Kontinuálne miešané tankové reaktory s ultrazvukovým miešaním

Kontinuálne miešané tankové reaktory (CSTR) sa široko využívajú na rôzne chemické reakcie vrátane katalýzy, emulznej chémie, polymerizácie, syntézy, extrakcie a kryštalizácie. Pomalá reakčná kinetika je v CSTR bežným problémom, ktorý možno ľahko prekonať použitím výkonového ultrazvuku. Intenzívne premiešavanie, miešanie a sonochemické účinky výkonového ultrazvuku urýchľujú reakčnú kinetiku a výrazne zvyšujú mieru konverzie. Ultrazvukové procesory možno ľahko integrovať do CSTR s ľubovoľným objemom.

Prečo používať výkonový ultrazvuk v kontinuálnom miešanom tankovom reaktore?

Kontinuálny miešaný tankový reaktor (CSTR alebo jednoducho miešaný tankový reaktor (STR)) je svojimi základnými charakteristikami pomerne podobný vsádzkovému reaktoru. Hlavným dôležitým rozdielom je, že pri usporiadaní s kontinuálnym miešaným tankovým reaktorom (CSTR) musí byť zabezpečený nepretržitý prívod materiálu do reaktora a jeho odvod z reaktora. Prívod do reaktora možno zabezpečiť gravitačným tokom alebo nútenou cirkuláciou pomocou čerpadla. CSTR sa niekedy nazýva prietokový reaktor so spätným premiešavaním (BMR).
CSTR sa bežne používajú, keď je potrebné miešanie dvoch alebo viacerých kvapalín. CSTR možno používať ako samostatný reaktor alebo ich možno inštalovať v rôznych sériových usporiadaniach pre prúdy s rôznymi koncentráciami a rôzne reakčné stupne. Okrem použitia jedného tankového reaktora sa bežne využíva sériové zapojenie viacerých nádrží (jednej za druhou) alebo kaskádové usporiadanie.
Prečo ultrazvukové spracovanie? Je dobre známe, že ultrazvukové premiešavanie a miešanie, ako aj sonochemické účinky výkonového ultrazvuku prispievajú k účinnosti chemických reakcií. Zlepšené premiešavanie a zmenšenie veľkosti častíc v dôsledku ultrazvukových vibrácií a kavitácie zabezpečujú výrazne zrýchlenú kinetiku a zvýšenú mieru konverzie. Sonochemické účinky môžu dodať energiu potrebnú na iniciáciu chemických reakcií, zmeniť reakčné dráhy a zabezpečiť vyššie výťažky vďaka úplnejšiemu priebehu reakcie.

CSTR s ultrazvukovou intenzifikáciou možno použiť napríklad na tieto aplikácie:

• Heterogénne reakcie kvapalina–kvapalina
• Heterogénne reakcie tuhá látka–kvapalina
• Homogénne reakcie v kvapalnej fáze
• Heterogénne reakcie plyn–kvapalina
• Heterogénne reakcie plyn–tuhá látka–kvapalina

Ultrazvukové spracovanie ako vysokorýchlostný systém chemickej syntézy

Vysokorýchlostná syntetická chémia je nová reakčná technika používaná na iniciáciu a intenzifikáciu chemickej syntézy. V porovnaní s tradičnými reakčnými postupmi, ktoré vyžadujú niekoľko hodín alebo dní za refluxu, môžu syntézne reaktory využívajúce ultrazvuk skrátiť trvanie reakcie na niekoľko minút, čo vedie k výraznému zrýchleniu syntéznej reakcie. Ultrazvuková intenzifikácia syntézy je založená na princípe akustickej kavitácie a s ňou súvisiacich síl vrátane priestorovo ohraničeného lokálneho prehriatia. Viac o ultrazvuku, akustickej kavitácii a sonochémii sa dozviete v nasledujúcej časti.

Ultrazvuková kavitácia a jej sonochemické účinky

Ultrazvuková (alebo akustická) kavitácia vzniká, keď sa výkonový ultrazvuk privádza do kvapalín alebo suspenzií. Kavitácia je prechod z kvapalnej fázy do plynnej fázy, ku ktorému dochádza v dôsledku poklesu tlaku na úroveň tlaku pár kvapaliny.
Ultrazvuková kavitácia vytvára veľmi vysoké šmykové sily a kvapalinové prúdy s rýchlosťou až 1000m/s. Tieto kvapalinové prúdy urýchľujú častice a spôsobujú zrážky medzi nimi, čím zmenšujú veľkosť pevných častíc a kvapôčok. Okrem toho sa lokálne – vo vnútri implodujúcej kavitačnej bubliny a v jej tesnej blízkosti – vytvárajú extrémne vysoké tlaky rádovo v stovkách atmosfér a teploty rádovo v tisícoch stupňov Kelvina.
Hoci je pôsobenie ultrazvuku čisto mechanickou metódou spracovania, môže spôsobiť lokálne ohraničený extrémny nárast teploty. Je to dôsledok intenzívnych síl vznikajúcich vo vnútri kolabujúcich kavitačných bublín a v ich tesnej blízkosti, kde možno ľahko dosiahnuť teploty niekoľkých tisíc stupňov Celzia. V celom objeme roztoku je nárast teploty spôsobený implóziou jednej bubliny takmer zanedbateľný, ale odvod tepla z početných kavitačných bublín, ktorý sa pozoruje v kavitačných horúcich miestach (vznikajúcich pri sonikácii vysokovýkonným ultrazvukom), môže napokon spôsobiť merateľný nárast teploty celého objemu roztoku. Výhoda pôsobenia ultrazvuku a sonochémie spočíva v regulovateľných tepelných účinkoch počas spracovania: teplotu celého objemu roztoku možno regulovať pomocou nádrží s chladiacimi plášťami aj pulznej sonikácie. Sofistikované ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu prerušiť pôsobenie ultrazvuku pri dosiahnutí hornej teplotnej hranice a pokračovať v ňom hneď po dosiahnutí dolnej hodnoty nastaveného ∆T. To je obzvlášť dôležité pri použití reaktantov citlivých na teplo.

Sonochémia zlepšuje reakčnú kinetiku

Keďže sonikácia vytvára intenzívne vibrácie a kavitáciu, ovplyvňuje chemickú kinetiku. Kinetika chemického systému úzko koreluje s expanziou a implóziou kavitačných bublín, čím významne ovplyvňuje dynamiku ich pohybu. Rozpustené plyny v chemickom reakčnom roztoku ovplyvňujú charakteristiky sonochemickej reakcie prostredníctvom tepelných aj chemických účinkov. Tepelné účinky ovplyvňujú maximálne teploty dosahované pri kolapse bubliny v kavitačnej dutine; chemické účinky menia účinky plynov, ktoré sa priamo zúčastňujú reakcie.
Heterogénne a homogénne reakcie s pomalou reakčnou kinetikou vrátane Suzukiho kopulačných reakcií, zrážania, kryštalizácie a reakcií emulznej chémie sú predurčené na iniciáciu a podporu pomocou výkonového ultrazvuku a jeho sonochemických účinkov.
Napríklad pri syntéze kyseliny ferulovej sa nízkofrekvenčnou sonikáciou (20kHz) pri výkone 180 W dosiahol 94% výťažok kyseliny ferulovej pri 60°C za 3 h. Tieto výsledky autorov Truong a kol. (2018) ukazujú, že použitie nízkej frekvencie (sonotródy typu horn a vysokovýkonného ožarovania) významne zlepšilo mieru konverzie, pričom sa dosiahli výťažky vyššie ako 90%.

Emulzná chémia intenzifikovaná ultrazvukom

Heterogénne reakcie, napríklad reakcie v emulznej chémii, významne profitujú z použitia výkonového ultrazvuku. Ultrazvuková kavitácia zmenšuje kvapôčky jednotlivých fáz a homogénne ich rozptyľuje v ostatných fázach, čím vytvára submikrónovú emulziu alebo nanoemulziu. Keďže kvapôčky s nanometrovými rozmermi poskytujú výrazne väčšiu plochu povrchu na interakciu s inými kvapôčkami, prenos hmoty a reakčná rýchlosť sa významne zlepšujú. Pri sonikácii vykazujú reakcie známe svojou typicky pomalou kinetikou výrazne vyšší stupeň konverzie, vyššie výťažky, menej vedľajších produktov alebo odpadu a lepšiu celkovú účinnosť. Ultrazvukom zdokonalená emulzná chémia sa často využíva pri emulznej polymerizácii, napríklad na výrobu polymérnych zmesí, lepidiel na vodnej báze a špeciálnych polymérov.

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

Pri výbere chemického reaktora pre chemický proces existuje mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú optimálny návrh chemického reaktora. Ak váš chemický proces zahŕňa viacfázové heterogénne chemické reakcie a má pomalú reakčnú kinetiku, miešanie v reaktore a aktivácia procesu sú zásadnými faktormi ovplyvňujúcimi úspešnú chemickú konverziu a hospodárnosť prevádzky chemického reaktora.
Pôsobenie ultrazvuku významne zlepšuje reakčnú kinetiku chemických reakcií kvapalina–kvapalina a kvapalina–tuhá látka vo vsádzkových chemických reaktoroch a prietokových reakčných nádobách. Integrácia ultrazvukových sond do chemického reaktora preto môže znížiť náklady na reaktor a zlepšiť celkovú účinnosť aj kvalitu konečného produktu.
Pri navrhovaní chemických reaktorov veľmi často chýbajú poznatky o zlepšovaní procesov pomocou ultrazvuku. Bez dôkladných znalostí o vplyve výkonového ultrazvuku, ultrazvukového miešania, akustickej kavitácie a sonochemických účinkov na výkonnosť chemického reaktora môžu analýza chemického reaktora a konvenčné zásady navrhovania priniesť iba horšie výsledky. Nižšie nájdete prehľad základných výhod ultrazvuku pri navrhovaní a optimalizácii chemických reaktorov.

Výhody kontinuálneho miešaného tankového reaktora (CSTR) s intenzifikáciou ultrazvukom

• • Reaktory s podporou ultrazvuku pre laboratórium a výrobu:
    Jednoduché škálovanie: Ultrazvukové procesory sú bežne dostupné pre laboratórnu mierku, poloprevádzku a veľkovýrobu
    Reprodukovateľné / opakovateľné výsledky vďaka presne regulovateľným ultrazvukovým parametrom
    Kapacita a reakčná rýchlosť: reakcie intenzifikované ultrazvukom sú rýchlejšie, a tým aj hospodárnejšie (nižšie náklady)
  • Sonochémia je použiteľná na všeobecné aj špeciálne účely

– prispôsobivosť a všestrannosť, napríklad flexibilné možnosti inštalácie a usporiadania a interdisciplinárne využitie

• Pôsobenie ultrazvuku možno využívať vo výbušnom prostredí
  – preplachovanie (napríklad ochranná dusíková atmosféra)
  – bez otvorenej hladiny
• Jednoduché čistenie: samočistenie (CIP – čistenie na mieste)
• Vyberte si preferované konštrukčné materiály
  – sklo, nehrdzavejúca oceľ, titán
  – bez rotačných tesnení
  – široký výber tesniacich materiálov
• Ultrazvukové prístroje možno používať v širokom rozsahu teplôt
• Ultrazvukové prístroje možno používať v širokom rozsahu tlakov
• Synergický účinok s inými technológiami, napríklad elektrochémia (sonoelektrochémia), katalýza (sonokatalýza), kryštalizácia (sonokryštalizácia) atď.
• Sonikácia je ideálna na zlepšenie činnosti bioreaktorov, napríklad pri fermentácii.
• Rozpúšťanie / rozpúšťanie: Pri procesoch rozpúšťania prechádzajú častice z jednej fázy do druhej, napríklad keď sa tuhé častice rozpúšťajú v kvapaline. Zistilo sa, že intenzita miešania ovplyvňuje rýchlosť procesu. Mnohé malé kryštály sa pri ultrazvukovej kavitácii rozpúšťajú oveľa rýchlejšie než jeden kryštál v konvenčne miešaných vsádzkových reaktoroch. Aj v tomto prípade spočíva dôvod rozdielnych rýchlostí v rozdielnej rýchlosti prenosu hmoty na povrchoch častíc. Pôsobenie ultrazvuku sa napríklad úspešne využíva na vytváranie presýtených roztokov, napríklad pri kryštalizačných procesoch (sonokryštalizácia).
• Chemická extrakcia podporovaná ultrazvukom:
  – Kvapalina–tuhá látka, napr. extrakcia rastlinných látok, chemická extrakcia
  – Kvapalina–kvapalina: Pri aplikácii ultrazvuku na extrakčný systém kvapalina–kvapalina vzniká emulzia jednej fázy v druhej. Táto tvorba emulzie vedie k zväčšeniu medzifázovej plochy medzi dvoma nemiešateľnými fázami, čo vedie k zvýšeniu toku látky medzi fázami.

Ako sonikácia zlepšuje chemické reakcie v miešaných tankových reaktoroch?

• Väčšia kontaktná plocha: Pri reakciách medzi reaktantmi v heterogénnych fázach môžu reagovať iba častice, ktoré sa navzájom zrazia na fázovom rozhraní. Čím väčšia je plocha rozhrania, tým viac zrážok môže nastať. Keď sa kvapalný alebo tuhý podiel látky rozdelí na menšie kvapôčky alebo tuhé častice suspendované v kvapalnej kontinuálnej fáze, plocha povrchu tejto látky sa zväčší. Okrem toho sa v dôsledku zmenšenia veľkosti zvýši počet častíc, a preto sa priemerná vzdialenosť medzi týmito časticami zmenší. Tým sa zlepší kontakt kontinuálnej fázy s dispergovanou fázou. Reakčná rýchlosť sa preto zvyšuje so stupňom fragmentácie dispergovanej fázy. Mnohé chemické reakcie v disperziách alebo emulziách vykazujú výrazné zvýšenie reakčnej rýchlosti v dôsledku ultrazvukového zmenšenia veľkosti častíc.
• Katalýza (aktivačná energia): Katalyzátory majú veľký význam pri mnohých chemických reakciách, v laboratórnom vývoji aj v priemyselnej výrobe. Katalyzátory sú často v tuhej alebo kvapalnej fáze a sú nemiešateľné s jedným reaktantom alebo so všetkými reaktantmi. Katalýza je preto väčšinou heterogénnou chemickou reakciou. Pri výrobe najdôležitejších základných chemikálií, ako sú kyselina sírová, amoniak, kyselina dusičná, etén a metanol, zohrávajú katalyzátory dôležitú úlohu. Rozsiahle oblasti environmentálnych technológií sú založené na katalytických procesoch. Zrážka častíc vedie k chemickej reakcii, teda k preskupeniu atómov, iba vtedy, ak sa častice zrazia s dostatočnou kinetickou energiou. Pôsobenie ultrazvuku je vysoko účinným prostriedkom na zrýchlenie kinetiky v chemických reaktoroch. Pri heterogénnej katalýze môže začlenenie ultrazvuku do konštrukcie chemického reaktora znížiť potrebu katalyzátora. To môže viesť k použitiu menšieho množstva katalyzátora alebo menej kvalitných, menej ušľachtilých katalyzátorov.
• Vyššia frekvencia kontaktu / Zlepšený prenos látky: Ultrazvukové miešanie a premiešavanie je vysoko účinná metóda vytvárania veľmi malých kvapôčok a častíc (t. j. submikrónových častíc a nanočastíc), ktoré poskytujú väčšiu aktívnu plochu pre reakcie. Vplyvom dodatočného intenzívneho premiešavania a mikropohybov spôsobených výkonovým ultrazvukom sa frekvencia kontaktu medzi časticami výrazne zvyšuje, čo vedie k výraznému zlepšeniu miery konverzie.
• Stlačená plazma: Pri mnohých reakciách spôsobí zvýšenie teploty v reaktore o 10 kelvinov približne zdvojnásobenie reakčnej rýchlosti. Ultrazvuková kavitácia vytvára v kvapaline lokalizované vysoko reaktívne horúce miesta s teplotou až 5000K bez podstatného zahrievania celého objemu kvapaliny v chemickom reaktore.
• Tepelná energia: Všetka ultrazvuková energia, ktorú do chemického reaktora privediete prostredníctvom jeho konštrukčného riešenia, sa nakoniec premení na tepelnú energiu. Preto môžete túto energiu opätovne využiť na chemický proces. Namiesto prívodu tepelnej energie vykurovacími telesami alebo parou sa pôsobením ultrazvuku prostredníctvom vysokofrekvenčných vibrácií privádza mechanická energia, ktorá aktivuje proces. V chemickom reaktore sa tým vytvára ultrazvuková kavitácia, ktorá aktivuje chemický proces na viacerých úrovniach. Intenzívne šmykové pôsobenie ultrazvuku na chemické látky napokon vedie k premene energie na tepelnú energiu, teda teplo. Na chladenie môžete použiť vsádzkové reaktory s plášťom alebo prietokové reaktory, aby ste pri chemickej reakcii udržali konštantnú procesnú teplotu.

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na zlepšenie chemických reakcií v CSTR

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory a dispergátory na integráciu do kontinuálnych miešaných tankových reaktorov (CSTR). Ultrazvukové zariadenia Hielscher sa používajú na celom svete na podporu, intenzifikáciu, urýchlenie a zlepšenie chemických reakcií.
Ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics sú dostupné vo všetkých veľkostiach od malých laboratórnych zariadení až po veľké priemyselné procesory na aplikácie prietokovej chémie. Presné nastavenie amplitúdy ultrazvuku (ktorá je najdôležitejším parametrom) umožňuje prevádzkovať ultrazvukové zariadenia Hielscher pri nízkych až veľmi vysokých amplitúdach a jemne doladiť amplitúdu presne podľa požadovaných podmienok ultrazvukového procesu konkrétneho chemického reakčného systému.
Ultrazvukový generátor Hielscher je vybavený inteligentným softvérom s automatickým zaznamenávaním údajov. Všetky dôležité parametre spracovania, ako sú ultrazvuková energia, teplota, tlak a čas, sa automaticky ukladajú na vstavanú SD kartu hneď po zapnutí zariadenia.
Monitorovanie procesu a zaznamenávanie údajov sú dôležité pre priebežnú štandardizáciu procesu a kvalitu produktu. Prístup k automaticky zaznamenaným procesným údajom vám umožňuje preskúmať predchádzajúce sonikačné cykly a vyhodnotiť výsledok.
Ďalšou používateľsky prívetivou funkciou je diaľkové ovládanie našich digitálnych ultrazvukových systémov cez prehliadač. Prostredníctvom diaľkového ovládania cez prehliadač môžete svoj ultrazvukový procesor odkiaľkoľvek na diaľku spustiť, zastaviť, nastaviť a monitorovať.
Kontaktujte nás ešte dnes a zistite viac o tom, ako môžu naše vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory zlepšiť váš kontinuálny miešaný tankový reaktor (CSTR)!
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových zariadení: