Kemijski reaktorji, izboljšani s sonikacijo – vrste, zasnove in mehanizmi

Kemijski reaktorji so jedro industrijske kemije, sinteze materialov, proizvodnje finih kemikalij, farmacevtske proizvodnje in okoljskih procesov. Ker industrija išče hitrejše, čistejše in energetsko učinkovitejše procese, postaja sonikacija, znana tudi kot ultrazvočna obdelava, vse pomembnejša metoda intenzifikacije reaktorjev. Tehnologija ultrazvočnih reaktorjev preoblikuje kemijske procese z izboljševanjem mešanja, prenosa snovi, reakcijske kinetike in heterogene katalize v šaržnih in kontinuirnih reaktorskih sistemih.

Kako sonikacija izboljšuje kemijske reaktorje

Z uvajanjem ultrazvoka visoke moči v kemijski reaktor lahko inženirji v reakcijskem mediju ustvarijo mešanje z ultrazvočnim nihajnim tokom in akustično kavitacijo. Ta mehanizma izboljšujeta stik med reaktanti, pospešujeta prenos snovi ter lahko povečata hitrost reakcij, selektivnost in izkoristek. Sonikacija je posebej učinkovita v sistemih trdno–tekoče, na primer pri heterogeni katalizi, in sistemih tekoče–tekoče, na primer pri emulgiranju, ekstrakciji in dvofaznih reakcijah. V zmeseh plin–tekoče se uporablja redkeje, ker akustična kavitacija v tekočinah z visoko vsebnostjo plina nastaja manj učinkovito.
V sodobnih zasnovah sonokemijskih reaktorjev se fluidi mešajo z ultrazvočnim nihanjem in kavitacijo, običajno z amplitudami v območju od 10 do 200 µm. To omogoča močne mikroskopske učinke mešanja, ki jih je težko doseči zgolj z običajnim mehanskim mešanjem.

Zakaj sonikacija intenzivira kemijske reaktorje

Industrijski pomen sonikacije izhaja iz njene sposobnosti vplivanja na kemijske in fizikalne transportne pojave na mikro- in mezoravni. V nasprotju z običajnim mešanjem ultrazvok ne premika zgolj celotne mase tekočine. Ustvarja tlačne valove, nihajno gibanje, kavitacijske mehurčke in lokalizirana območja z visoko energijo.
Ko se mehurčki akustične kavitacije oblikujejo, rastejo in kolabirajo, ustvarjajo intenzivna mikrookolja. Ti dogodki lahko povzročijo:

• velike lokalne strižne sile
• mikrocurke v bližini trdnih površin
• udarne valove
• hitro mikromešanje
• izboljšano dispergiranje delcev
• izboljšan stik na medfaznih površinah
• pospešen prenos snovi in toplote
• učinke čiščenja površin in aktivacije katalizatorjev

Zaradi teh pojavov je sonikacija zelo dragocena za intenzifikacijo procesov, zlasti kadar reakcije omejujejo difuzija, slab stik med fazami, nalaganje oblog na katalizatorju ali nezadostno mešanje.

Sonikacija v šaržnih reaktorjih

Šaržni reaktorji se pogosto uporabljajo v laboratorijih, pilotnih obratih in proizvodnji specialnih kemikalij. So prilagodljivi, preprosti za uporabo in primerni za presejalno preizkušanje reakcij, sintezo v majhnih volumnih in izdelke z visoko vrednostjo.
Sonikacija v šaržnih reaktorjih lahko bistveno izboljša mešanje in enakomernost reakcij. Ultrazvočne sonde, pretočne celice ali zunanje nameščeni pretvorniki lahko vnašajo akustično energijo neposredno v reakcijski medij.

V šaržnih sistemih je sonikacija posebej uporabna za:

1. heterogeno katalizo
2. sintezo nanodelcev
3. nadzor kristalizacije
4. emulgiranje
5. ekstrakcijo
6. polimerizacijo
7. raztapljanje in dispergiranje trdnih snovi

Pri reakcijah trdno–tekoče lahko ultrazvok prepreči aglomeracijo delcev in izboljša dostop do katalitskih ali reaktivnih površin. V sistemih tekoče–tekoče lahko sonikacija ustvari fine emulzije in poveča medfazno površino med nemešljivimi fazami, kar pogosto poveča hitrost reakcij.

 

V tem videoposnetku je ultrazvočni homogenizator Hielscher UP200St z močjo 200 vatov in sonotrodo 7mm nameščen na standardni stekleni priključek na dnu steklenega reaktorja. Namestitev je lahko vodoravna, navpična ali v kateri koli drugi smeri. V eno reaktorsko posodo je mogoče namestiti več ultrazvočnih sond – na primer na različnih višinah. Pogosto je prednostna namestitev s strani ali od spodaj, saj bolje deluje pri spreminjajoči se gladini tekočine. Ultrazvočno mešanje lahko kombinirate z običajnimi mešali z zgornjim pogonom.

 

Pretočni reaktorji za kontinuirno sonokemijsko obdelavo

Pretočni reaktorji sodijo med najpomembnejše zasnove za industrijsko sonikacijo. Namesto obdelave določene prostornine tekočine reakcijska zmes neprekinjeno prehaja skozi komoro ultrazvočnega reaktorja.
Ta zasnova je zelo privlačna za povečanje merila, ker inženirjem omogoča natančnejši nadzor zadrževalnega časa, pretoka, temperature, tlaka in vnosa ultrazvočne energije. Pretočni sonokemijski reaktorji se pogosto uporabljajo, kadar sta potrebna stalna kakovost izdelka in neprekinjeno delovanje.

Glavne prednosti sonikacijskih pretočnih reaktorjev vključujejo:

• možnost neprekinjene proizvodnje
• izboljšano ponovljivost procesa
• boljši nadzor temperature
• nadzorovano porazdelitev zadrževalnega časa
• lažjo vključitev v industrijske procesne linije
• zasnovo reaktorja, ki omogoča povečanje merila

V teh sistemih lahko mešanje z ultrazvočnim nihajnim tokom izboljša radialno in aksialno mešanje, zmanjša koncentracijske gradiente in izboljša medsebojno delovanje reaktantov. To je posebej dragoceno pri procesih, kjer je učinkovitost reakcije odvisna od hitrega stika med fazami ali hitrega dispergiranja.

 

V tem videoposnetku vam predstavljamo ultrazvočni sistem z močjo 2 kilovata za pretočno delovanje v omari z možnostjo prepihovanja. Hielscher dobavlja ultrazvočno opremo za skoraj vse industrijske panoge, med drugim za kemično, farmacevtsko in kozmetično industrijo, petrokemične procese ter postopke ekstrakcije s topili. Ta omara iz nerjavnega jekla z možnostjo prepihovanja je zasnovana za delovanje v eksplozijsko ogroženih območjih. V ta namen lahko uporabnik zatesnjeno omaro prepihuje z dušikom ali svežim zrakom, da prepreči vdor vnetljivih plinov ali hlapov vanjo.

 

Vložek za ultrazvočno pretočno celico MultiPhaseCavitator

MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 je specializiran vložek za ultrazvočne reaktorje s pretočno celico Hielscher, zasnovan za intenzifikacijo procesov tekoče/tekoče in tekoče/plin neposredno v območju ultrazvočne kavitacije. Z vbrizgavanjem druge tekoče faze ali plinske faze skozi 48 tankih kanil v primarni tok tekočine MultiPhaseCavitator ustvarja zelo majhne kapljice ali plinske mehurčke z veliko specifično medfazno površino. Zaradi tega je posebej učinkovit pri ultrazvočnem emulgiranju, pri katerem se nemešljive faze dispergirajo v fine emulzije, in pri katalitskih reakcijah s plini, pri katerih se vbrizgana plinska faza hitro dispergira in pride v tesen stik s tekočo fazo, raztopljenimi reaktanti ali suspendiranimi katalizatorji. Nastali kavitacijski strig, mikromešanje in izboljšan prenos snovi lahko izboljšajo reakcijsko kinetiko, stik na mejah med fazami in učinkovitost procesa pri kontinuirnem ali šaržnem pretočnem delovanju.

Preberite več o MultiPhaseCavitator!

Mehanizmi ultrazvočne intenzifikacije reaktorjev

Prednosti sonikacije v kemijskih reaktorjih temeljijo na več medsebojno delujočih mehanizmih.

• Akustična kavitacija je najpomembnejši mehanizem. Vključuje nastanek, rast in kolaps mikroskopskih mehurčkov v tekočini, izpostavljeni ultrazvoku visoke intenzivnosti. Kolaps mehurčkov povzroči lokalizirano sproščanje energije in močne mehanske sile.
• Akustično strujanje ustvarja ustaljeno gibanje fluida, ki ga povzročajo ultrazvočni valovi. To izboljša mešanje in transport v območjih, kjer je mehansko mešanje lahko šibko.
• Mešanje z nihajnim tokom nastane, ko ultrazvočno nihanje povzroči hitro gibanje tekočine naprej in nazaj. V reaktorskih sistemih lahko amplitude od približno 10 do 200 µm povzročijo zelo učinkovito mešanje in izboljšan prenos snovi.
• Mikrocurki in udarni valovi nastajajo v bližini kolabirajočih kavitacijskih mehurčkov, zlasti blizu trdnih površin. Ti učinki lahko čistijo površine katalizatorjev, rušijo mejne plasti in izboljšajo dostop tekočine do aktivnih mest.
• Povečanje medfazne površine je posebej pomembno v sistemih tekoče–tekoče. Ultrazvok lahko ustvari fine kapljice in stabilne disperzije ter s tem poveča površino, razpoložljivo za reakcijo ali prenos snovi.

Ti mehanizmi skupaj naredijo sonikacijo zmogljivo orodje za intenzifikacijo kemijskih reaktorjev.

 

Intenzivna ultrazvočna obdelava v vodi ustvarja kavitacijske mehurčke. Njihovo poznejše sesedanje povzroči izjemno močne mehanske strižne sile v tekočini. Ta učinek razgrajuje celice, na primer pri ekstrakciji rastlinskih snovi, ali razbije oljne kapljice v vodi na zelo majhne kapljice (emulgiranje). Zaradi kavitacijskega učinka so ultrazvočni homogenizatorji Hielscher zelo učinkoviti za dispergiranje, homogenizacijo, emulgiranje in ekstrakcijo. Hielscher Ultrasonics izdeluje ultrazvočne sonde z močjo od 50 vatov do 16000 vatov za ultrazvočne procese v laboratoriju in proizvodnji v polnem obsegu.

 

Industrijski pomen zasnove sonokemijskih reaktorjev

Industrijski pomen sonikacijskih reaktorjev presega hitrejše mešanje. Sonikacija omogoča spreminjanje reakcijskih okolij na ravneh, ki jih običajna oprema težko doseže.
V kemijskem inženirstvu številne omejitve reaktorjev izhajajo iz transportnih pojavov in ne iz intrinzičnih hitrosti reakcij. Reaktanti morda ne dosežejo katalitskih mest dovolj hitro. Nemešljive tekočine imajo lahko premajhno stično površino. Trdne snovi lahko aglomerirajo. Na membranah se lahko nalagajo obloge. Površine katalizatorjev se lahko zamašijo.
Sonikacija odpravlja te omejitve z neposrednim izboljševanjem fizikalnih pogojev v reaktorju. Zato je pomembna za več raziskovalnih in industrijskih prednostnih področij:

• okolju prijaznejši kemijski procesi
• manjša potreba po energiji in topilih
• izboljšana učinkovitost katalizatorjev
• večja selektivnost reakcij
• hitrejši razvoj procesov
• kontinuirna proizvodnja
• intenzivirani modularni reaktorski sistemi
• sinteza naprednih materialov
• trajnostna pretvorba biomase in odpadnih tokov

Raziskovalcem sonikacija ponuja nadzorovano metodo za preučevanje povezave med vnosom akustične energije, obnašanjem kavitacije, izboljšanjem transporta in učinkovitostjo kemijskih procesov. Industriji ponuja praktično pot do kompaktnih in učinkovitih reaktorskih sistemov, ki omogočajo povečanje merila.

 

 

Prednosti sonikacije v kemijskih reaktorjih

Vključitev ultrazvoka v zasnovo reaktorja ponuja več obratovalnih in znanstvenih prednosti:

• večje hitrosti reakcij zaradi izboljšanega prenosa snovi
• boljše mešanje v večfaznih sistemih
• izboljšano dispergiranje trdnih snovi in kapljic
• izboljšano izrabo katalizatorjev
• zmanjšane difuzijske omejitve
• čistejše površine katalizatorjev in membran
• izboljšano ponovljivost procesa v pretočnih sistemih
• možnost znižanja temperature, tlaka ali skrajšanja reakcijskega časa
• združljivost s šaržnim in kontinuirnim delovanjem
• velik pomen za heterogeno katalizo in dvofazne reakcije

Zaradi teh prednosti je tehnologija ultrazvočnih reaktorjev posebej privlačna za fine kemikalije, specialne kemikalije, katalizo, nanomateriale, zeleno kemijo in intenzifikacijo procesov.

Intenzivirajte svoj kemijski reaktor s sonikatorji Hielscher!

Sonikatorji Hielscher so zelo primerni za prilagojeno vključitev v kemijske reaktorje, ker so na voljo kot robustni ultrazvočni sistemi visoke moči s prilagodljivimi sonotrodami, pretočnimi celicami, reaktorskimi vložki in dodatno opremo za posamezne procese. Glede na reakcijsko postavitev je mogoče ultrazvočne procesorje Hielscher namestiti v šaržne reaktorje, kontinuirne mešalne reaktorje, linijske pretočne reaktorje, recirkulacijske zanke, sisteme pod tlakom ter pilotne ali proizvodne obrate. Ta prilagodljivost omogoča uporabo ultrazvoka natančno tam, kjer je kavitacija najučinkovitejša: na medfazni površini tekoče–trdno, tekoče–tekoče ali tekoče–plin. Hielscher Ultrasonics ponuja tudi različne vrste ultrazvočnih šaržnih in linijskih reaktorjev, ki omogočajo nadzorovano sonokemijsko obdelavo, emulgiranje, dispergiranje, aktivacijo katalizatorjev, čiščenje površin, intenzifikacijo prenosa snovi in pospeševanje reakcij. Z natančnim nadzorom amplitude, vnosa moči, temperature, tlaka, pretoka in zadrževalnega časa je mogoče sonikatorje Hielscher prilagoditi posebnim zahtevam laboratorijskih raziskav, razvoja procesov, povečanja merila in industrijske kemijske proizvodnje.

Spodnja tabela podaja okvirne podatke o približni zmogljivosti obdelave naših sonikatorjev:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Sonikatorji Hielscher so znani po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosta uporaba omogočata nemoteno vključitev naših sonikatorjev v industrijske obrate. Sonikatorji Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim sonikatorjem z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Sonikatorji Hielscher so seveda skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

---

---

 

Literatura / viri

• 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.