Reaktory s kontinuálnym miešaním miešané ultrazvukom

Nádržové reaktory s kontinuálnym miešaním (CSTR) sú široko používané pre rôzne chemické reakcie vrátane katalýzy, emulznej chémie, polymerizácie, syntézy, extrakcie a kryštalizácie. Kinetika pomalej reakcie je bežným problémom v CSTR, ktorý sa dá ľahko prekonať aplikáciou výkonového ultrazvuku. Intenzívne miešanie, miešanie a sonochemické účinky výkonového ultrazvuku urýchľujú kinetiku reakcie a výrazne zlepšujú mieru konverzie. Ultrazvukové prístroje je možné ľahko integrovať do CSTR akéhokoľvek objemu.

Prečo aplikovať výkonový ultrazvuk na kontinuálne miešaný tankový reaktor?

Nádržový reaktor s kontinuálnym miešaním (CSTR alebo jednoducho miešaný nádržový reaktor (STR)) je svojimi hlavnými vlastnosťami dosť podobný dávkovému reaktoru. Hlavný dôležitý rozdiel je v tom, že pre nastavenie reaktora s kontinuálnym miešaním (CSTR) musí byť prívod materiálu zabezpečený v nepretržitom prietoku do a z reaktora. Napájanie reaktora je možné dosiahnuť gravitačným prúdením alebo núteným cirkulačným prúdením pomocou čerpadla. CSTR sa niekedy nazýva reaktor so spätným zmiešaným tokom (BMR).
CSTR sa bežne používajú, keď je potrebné miešanie dvoch alebo viacerých kvapalín. CSTR sa môžu použiť ako samostatný reaktor alebo môžu byť inštalované ako séria konfigurácií pre rôzne koncentračné prúdy a reakčné kroky. Okrem použitia jednonádržového reaktora sa bežne používa sériová inštalácia rôznych nádrží (jedna po sebe) alebo kaskádové nastavenie.
Prečo ultrazvuk? Je dobre známe, že ultrazvukové miešanie a miešanie, ako aj sonochemické účinky výkonového ultrazvuku prispievajú k účinnosti chemických reakcií. Vylepšené miešanie a zmenšenie veľkosti častíc v dôsledku ultrazvukových vibrácií a kavitácie poskytuje výrazne zrýchlenú kinetiku a zvýšenú mieru konverzie. Sonochemické účinky môžu dodať potrebnú energiu na iniciovanie chemických reakcií, zmenu chemických dráh a vyššie výťažky vďaka úplnejšej reakcii.

Ultrazvukom zosilnený CSTR je možné použiť na aplikácie, ako sú:

• Heterogénne reakcie kvapalina-kvapalina
• Heterogénne reakcie tuhá látka-kvapalina
• Homogénne reakcie v kvapalnej fáze
• Heterogénne reakcie plyn-kvapalina
• Heterogénne reakcie plyn-pevná látka-kvapalina

Ultrazvuk ako vysokorýchlostný syntetický chemický systém

Vysokorýchlostná syntetická chémia je nová reakčná technika používaná na iniciovanie a zintenzívnenie chemickej syntézy. V porovnaní s tradičnými reakčnými dráhami, ktoré potrebujú niekoľko hodín alebo dní pod refluxom, môžu ultrazvukom podporované syntézne reaktory minimalizovať trvanie reakcie na niekoľko minút, čo vedie k významnej zrýchlenej syntéznej reakcii. Intenzifikácia ultrazvukovej syntézy je založená na princípe fungovania akustické kavitácie a s ňou súvisiacich síl vrátane lokálne obmedzeného prehriatia. Viac informácií o ultrazvuku, akustickej kavitácii a sonochémii nájdete v ďalšej časti.

Ultrazvuková kavitácia a jej sonochemické účinky

Ultrazvuková (alebo akustická) kavitácia nastáva, keď je výkonový ultrazvuk spojený s kvapalinami alebo suspenziami. Kavitácia je prechod z kvapalnej fázy do parnej fázy, ku ktorému dochádza v dôsledku poklesu tlaku na úroveň parného napätia kvapaliny.
Ultrazvuková kavitácia vytvára veľmi vysoké šmykové sily a prúdy kvapalín až 1000 m/s. Tieto kvapalné prúdy urýchľujú častice a spôsobujú zrážky medzi časticami, čím znižujú veľkosť častíc pevných látok a kvapôčok. Dodatočne – lokalizované v rámci a v tesnej blízkosti implodujúcej kavitačnej bubliny – vytvárajú sa extrémne vysoké tlaky rádovo stoviek atmosfér a teploty rádovo tisíce stupňov Kelvina.
Hoci ultrazvuk je čisto mechanická metóda spracovania, môže spôsobiť lokálne obmedzený extrémny nárast teploty. Je to spôsobené intenzívnymi silami generovanými vo vnútri a v tesnej blízkosti kolabujúcich kavitačných bublín, kde je možné ľahko dosiahnuť teploty niekoľkých tisíc stupňov Celzia. Vo veľkoobjemovom roztoku je zvýšenie teploty vyplývajúce z implózie jednej bubliny takmer zanedbateľné, ale odvod tepla z mnohých kavitačných bublín, ako je pozorovaný v kavitačných horúcich miestach (generovaný sonikáciou s vysokovýkonným ultrazvukom), môže nakoniec spôsobiť merateľné zvýšenie teploty objemovej teploty. Výhoda ultrazvuku a sonochémie spočíva v kontrolovateľných teplotných účinkoch počas spracovania: Reguláciu teploty sypkého roztoku je možné dosiahnuť použitím nádrží s chladiacimi plášťami, ako aj pulznou sonikáciou. Sofistikované ultrazvukové prístroje Hielscher Ultrasonics môžu pozastaviť ultrazvuk, keď sa dosiahne horná hranica teploty, a pokračovať v ultrazvuku, akonáhle sa dosiahne spodná hodnota nastavenej ∆T. To je obzvlášť dôležité, keď sa používajú reaktanty citlivé na teplo.

Sonochémia zlepšuje kinetiku reakcie

Keďže sonikacia vytvára intenzívne vibrácie a kavitáciu, je ovplyvnená chemická kinetika. Kinetika chemického systému úzko koreluje s kavitačnou expanziou a implóziou bubliny, čím významne ovplyvňuje dynamiku pohybu bublín. Rozpustené plyny v roztoku chemickej reakcie ovplyvňujú vlastnosti sonochemickej reakcie prostredníctvom tepelných aj chemických účinkov. Tepelné účinky ovplyvňujú maximálne teploty, ktoré sa dosahujú počas kolapsu bublín v kavitačnej dutine; Chemické účinky modifikujú účinky plynov, ktoré sa priamo podieľajú na reakcii.
Heterogénne a homogénne reakcie s pomalou reakčnou kinetikou vrátane Suzukiho väzbových reakcií, zrážania, kryštalizácie a emulznej chémie sú predurčené na iniciáciu a podporu prostredníctvom výkonového ultrazvuku a jeho sonochemických účinkov.
Napríklad pri syntéze kyseliny ferulovej poskytla nízkofrekvenčná (20kHz) sonikácia pri výkone 180 W 94% výťažok kyseliny ferulovej pri 60 °C za 3 hodiny. Tieto výsledky Truong et al. (2018) ukazujú, že použitie nízkej frekvencie (typ klaksónu a vysokovýkonné ožarovanie) výrazne zlepšilo mieru konverzie, čo viedlo k výťažkom vyšším ako 90 %.

Ultrazvukovo zosilnená emulzná chémia

Heterogénne reakcie, ako je emulzná chémia, výrazne profitujú z aplikácie výkonového ultrazvuku. Ultrazvuková kavitácia zmenšila a distribuovala kvapôčky každej fázy homogénne vo vzájomnom rámci a vytvorila submikrónovú alebo nanoemulziu. Keďže kvapôčky nanoveľkosti ponúkajú drasticky zväčšenú plochu na interakciu s rôznymi kvapôčkami, výrazne sa zlepšuje prenos hmoty a rýchlosť reakcie. Pri sonikácii reakcie známe svojou typicky pomalou kinetikou vykazujú dramaticky zlepšené miery konverzie, vyššie výnosy, menej vedľajších produktov alebo odpadu a lepšiu celkovú účinnosť. Ultrazvukom vylepšená emulzná chémia sa často používa na polymerizáciu emulzií, napr. na výrobu polymérnych zmesí, vodou riediteľných lepidiel a špeciálnych polymérov.

10 vecí, ktoré by ste mali vedieť pred kúpou chemického reaktora

Keď si vyberiete chemický reaktor pre chemický proces, existuje mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú optimálnu konštrukciu chemického reaktora. Ak váš chemický proces zahŕňa viacfázové, heterogénne chemické reakcie a má pomalú reakčnú kinetiku, miešanie reaktora a aktivácia procesu sú základnými faktormi ovplyvňujúcimi úspešnú chemickú premenu a ekonomické (prevádzkové) náklady chemického reaktora.
Ultrazvuk výrazne zlepšuje reakčnú kinetiku chemických reakcií kvapalina-kvapalina a kvapalina-pevná látka v chemických dávkových reaktoroch a inline reakčných nádobách. Integrácia ultrazvukových sond do chemického reaktora teda môže znížiť náklady na reaktor a zlepšiť celkovú účinnosť a kvalitu konečného produktu.
Inžinierstvu chemických reaktorov veľmi často chýbajú znalosti o ultrazvukom podporovanom zlepšovaní procesov. Bez hlbokých znalostí o vplyve výkonového ultrazvuku, ultrazvukového miešania, akustické kavitácie a sonochemických účinkov na výkon chemického reaktora môže analýza chemického reaktora a konvenčné základy dizajnu priniesť len horšie výsledky. Nižšie nájdete prehľad základných výhod ultrazvuku pre návrh a optimalizáciu chemických reaktorov.

Výhody ultrazvukovo zosilneného kontinuálneho miešaného nádržového reaktora (CSTR)

• • Ultrazvukovo vylepšené reaktory pre laboratórium a výrobu:
    Jednoduchá škálovateľnosť: Ultrazvukové procesory sú ľahko dostupné pre laboratórnu veľkosť, pilotnú a veľkosériovú výrobu
    Reprodukovateľné / opakovateľné Výsledky vďaka presne regulovateľným ultrazvukovým parametrom
    Kapacita a rýchlosť reakcie: ultrazvukovo zosilnené reakcie sú rýchlejšie a tým ekonomickejšie (nižšie náklady)
  • Sonochémia je použiteľná na všeobecné aj špeciálne účely

– prispôsobivosť & všestrannosť, napr. flexibilné možnosti inštalácie a nastavenia a interdisciplinárne použitie

• Ultrazvuk je možné použiť vo výbušnom prostredí
  – čistenie (napr. dusíková prikrývka)
  – žiadny otvorený povrch
• Jednoduché čistenie: samočistenie (CIP) – čistenie na mieste)
• Vyberte si preferované stavebné materiály
  – sklo, nehrdzavejúca oceľ, titán
  – žiadne rotačné tesnenia
  – široký výber tmelov
• Ultrazvukové prístroje je možné použiť v širokom rozsahu teplôt
• Ultrazvukové prístroje je možné použiť v širokom rozsahu tlakov
• Synergický efekt s inými technológiami, napr. elektrochémia (sono-elektrochémia), katalýza (sono-katalýza), kryštalizácia (sono-kryštalizácia) atď.
• Sonikácia je ideálna na vylepšenie bioreaktorov, napr. fermentácie.
• Rozpúšťanie / rozpúšťanie: V procesoch rozpúšťania častice prechádzajú z jednej fázy do druhej, napr. keď sa pevné častice rozpustia v kvapaline. Zistilo sa, že stupeň nepokoja ovplyvňuje rýchlosť procesu. Mnoho malých kryštálov sa rozpúšťa oveľa rýchlejšie pri ultrazvukovej kavitácii ako jeden v konvenčne miešaných dávkových reaktoroch. Aj tu dôvod rôznych rýchlostí spočíva v rôznych rýchlostiach prenosu hmoty na povrchoch častíc. Napríklad ultrazvuk sa úspešne používa na vytváranie presýtených roztokov, napr. v kryštalizačných procesoch (sonokryštalizácia).
• Ultrazvukom podporovaná chemická extrakcia:
  – Kvapalina-pevná látka, napr. botanická extrakcia, chemická extrakcia
  – Kvapalina-kvapalina: Keď sa ultrazvuk aplikuje na extrakčný systém kvapalina-kvapalina, vytvorí sa emulzia jednej z fáz v druhej. Táto tvorba emulzie vedie k zväčšeniu medzifázových oblastí medzi dvoma nemiešateľnými fázami, čo vedie k zvýšenému toku prenosu hmoty medzi fázami.

Ako sonikácia zlepšuje chemické reakcie v miešaných nádržových reaktoroch?

• Väčšia kontaktná plocha: Pri reakciách medzi reaktanmi v heterogénnych fázach môžu reagovať iba častice, ktoré sa navzájom zrážajú na rozhraní. Čím väčšie je rozhranie, tým viac kolízií môže nastať. Keď sa kvapalná alebo pevná časť látky rozpadne na menšie kvapôčky alebo pevné častice suspendované v kvapaline kontinuálnej fázy, povrch tejto látky sa zväčšuje. Okrem toho sa v dôsledku zmenšenia veľkosti zvyšuje počet častíc a tým sa zmenšuje priemerná vzdialenosť medzi týmito časticami. Tým sa zlepšuje vystavenie kontinuálnej fázy dispergovanej fáze. Preto sa rýchlosť reakcie zvyšuje so stupňom fragmentácie disperznej fázy. Mnoho chemických reakcií v disperziách alebo emulziách vykazuje drastické zlepšenie reakčnej rýchlosti v dôsledku ultrazvukového zníženia veľkosti častíc.
• Katalýza (aktivačná energia): Katalyzátory majú veľký význam v mnohých chemických reakciách, v laboratórnom vývoji a v priemyselnej výrobe. Katalyzátory sú často v pevnej alebo kvapalnej fáze a nemiešateľné s jedným reaktantom alebo všetkými reaktantmi. Preto je katalýza častejšie heterogénna chemická reakcia. Pri výrobe najdôležitejších základných chemikálií, ako je kyselina sírová, amoniak, kyselina dusičná, etén a metanol, zohrávajú dôležitú úlohu katalyzátory. Veľké oblasti environmentálnej technológie sú založené na katalytických procesoch. Zrážka častíc vedie k chemickej reakcii, t. j. preskupeniu atómov, iba ak sa častice zrazia s dostatočnou kinetickou energiou. Ultrazvuk je vysoko účinný prostriedok na zvýšenie kinetiky v chemických reaktoroch. V heterogénnom katalýznom procese môže pridanie ultrazvuku do konštrukcie chemického reaktora znížiť potrebu katalyzátora. To môže mať za následok použitie menšieho množstva katalyzátorov alebo horších, menej ušľachtilých katalyzátorov.
• Vyššia frekvencia kontaktu / Vylepšený prenos hmoty: Ultrazvukové miešanie a miešanie je vysoko účinná metóda na generovanie drobných kvapôčok a častíc (tj submikrónových a nanočastíc), ktoré ponúkajú vyšší aktívny povrch pre reakcie. Pri dodatočnom intenzívnom miešaní a mikropohybe spôsobenom výkonovým ultrazvukom sa frekvencia kontaktu medzi časticami drasticky zvyšuje, čo vedie k výrazne zlepšeniu miery konverzie.
• Stlačená plazma: Pri mnohých reakciách spôsobí zvýšenie teploty reaktora o 10 Kelvinov rýchlosť reakcie približne dvojnásobne. Ultrazvuková kavitácia vytvára lokalizované vysoko reaktívne hotspoty až do 5000 K v kvapaline bez podstatného zahrievania celkového objemu kvapaliny v chemickom reaktore.
• Tepelná energia: Akákoľvek ultrazvuková energia, ktorú pridáte do návrhu chemického reaktora, sa nakoniec premení na tepelnú energiu. Preto môžete energiu opätovne použiť na chemický proces. Namiesto tepelnej energie dodávanej vykurovacími prvkami alebo parou zavádza ultrazvuk proces aktivácie mechanickej energie pomocou vysokofrekvenčných vibrácií. V chemickom reaktore to vytvára ultrazvukovú kavitáciu, ktorá aktivuje chemický proces na viacerých úrovniach. Nakoniec obrovské ultrazvukové strihanie chemikálií vedie k premene na tepelnú energiu, t. j. teplo. Na chladenie môžete použiť plášťové dávkové reaktory alebo inline reaktory, aby ste udržali konštantnú procesnú teplotu pre vašu chemickú reakciu.

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje pre zlepšenie chemických reakcií v CSTR

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory a dispergátory na integráciu do reaktorov s kontinuálnym miešaním (CSTR). Ultrazvukové prístroje Hielscher sa používajú po celom svete na podporu, zintenzívnenie, urýchlenie a zlepšenie chemických reakcií.
Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvukové procesory sú k dispozícii v akejkoľvek veľkosti od malých laboratórnych zariadení až po veľké priemyselné procesory pre aplikácie prietokovej chémie. Presné nastavenie ultrazvukovej amplitúdy (čo je najdôležitejší parameter) umožňuje prevádzkovať ultrazvukové prístroje Hielscher pri nízkych až veľmi vysokých amplitúdach a presne doladiť amplitúdu na požadované podmienky ultrazvukového procesu špecifického chemického reakčného systému.
Ultrazvukový generátor Hielscher je vybavený inteligentným softvérom s automatickým protokolovaním údajov. Všetky dôležité parametre spracovania, ako je ultrazvuková energia, teplota, tlak a čas, sa automaticky ukladajú na vstavanú SD kartu hneď po zapnutí zariadenia.
Monitorovanie procesov a zaznamenávanie údajov sú dôležité pre nepretržitú štandardizáciu procesov a kvalitu produktov. Prístupom k automaticky zaznamenaným procesným údajom môžete revidovať predchádzajúce ultrazvukové spustenia a vyhodnotiť výsledok.
Ďalšou užívateľsky prívetivou funkciou je diaľkové ovládanie prehliadača našich digitálnych ultrazvukových systémov. Pomocou diaľkového ovládania prehliadača môžete spustiť, zastaviť, nastaviť a monitorovať ultrazvukový procesor na diaľku odkiaľkoľvek.
Kontaktujte nás teraz a dozviete sa viac o našich vysokovýkonných ultrazvukových homogenizátoroch, ktoré môžu zlepšiť váš nepretržite miešaný nádržový reaktor (CSTR)!
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: