Chemické reaktory zdokonalené sonikáciou – typy, konštrukcie a mechanizmy

Chemické reaktory tvoria jadro priemyselnej chémie, syntézy materiálov, výroby jemných chemikálií, farmaceutickej výroby a environmentálnych spracovateľských procesov. Keďže priemyselné odvetvia hľadajú rýchlejšie, čistejšie a energeticky účinnejšie procesy, sonikácia, známa aj ako ultrazvukové spracovanie, sa stáva čoraz významnejšou metódou intenzifikácie reaktorov. Technológia ultrazvukových reaktorov mení chemické spracovanie tým, že zlepšuje miešanie, prenos hmoty, reakčnú kinetiku a heterogénnu katalýzu vo vsádzkových a kontinuálnych reaktorových systémoch.

Ako sonikácia zlepšuje chemické reaktory

Zavedením vysokovýkonného ultrazvuku do chemického reaktora môžu inžinieri v reakčnom prostredí vyvolať miešanie ultrazvukovým oscilačným prúdením a akustickú kavitáciu. Tieto mechanizmy zlepšujú kontakt medzi reaktantmi, urýchľujú prenos hmoty a môžu zvýšiť reakčnú rýchlosť, selektivitu a výťažok. Sonikácia je obzvlášť účinná v systémoch tuhá látka–kvapalina, napríklad pri heterogénnej katalýze, a v systémoch kvapalina–kvapalina, napríklad pri emulgácii, extrakcii a dvojfázových reakciách. V zmesiach plyn–kvapalina sa používa menej často, pretože v kvapalinách s vysokým obsahom plynu sa akustická kavitácia vytvára menej účinne.
V moderných konštrukciách sonochemických reaktorov sa tekutiny premiešavajú ultrazvukovými osciláciami a kavitáciou, zvyčajne s amplitúdami v rozsahu 10 až 200 µm. To umožňuje dosiahnuť silné mikroskopické účinky miešania, ktoré sa samotným konvenčným mechanickým miešaním dosahujú ťažko.

Prečo sonikácia intenzifikuje chemické reaktory

Priemyselný význam sonikácie spočíva v jej schopnosti ovplyvňovať chemické a fyzikálne transportné javy na mikroúrovni a mezoúrovni. Na rozdiel od konvenčného miešania ultrazvuk nielen uvádza do pohybu celý objem kvapaliny. Vytvára tlakové vlny, oscilačný pohyb, kavitačné bubliny a lokalizované zóny s vysokou energiou.
Keď akustické kavitačné bubliny vznikajú, rastú a kolabujú, vytvárajú mikroprostredia s intenzívnymi účinkami. Tieto deje môžu vytvárať:

• vysoké lokálne šmykové sily
• mikroprúdy v blízkosti pevných povrchov
• rázové vlny
• rýchle mikromiešanie
• lepšiu dispergáciu častíc
• lepší medzifázový kontakt
• zrýchlený prenos hmoty a tepla
• účinky čistenia povrchov a aktivácie katalyzátorov

Vďaka týmto javom je sonikácia veľmi cenná pri intenzifikácii procesov, najmä keď sú reakcie obmedzené difúziou, nedostatočným kontaktom medzi fázami, zanášaním katalyzátora alebo nedostatočným miešaním.

Sonikácia vo vsádzkových reaktoroch

Vsádzkové reaktory sa bežne používajú v laboratóriách, poloprevádzkach a pri výrobe špeciálnych chemikálií. Sú flexibilné, ľahko sa obsluhujú a sú vhodné na skríning reakcií, syntézu v malých objemoch a výrobu produktov s vysokou hodnotou.
Sonikácia môže pri použití vo vsádzkových reaktoroch výrazne zlepšiť miešanie a rovnomernosť reakcie. Ultrazvukové sondy, prietokové cely alebo zvonka namontované meniče môžu privádzať akustickú energiu priamo do reakčného prostredia.

Vo vsádzkových systémoch je sonikácia obzvlášť užitočná pre:

1. heterogénnu katalýzu
2. syntézu nanočastíc
3. riadenie kryštalizácie
4. emulgáciu
5. extrakciu
6. polymerizáciu
7. rozpúšťanie a dispergáciu tuhých látok

Pri reakciách tuhá látka–kvapalina môže ultrazvuk zabrániť aglomerácii častíc a zlepšiť prístup ku katalytickým alebo reaktívnym povrchom. V systémoch kvapalina–kvapalina môže sonikácia vytvárať jemné emulzie a zväčšovať plochu medzifázového rozhrania medzi nemiešateľnými fázami, čo často vedie k vyšším reakčným rýchlostiam.

 

V tomto videu je ultrazvukový homogenizátor Hielscher UP200St s výkonom 200 wattov a 7mm sonotródou namontovaný do štandardného skleneného zábrusu na dne skleneného reaktora. Montáž môže byť vodorovná, zvislá alebo v akomkoľvek inom smere. Do jednej reaktorovej nádoby možno namontovať viacero ultrazvukových sond – napríklad v rôznych výškach. Často sa uprednostňuje montáž zboku alebo zdola, pretože lepšie funguje pri premenlivej hladine kvapaliny. Ultrazvukové miešanie možno kombinovať s bežnými hornými miešadlami.

 

Prietokové reaktory na kontinuálne sonochemické spracovanie

Prietokové reaktory patria medzi najdôležitejšie konštrukčné riešenia pre priemyselnú sonikáciu. Namiesto spracovania pevne stanoveného objemu kvapaliny reakčná zmes nepretržite prechádza komorou ultrazvukového reaktora.
Toto konštrukčné riešenie je veľmi atraktívne pri zväčšovaní mierky procesu, pretože umožňuje inžinierom presnejšie riadiť dobu zdržania, prietok, teplotu, tlak a prívod ultrazvukovej energie. Prietokové sonochemické reaktory sa často používajú tam, kde sa vyžaduje stála kvalita produktu a nepretržitá prevádzka.

Medzi hlavné výhody sonikovaných prietokových reaktorov patria:

• možnosť kontinuálnej výroby
• lepšia reprodukovateľnosť procesu
• lepšia regulácia teploty
• riadené rozdelenie dôb zdržania
• jednoduchšia integrácia do priemyselných technologických liniek
• škálovateľná architektúra reaktora

V týchto systémoch môže miešanie vyvolané ultrazvukovým oscilačným prúdením zlepšiť radiálne a axiálne miešanie, znížiť koncentračné gradienty a zlepšiť vzájomné pôsobenie reaktantov. To je obzvlášť cenné pri procesoch, v ktorých účinnosť reakcie závisí od rýchleho kontaktu fáz alebo rýchleho dispergovania.

 

V tomto videu vám predstavíme ultrazvukový systém s výkonom 2 kilowatty na prietokovú prevádzku v preplachovateľnej skrini. Hielscher dodáva ultrazvukové zariadenia takmer do všetkých priemyselných odvetví, napríklad do chemického, farmaceutického a kozmetického priemyslu, ako aj pre petrochemické procesy a extrakčné procesy s použitím rozpúšťadiel. Táto preplachovateľná skriňa z nehrdzavejúcej ocele je určená na prevádzku v priestoroch s nebezpečenstvom výbuchu. Na tento účel môže zákazník utesnenú skriňu preplachovať dusíkom alebo čerstvým vzduchom, aby zabránil vniknutiu horľavých plynov alebo pár do skrine.

 

Vložka MultiPhaseCavitator do ultrazvukovej prietokovej cely

MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 je špecializovaná vložka do ultrazvukových prietokových reaktorov Hielscher určená na intenzifikáciu procesov kvapalina/kvapalina a kvapalina/plyn priamo v zóne ultrazvukovej kavitácie. Vstrekovaním druhej kvapalnej alebo plynnej fázy cez 48 jemných kanýl do hlavného prúdu kvapaliny vytvára MultiPhaseCavitator veľmi malé kvapôčky alebo plynové bubliny s veľkou špecifickou medzifázovou plochou. Vďaka tomu je obzvlášť účinný pri ultrazvukovej emulgácii, pri ktorej sa nemiešateľné fázy dispergujú na jemné emulzie, a pri katalytických reakciách s plynmi, pri ktorých sa vstrekovaná plynná fáza rýchlo disperguje a dostáva do tesného kontaktu s kvapalnou fázou, rozpustenými reaktantmi alebo suspendovanými katalyzátormi. Výsledný šmyk vyvolaný kavitáciou, mikromiešanie a zlepšený prenos látky môžu zlepšiť reakčnú kinetiku, kontakt na rozhraní fáz a účinnosť procesu pri kontinuálnej alebo vsádzkovej prietokovej prevádzke.

Prečítajte si viac o MultiPhaseCavitator!

Mechanizmy ultrazvukovej intenzifikácie reaktorov

Výhody sonikácie v chemických reaktoroch vychádzajú z viacerých vzájomne pôsobiacich mechanizmov.

• Akustická kavitácia je najdôležitejším mechanizmom. Zahŕňa vznik, rast a kolaps mikroskopických bublín v kvapaline vystavenej ultrazvuku s vysokou intenzitou. Kolaps bublín spôsobuje lokálne uvoľňovanie energie a vznik silných mechanických síl.
• Akustické prúdenie vytvára ustálený pohyb fluida vyvolaný ultrazvukovými vlnami. Tým sa zlepšuje miešanie a transport v oblastiach, kde môže byť mechanické miešanie slabé.
• K miešaniu oscilačným prúdením dochádza, keď ultrazvukové vibrácie spôsobujú rýchly pohyb kvapaliny tam a späť. V reaktorových systémoch môžu amplitúdy približne 10 až 200 µm zabezpečiť vysoko účinné premiešavanie a lepší prenos hmoty.
• Mikroprúdy a rázové vlny vznikajú v blízkosti kolabujúcich kavitačných bublín, najmä v blízkosti pevných povrchov. Tieto účinky môžu čistiť povrchy katalyzátorov, narúšať medzné vrstvy a zlepšovať prístup kvapaliny k aktívnym miestam.
• Zväčšenie plochy fázového rozhrania je obzvlášť dôležité v systémoch kvapalina–kvapalina. Ultrazvuk môže vytvárať jemné kvapôčky a stabilné disperzie, čím zväčšuje plochu dostupnú na reakciu alebo prenos hmoty.

Tieto mechanizmy spoločne robia zo sonikácie účinný nástroj na intenzifikáciu chemických reaktorov.

 

Intenzívna sonikácia vytvára vo vode kavitačné bubliny. Následný kolaps kavitačných bublín vyvoláva v kvapaline extrémne mechanické šmykové sily. Tento účinok narúša bunky, napríklad pri extrakcii rastlinných materiálov, alebo rozbíja kvapôčky oleja vo vode na veľmi malé kvapôčky (emulgácia). Vďaka kavitačnému účinku sú ultrazvukové homogenizátory Hielscher veľmi účinným prostriedkom na dispergovanie, homogenizáciu, emulgáciu a extrakciu. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába ultrazvukové sondy s výkonom od 50 wattov do 16000 wattov na sonikačné procesy v laboratóriu aj v plnej výrobnej prevádzke.

 

Priemyselný význam konštrukcie sonochemických reaktorov

Priemyselný význam sonikovaných reaktorov presahuje rámec rýchlejšieho miešania. Sonikácia poskytuje spôsob, ako ovplyvňovať reakčné prostredie v mierkach, ktoré konvenčné zariadenia nedokážu ľahko dosiahnuť.
V chemickom inžinierstve mnohé obmedzenia reaktorov vyplývajú skôr z transportných javov než z vlastných reakčných rýchlostí. Reaktanty sa nemusia dostávať ku katalytickým miestam dostatočne rýchlo. Nemiešateľné kvapaliny môžu mať nedostatočnú kontaktnú plochu. Pevné látky môžu aglomerovať. Membrány sa môžu zanášať. Povrchy katalyzátorov sa môžu zablokovať.
Sonikácia rieši tieto obmedzenia priamym zlepšovaním fyzikálnych podmienok vnútri reaktora. Preto má význam pre viaceré výskumné a priemyselné priority:

• ekologickejšie chemické spracovanie
• nižšia potreba energie a rozpúšťadiel
• vyššia účinnosť katalyzátora
• vyššia selektivita reakcie
• rýchlejší vývoj procesov
• kontinuálna výroba
• intenzifikované modulárne reaktorové systémy
• syntéza pokročilých materiálov
• udržateľná premena biomasy a odpadových prúdov

Výskumníkom sonikácia ponúka kontrolovanú metódu na štúdium vzťahu medzi prívodom akustickej energie, správaním kavitácie, zlepšením transportu a výsledkami chemických procesov. Priemyslu ponúka praktickú cestu ku kompaktným, účinným a škálovateľným reaktorovým systémom.

 

 

Výhody sonikácie v chemických reaktoroch

Začlenenie ultrazvuku do konštrukcie reaktora ponúka niekoľko prevádzkových a vedeckých výhod:

• vyššie reakčné rýchlosti vďaka lepšiemu prenosu látky
• lepšie miešanie vo viacfázových systémoch
• lepšie dispergovanie tuhých látok a kvapôčok
• lepšie využitie katalyzátora
• zníženie difúznych obmedzení
• čistejšie povrchy katalyzátorov a membrán
• lepšia reprodukovateľnosť procesu v prietokových systémoch
• možné zníženie teploty, tlaku alebo reakčného času
• kompatibilita so vsádzkovou aj kontinuálnou prevádzkou
• veľký význam pre heterogénnu katalýzu a dvojfázové reakcie

Vďaka týmto výhodám je technológia ultrazvukových reaktorov obzvlášť atraktívna pre jemné chemikálie, špeciálne chemikálie, katalýzu, nanomateriály, zelenú chémiu a intenzifikáciu procesov.

Zintenzívnite procesy vo svojom chemickom reaktore pomocou sonikátorov Hielscher!

Sonikátory Hielscher sú vhodné na integráciu do chemických reaktorov podľa individuálnych požiadaviek, pretože sú dostupné ako robustné ultrazvukové systémy s vysokým výkonom s prispôsobiteľnými sonotródami, prietokovými celami, reaktorovými vložkami a príslušenstvom pre konkrétne procesy. V závislosti od reakčného usporiadania možno ultrazvukové procesory Hielscher inštalovať do vsádzkových reaktorov, kontinuálnych miešaných nádržových reaktorov, prietokových reaktorov v potrubí, recirkulačných okruhov, tlakových systémov a poloprevádzkových alebo výrobných zariadení. Táto flexibilita umožňuje aplikovať ultrazvuk presne tam, kde je kavitácia najúčinnejšia: na rozhraní kvapalina – tuhá látka, kvapalina – kvapalina alebo kvapalina – plyn. Hielscher Ultrasonics ponúka aj rôzne typy ultrazvukových vsádzkových a potrubných reaktorov, ktoré umožňujú riadené sonochemické spracovanie, emulgáciu, dispergovanie, aktiváciu katalyzátora, čistenie povrchov, intenzifikáciu prenosu látky a urýchlenie reakcií. Vďaka presnému riadeniu amplitúdy, príkonu, teploty, tlaku, prietoku a doby zdržania možno sonikátory Hielscher prispôsobiť špecifickým požiadavkám laboratórneho výskumu, vývoja procesov, zväčšovania mierky a priemyselnej chemickej výroby.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť certifikovaná podľa ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a používateľskou prívetivosťou. Samozrejme, ultrazvukové prístroje Hielscher sú v súlade s požiadavkami CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

---

---

 

Literatúra / Referencie

• Yu, Hang Gao, Jing; Zhong, Qili; Guo, Yahui; Xie, Yunfei; Yao, Weirong; Zhou, Weibiao (2018): Acoustic pressure and temperature distribution in a novel continuous ultrasonic tank reactor: a simulation study. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2018.
• Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
• M. Ajmal, S. Rusli, G. Fieg (2016): Modeling and experimental validation of hydrodynamics in an ultrasonic batch reactor. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 28, 2016. 218-229.
• L. Castrillón, E. Marañón, Y. Fernández-Nava, P. Ormaechea, G. Quiroga (2013): Thermophilic co-digestion of cattle manure and food waste supplemented with crude glycerin in induced bed reactor (IBR). Bioresource Technology, Volume 136, 2013. 73-77.