основе и специальных полимеров.

10 вещей, которые следует знать перед покупкой химического реактора

При выборе химического реактора для химического процесса множество факторов влияет на оптимальную конструкцию реактора. Если ваш химический процесс включает многофазные гетерогенные химические реакции и характеризуется медленной кинетикой, перемешивание в реакторе и активация процесса являются важнейшими факторами, определяющими успешное химическое превращение и экономичность эксплуатационных затрат на химический реактор.
Обработка ультразвуком значительно улучшает кинетику химических реакций жидкость–жидкость и жидкость–твёрдое тело в химических реакторах периодического действия и проточных реакционных сосудах. Поэтому интеграция ультразвуковых зондов в химический реактор может снизить затраты на реактор, повысить общую эффективность и улучшить качество конечного продукта.
Очень часто при проектировании химических реакторов не хватает знаний об улучшении процессов с помощью ультразвука. Без глубокого понимания влияния мощного ультразвука, ультразвукового перемешивания, акустической кавитации и сонохимических эффектов на работу химического реактора анализ реактора и традиционные основы проектирования могут дать лишь худшие результаты. Ниже представлен обзор основных преимуществ ультразвука для проектирования и оптимизации химических реакторов.

Преимущества реактора непрерывного действия с перемешиванием (CSTR) с ультразвуковой интенсификацией

• • Реакторы с ультразвуковой интенсификацией для лаборатории и производства:
    Простое масштабирование: Ультразвуковые процессоры доступны для лабораторного, пилотного и крупномасштабного производства
    Воспроизводимые / повторяемые результаты благодаря точно регулируемым параметрам ультразвука
    Производительность и скорость реакции: реакции с ультразвуковой интенсификацией протекают быстрее и поэтому более экономичны (меньшие затраты)
  • Сонохимия применима как для общих, так и для специальных задач

– адаптируемость и универсальность, например гибкие варианты установки и конфигурации и междисциплинарное использование

• Обработку ультразвуком можно использовать во взрывоопасных средах
  – продувка (например, азотная подушка)
  – отсутствие открытой поверхности
• Простая очистка: самоочистка (CIP – очистка на месте)
• Выбирайте предпочтительные конструкционные материалы
  – стекло, нержавеющая сталь, титан
  – отсутствие вращающихся уплотнений
  – широкий выбор уплотнительных материалов
• Ультразвуковые аппараты можно использовать в широком диапазоне температур
• Ультразвуковые аппараты можно использовать в широком диапазоне давлений
• Синергетический эффект с другими технологиями, например электрохимией (соноэлектрохимия), катализом (сонокатализ), кристаллизацией (сонокристаллизация) и т. д.
• Обработка ультразвуком идеально подходит для повышения эффективности биореакторов, например при ферментации.
• Растворение / процесс растворения: в процессах растворения частицы переходят из одной фазы в другую, например когда твёрдые частицы растворяются в жидкости. Установлено, что интенсивность перемешивания влияет на скорость процесса. Множество мелких кристаллов растворяется при ультразвуковой кавитации гораздо быстрее, чем один кристалл в реакторах периодического действия с обычным перемешиванием. Здесь причиной различий в скорости также являются разные скорости массопереноса на поверхности частиц. Например, обработка ультразвуком успешно применяется для создания пересыщенных растворов, в частности в процессах кристаллизации (сонокристаллизации).
• Химическая экстракция с ультразвуковой интенсификацией:
  – Жидкость–твёрдое тело, например экстракция из растительного сырья, химическая экстракция
  – Жидкость–жидкость: при воздействии ультразвука на систему жидкостной экстракции образуется эмульсия одной фазы в другой. Такое образование эмульсии увеличивает площадь межфазной поверхности между двумя несмешивающимися фазами, что усиливает поток массопереноса между фазами.

Как обработка ультразвуком улучшает химические реакции в реакторах с перемешиванием?

• Большая площадь контактной поверхности: В реакциях между реагентами в гетерогенных фазах реагировать могут только частицы, сталкивающиеся друг с другом на границе раздела фаз. Чем больше поверхность раздела фаз, тем больше столкновений может происходить. Когда жидкая или твёрдая часть вещества дробится на более мелкие капли или твёрдые частицы, взвешенные в жидкости непрерывной фазы, площадь поверхности этого вещества увеличивается. Кроме того, вследствие уменьшения размера число частиц увеличивается, и поэтому среднее расстояние между ними уменьшается. Это улучшает контакт непрерывной фазы с дисперсной фазой. Следовательно, скорость реакции возрастает с увеличением степени дробления дисперсной фазы. Многие химические реакции в дисперсиях или эмульсиях демонстрируют резкое увеличение скорости в результате ультразвукового уменьшения размера частиц.
• Катализ (энергия активации): Катализаторы имеют большое значение во многих химических реакциях, при лабораторных разработках и в промышленном производстве. Часто катализаторы находятся в твёрдой или жидкой фазе и не смешиваются с одним или со всеми реагентами. Поэтому катализ чаще всего представляет собой гетерогенную химическую реакцию. Катализаторы играют важную роль в производстве важнейших базовых химических веществ, таких как серная кислота, аммиак, азотная кислота, этен и метанол. Значительные области природоохранных технологий основаны на каталитических процессах. Столкновение частиц приводит к химической реакции, то есть к перегруппировке атомов, только если частицы сталкиваются с достаточной кинетической энергией. Обработка ультразвуком – высокоэффективный способ ускорения кинетики в химических реакторах. В процессе гетерогенного катализа включение ультразвука в конструкцию химического реактора может снизить потребность в катализаторе. Это может позволить использовать меньше катализатора или катализаторы более низкого качества, менее благородные.
• Более высокая частота контактов / улучшенный массоперенос: Ультразвуковое смешивание и перемешивание – высокоэффективный метод получения мельчайших капель и частиц (то есть субмикронных и наночастиц), которые обеспечивают большую активную поверхность для реакций. При дополнительном интенсивном перемешивании и микродвижении, вызванных мощным ультразвуком, частота межчастичных контактов резко возрастает, что приводит к значительному повышению степени превращения.
• Сжатая плазма: Для многих реакций повышение температуры в реакторе на 10 Кельвинов приводит к увеличению скорости реакции примерно вдвое. Ультразвуковая кавитация создаёт внутри жидкости локализованные высокореакционные горячие точки с температурой до 5000K без существенного нагрева всего объёма жидкости в химическом реакторе.
• Тепловая энергия: Любая ультразвуковая энергия, вводимая в химический реактор, в конечном итоге преобразуется в тепловую энергию. Поэтому эту энергию можно повторно использовать для химического процесса. Вместо ввода тепловой энергии посредством нагревательных элементов или пара обработка ультразвуком вводит активирующую процесс механическую энергию посредством высокочастотных колебаний. В химическом реакторе это создаёт ультразвуковую кавитацию, которая активирует химический процесс на нескольких уровнях. В конечном итоге чрезвычайно интенсивный ультразвуковой сдвиг химических веществ приводит к преобразованию энергии в тепловую, то есть в тепло. Для охлаждения можно использовать реакторы периодического действия с рубашкой или проточные реакторы, чтобы поддерживать постоянную температуру процесса для вашей химической реакции.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для улучшения химических реакций в CSTR

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы и диспергаторы для интеграции в реакторы непрерывного действия с перемешиванием (CSTR). Ультразвуковые аппараты Hielscher используются во всём мире для стимулирования, интенсификации, ускорения и улучшения химических реакций.
Ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics доступны в любых размерах: от небольших лабораторных приборов до крупных промышленных процессоров для проточной химии. Точная регулировка амплитуды ультразвука (самого важного параметра) позволяет эксплуатировать ультразвуковые аппараты Hielscher при амплитудах от низких до очень высоких и точно настраивать амплитуду в соответствии с требуемыми условиями ультразвукового процесса для конкретной химической реакционной системы.
Ультразвуковой генератор Hielscher оснащён интеллектуальным программным обеспечением с автоматическим протоколированием данных. Все важные параметры обработки, такие как ультразвуковая энергия, температура, давление и время, автоматически сохраняются на встроенную SD-карту сразу после включения устройства.
Мониторинг процесса и регистрация данных важны для постоянной стандартизации процесса и качества продукции. Получив доступ к автоматически зарегистрированным данным процесса, вы можете просматривать предыдущие циклы обработки ультразвуком и оценивать результат.
Ещё одна удобная функция – дистанционное управление нашими цифровыми ультразвуковыми системами через браузер. С помощью дистанционного управления через браузер вы можете запускать, останавливать, настраивать и контролировать свой ультразвуковой процессор удалённо из любого места.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше о том, как наши высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы могут улучшить ваш реактор непрерывного действия с перемешиванием (CSTR)!
Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: