Kontinuirni kotlasti reaktorji z ultrazvočnim mešanjem

Kontinuirni kotlasti reaktorji z mešalom (CSTR) se pogosto uporabljajo za različne kemijske reakcije, vključno s katalizo, emulzijsko kemijo, polimerizacijo, sintezo, ekstrakcijo in kristalizacijo. Počasna reakcijska kinetika je pogosta težava v reaktorjih CSTR, ki jo je mogoče preprosto odpraviti z uporabo visokozmogljive sonikacije. Intenzivno mešanje, vzburjanje tekočine in sonokemijski učinki visokozmogljivega ultrazvoka pospešujejo reakcijsko kinetiko in znatno izboljšujejo stopnjo pretvorbe. Ultrazvočne procesorje je mogoče preprosto vgraditi v reaktorje CSTR poljubne prostornine.

Zakaj uporabljati visokozmogljivi ultrazvok v kontinuirnem kotlastem reaktorju z mešalom?

Kontinuirni kotlasti reaktor z mešalom (CSTR oziroma preprosto kotlasti reaktor z mešalom (STR)) je po svojih glavnih značilnostih precej podoben šaržnemu reaktorju. Najpomembnejša razlika je, da mora biti pri zasnovi kontinuirnega kotlastega reaktorja z mešalom (CSTR) zagotovljen neprekinjen dotok materiala v reaktor in odtok iz njega. Dovajanje v reaktor je mogoče zagotoviti z gravitacijskim tokom ali prisilnim kroženjem s črpalko. CSTR se včasih imenuje pretočni reaktor s povratnim mešanjem (BMR).
Reaktorji CSTR se običajno uporabljajo, kadar je potrebno mešanje dveh ali več tekočin. Uporabljajo se lahko kot posamezni reaktorji ali pa se vgradijo v zaporedje konfiguracij za tokove različnih koncentracij in različne reakcijske korake. Poleg uporabe enega kotlastega reaktorja se pogosto uporabljata zaporedna postavitev več kotlov (enega za drugim) ali kaskadna postavitev.
Zakaj sonikacija? Znano je, da ultrazvočno mešanje in vzburjanje tekočine ter sonokemijski učinki visokozmogljivega ultrazvoka prispevajo k učinkovitosti kemijskih reakcij. Izboljšano mešanje in zmanjšanje velikosti delcev zaradi ultrazvočnih vibracij in kavitacije zagotavljata znatno pospešeno kinetiko in izboljšano stopnjo pretvorbe. Sonokemijski učinki lahko zagotovijo energijo, potrebno za sprožitev kemijskih reakcij, spremembo reakcijskih poti in večje izkoristke zaradi popolnejšega poteka reakcije.

Ultrazvočno intenzivirani reaktorji CSTR se lahko uporabljajo za namene, kot so:

• Heterogene reakcije tekočina–tekočina
• Heterogene reakcije trdno–tekočina
• Homogene reakcije v tekoči fazi
• Heterogene reakcije plin–tekočina
• Heterogene reakcije plin–trdno–tekočina

Sonikacija kot sistem za hitro kemijsko sintezo

Hitra sintezna kemija je nova reakcijska tehnika, ki se uporablja za sprožitev in intenziviranje kemijske sinteze. V primerjavi s tradicionalnimi reakcijskimi potmi, ki zahtevajo več ur ali dni pod refluksom, lahko reaktorji za ultrazvočno pospešeno sintezo skrajšajo trajanje reakcije na nekaj minut, kar pomeni znatno pospešitev sintezne reakcije. Ultrazvočno intenziviranje sinteze temelji na načelu delovanja akustične kavitacije in z njo povezanih sil, vključno z lokalno omejenim pregrevanjem. Več o ultrazvoku, akustični kavitaciji in sonokemiji izveste v naslednjem razdelku.

Ultrazvočna kavitacija in njeni sonokemijski učinki

Ultrazvočna (ali akustična) kavitacija nastane, ko se visokozmogljivi ultrazvok sklopi v tekočine ali suspenzije. Kavitacija je prehod iz tekoče v parno fazo, do katerega pride zaradi padca tlaka na raven parnega tlaka tekočine.
Ultrazvočna kavitacija ustvarja zelo velike strižne sile in curke tekočine s hitrostjo do 1000m/s. Ti curki tekočine pospešujejo delce in povzročajo trke med njimi, s čimer zmanjšujejo velikost trdnih delcev in kapljic. Poleg tega se – lokalno znotraj implodirajočega kavitacijskega mehurčka in v njegovi neposredni bližini – ustvarjajo izjemno visoki tlaki reda velikosti več sto atmosfer in temperature reda velikosti več tisoč stopinj Kelvina.
Čeprav je sonikacija povsem mehanska metoda obdelave, lahko povzroči lokalno omejen izjemen dvig temperature. To je posledica intenzivnih sil, ki nastajajo znotraj sesedajočih se kavitacijskih mehurčkov in v njihovi neposredni bližini, kjer je mogoče zlahka doseči temperature več tisoč stopinj Celzija. V celotni raztopini je dvig temperature zaradi implozije enega mehurčka skoraj zanemarljiv, vendar lahko odvajanje toplote iz številnih kavitacijskih mehurčkov, kot ga opazimo v kavitacijskih vročih točkah (ki nastajajo pri sonikaciji z visokozmogljivim ultrazvokom), na koncu povzroči merljiv dvig temperature celotne raztopine. Prednost sonikacije in sonokemije je v možnosti nadzora temperaturnih učinkov med obdelavo: temperaturo celotne raztopine je mogoče uravnavati z uporabo kotlov s hladilnimi plašči in pulzne sonikacije. Napredni ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko začasno prekinejo delovanje ultrazvoka, ko je dosežena zgornja temperaturna meja, in nadaljujejo sonikacijo, takoj ko je dosežena spodnja vrednost nastavljenega ∆T. To je še posebej pomembno pri uporabi toplotno občutljivih reaktantov.

Sonokemija izboljšuje reakcijsko kinetiko

Ker sonikacija ustvarja intenzivne vibracije in kavitacijo, vpliva na kemijsko kinetiko. Kinetika kemijskega sistema je tesno povezana s širjenjem in implozijo kavitacijskih mehurčkov, pri čemer znatno vpliva na dinamiko njihovega gibanja. Raztopljeni plini v raztopini, v kateri poteka kemijska reakcija, vplivajo na značilnosti sonokemijske reakcije tako s toplotnimi kot s kemijskimi učinki. Toplotni učinki vplivajo na najvišje temperature, dosežene med sesedanjem mehurčka znotraj kavitacijske votline; kemijski učinki spreminjajo učinke plinov, ki so neposredno vključeni v reakcijo.
Heterogene in homogene reakcije s počasno reakcijsko kinetiko, vključno s Suzukijevimi reakcijami spajanja, obarjanjem, kristalizacijo in emulzijsko kemijo, so posebej primerne za sprožitev in pospeševanje z visokozmogljivim ultrazvokom in njegovimi sonokemijskimi učinki.
Pri sintezi ferulne kisline je na primer nizkofrekvenčna (20kHz) sonikacija z močjo 180 W pri 60°C v 3 h omogočila 94% izkoristek ferulne kisline. Ti rezultati avtorjev Truong in sod. (2018) kažejo, da je uporaba nizke frekvence (s sonotrodo in visokozmogljivim obsevanjem) znatno izboljšala stopnjo pretvorbe ter omogočila izkoristke, višje od 90%.

Ultrazvočno intenzivirana emulzijska kemija

Heterogene reakcije, kot so reakcije v emulzijski kemiji, imajo znatne koristi od uporabe visokozmogljivega ultrazvoka. Ultrazvočna kavitacija zmanjšuje kapljice posameznih faz in jih homogeno porazdeli med seboj, s čimer nastane submikronska emulzija ali nanoemulzija. Ker kapljice nanometrske velikosti zagotavljajo močno povečano površino za interakcijo z drugimi kapljicami, se prenos snovi in hitrost reakcije znatno izboljšata. Pri sonikaciji reakcije, znane po običajno počasni kinetiki, dosegajo izrazito izboljšane stopnje pretvorbe, večje izkoristke, manj stranskih produktov ali odpadkov in boljšo skupno učinkovitost. Ultrazvočno izboljšana emulzijska kemija se pogosto uporablja pri emulzijski polimerizaciji, na primer za proizvodnjo polimernih mešanic, lepil na vodni osnovi in posebnih polimerov.

10 stvari, ki jih morate vedeti pred nakupom kemijskega reaktorja

Pri izbiri kemijskega reaktorja za kemijski proces številni dejavniki vplivajo na optimalno zasnovo reaktorja. Če vaš kemijski proces vključuje večfazne, heterogene kemijske reakcije in ima počasno reakcijsko kinetiko, sta mešanje v reaktorju in aktivacija procesa ključna dejavnika za uspešno kemijsko pretvorbo ter gospodarne (obratovalne) stroške kemijskega reaktorja.
Sonikacija znatno izboljšuje reakcijsko kinetiko kemijskih reakcij tekočina–tekočina in tekočina–trdno v kemijskih šaržnih reaktorjih in pretočnih reakcijskih posodah. Zato lahko vgradnja ultrazvočnih sond v kemijski reaktor zmanjša stroške reaktorja ter izboljša skupno učinkovitost in kakovost končnega izdelka.
Pri načrtovanju kemijskih reaktorjev pogosto primanjkuje znanja o ultrazvočno podprtem izboljšanju procesov. Brez poglobljenega poznavanja vpliva visokozmogljivega ultrazvoka, ultrazvočnega mešanja, akustične kavitacije in sonokemijskih učinkov na delovanje kemijskega reaktorja lahko analiza kemijskega reaktorja in običajna načela načrtovanja dajo le slabše rezultate. V nadaljevanju boste dobili pregled temeljnih prednosti ultrazvoka pri načrtovanju in optimizaciji kemijskih reaktorjev.

Prednosti ultrazvočno intenziviranega kontinuirnega kotlastega reaktorja z mešalom (CSTR)

• • Ultrazvočno izboljšani reaktorji za laboratorij in proizvodnjo:
    Preprost prenos v večje merilo: Ultrazvočni procesorji so brez težav na voljo za laboratorijsko merilo, pilotno proizvodnjo in proizvodnjo v velikem obsegu
    Obnovljivi / ponovljivi rezultati zaradi natančno nadzorljivih ultrazvočnih parametrov
    Zmogljivost in hitrost reakcije: ultrazvočno intenzivirane reakcije so hitrejše in zato gospodarnejše (nižji stroški)
  • Sonokemija je uporabna tako za splošne kot za posebne namene

– prilagodljivost in vsestranskost, na primer prilagodljive možnosti vgradnje in postavitve ter interdisciplinarna uporaba

• Sonikacija se lahko uporablja v eksplozivnih okoljih
  – prepihovanje (na primer dušikova zaščitna atmosfera)
  – brez odprte površine
• Preprosto čiščenje: samočiščenje (CIP – čiščenje na mestu)
• Izberite želene konstrukcijske materiale
  – steklo, nerjavno jeklo, titan
  – brez rotacijskih tesnil
  – široka izbira tesnilnih materialov
• Ultrazvočni procesorji se lahko uporabljajo v širokem temperaturnem območju
• Ultrazvočni procesorji se lahko uporabljajo v širokem območju tlakov
• Sinergijski učinek z drugimi tehnologijami, na primer elektrokemijo (sonoelektrokemija), katalizo (sonokataliza), kristalizacijo (sonokristalizacija) itd.
• Sonikacija je idealna za izboljšanje delovanja bioreaktorjev, na primer pri fermentaciji.
• Raztapljanje: Pri procesih raztapljanja delci prehajajo iz ene faze v drugo, na primer ko se trdni delci raztapljajo v tekočini. Ugotovljeno je, da intenzivnost mešanja vpliva na hitrost procesa. Številni majhni kristali se ob ultrazvočni kavitaciji raztapljajo precej hitreje kot en kristal v običajno mešanih šaržnih reaktorjih. Tudi tu je razlog za različne hitrosti v različnih hitrostih prenosa snovi na površinah delcev. Sonikacija se na primer uspešno uporablja za pripravo prenasičenih raztopin, denimo v procesih kristalizacije (sonokristalizacija).
• Ultrazvočno pospešena kemijska ekstrakcija:
  – tekočina–trdno, na primer ekstrakcija iz rastlin, kemijska ekstrakcija
  – tekočina–tekočina: Ko se ultrazvok uporabi v sistemu za ekstrakcijo tekočina–tekočina, nastane emulzija ene faze v drugi. Nastanek emulzije poveča medfazne površine med dvema nemešljivima fazama, kar poveča tok prenosa snovi med fazama.

Kako sonikacija izboljšuje kemijske reakcije v kotlastih reaktorjih z mešalom?

• Večja kontaktna površina: Pri reakcijah med reaktanti v heterogenih fazah lahko reagirajo samo delci, ki trčijo drug ob drugega na medfazni površini. Večja kot je medfazna površina, več trkov se lahko zgodi. Ko se tekoči ali trdni del snovi razdrobi v manjše kapljice ali trdne delce, suspendirane v tekočini zvezne faze, se površina te snovi poveča. Poleg tega se zaradi zmanjšanja velikosti poveča število delcev, zato se povprečna razdalja med njimi zmanjša. To izboljša stik zvezne faze z dispergirano fazo. Hitrost reakcije se zato povečuje s stopnjo razdrobljenosti dispergirane faze. Številne kemijske reakcije v disperzijah ali emulzijah se zaradi ultrazvočnega zmanjšanja velikosti delcev izrazito pospešijo.
• Kataliza (aktivacijska energija): Katalizatorji so zelo pomembni pri številnih kemijskih reakcijah, laboratorijskem razvoju in industrijski proizvodnji. Katalizatorji so pogosto v trdni ali tekoči fazi in se ne mešajo z enim reaktantom ali z vsemi reaktanti. Zato je kataliza največkrat heterogena kemijska reakcija. Pri proizvodnji najpomembnejših osnovnih kemikalij, kot so žveplova kislina, amonijak, dušikova kislina, eten in metanol, imajo katalizatorji pomembno vlogo. Obsežna področja okoljskih tehnologij temeljijo na katalitskih procesih. Trk delcev povzroči kemijsko reakcijo, torej prerazporeditev atomov, samo če delci trčijo z zadostno kinetično energijo. Sonikacija je zelo učinkovito sredstvo za pospeševanje kinetike v kemijskih reaktorjih. Pri heterogeni katalizi lahko vključitev ultrazvoka v zasnovo kemijskega reaktorja zmanjša potrebo po katalizatorju. To lahko omogoči uporabo manjše količine katalizatorja ali slabših, manj plemenitih katalizatorjev.
• Večja pogostost stikov / izboljšan prenos snovi: Ultrazvočno mešanje in vzburjanje tekočine sta zelo učinkovita metoda za ustvarjanje drobnih kapljic in delcev (torej submikronskih delcev in nanodelcev), ki zagotavljajo večjo aktivno površino za reakcije. Ob dodatnem intenzivnem mešanju in mikrogibanju, ki ju povzroča visokozmogljivi ultrazvok, se pogostost stikov med delci izrazito poveča, kar znatno izboljša stopnjo pretvorbe.
• Stisnjena plazma: Pri številnih reakcijah dvig temperature v reaktorju za 10 kelvinov povzroči približno podvojitev hitrosti reakcije. Ultrazvočna kavitacija v tekočini ustvarja lokalne, zelo reaktivne vroče točke s temperaturami do 5000K, ne da bi pri tem bistveno segrela celotno prostornino tekočine v kemijskem reaktorju.
• Toplotna energija: Vsa ultrazvočna energija, ki jo vnesete v zasnovo kemijskega reaktorja, se na koncu pretvori v toplotno energijo. Zato lahko energijo ponovno uporabite za kemijski proces. Namesto vnosa toplotne energije z grelnimi elementi ali paro sonikacija z visokofrekvenčnimi vibracijami vnaša mehansko energijo, ki aktivira proces. V kemijskem reaktorju to povzroča ultrazvočno kavitacijo, ki aktivira kemijski proces na več ravneh. Na koncu se izjemno intenziven ultrazvočni strig kemikalij pretvori v toplotno energijo, torej toploto. Za hlajenje lahko uporabite šaržne reaktorje s plaščem ali pretočne reaktorje, da ohranite stalno procesno temperaturo svoje kemijske reakcije.

Visokozmogljivi ultrazvočni procesorji za izboljšane kemijske reakcije v reaktorjih CSTR

Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje in dispergatorje za vgradnjo v kontinuirne kotlaste reaktorje z mešalom (CSTR). Ultrazvočni procesorji Hielscher se uporabljajo po vsem svetu za spodbujanje, intenziviranje, pospeševanje in izboljševanje kemijskih reakcij.
Ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics so na voljo v vseh velikostih, od majhnih laboratorijskih naprav do velikih industrijskih procesorjev za uporabo v pretočni kemiji. Natančno nastavljanje ultrazvočne amplitude (ki je najpomembnejši parameter) omogoča delovanje ultrazvočnih procesorjev Hielscher pri nizkih do zelo visokih amplitudah ter fino nastavitev amplitude natančno glede na zahtevane pogoje ultrazvočnega procesa v posameznem kemijskem reakcijskem sistemu.
Ultrazvočni generator Hielscher ima pametno programsko opremo s samodejnim beleženjem podatkov. Vsi pomembni parametri obdelave, kot so ultrazvočna energija, temperatura, tlak in čas, se samodejno shranjujejo na vgrajeno kartico SD takoj po vklopu naprave.
Spremljanje procesa in beleženje podatkov sta pomembna za stalno standardizacijo procesa in kakovost izdelkov. Z dostopom do samodejno zabeleženih procesnih podatkov lahko pregledate pretekle sonikacijske obdelave in ocenite rezultate.
Druga uporabniku prijazna funkcija je daljinsko upravljanje naših digitalnih ultrazvočnih sistemov prek brskalnika. Z daljinskim upravljanjem prek brskalnika lahko svoj ultrazvočni procesor od koder koli zaženete, ustavite, nastavite in spremljate.
Stopite v stik z nami in izvedite več o tem, kako lahko naši visokozmogljivi ultrazvočni homogenizatorji izboljšajo vaš kontinuirni kotlasti reaktor z mešalom (CSTR)!
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev: