Reaktorji z neprekinjenim mešanjem z ultrazvokom

Reaktorji z neprekinjenim mešanjem (CSTR) se pogosto uporabljajo za različne kemijske reakcije, vključno s katalizo, emulzično kemijo, polimerizacijo, sintezo, ekstrakcijo in kristalizacijo. Kinetika počasne reakcije je pogosta težava v CSTR, ki jo je mogoče zlahka premagati z uporabo ultrazvočne moči. Intenzivno mešanje, mešanje in sonokemični učinki močnega ultrazvoka pospešujejo reakcijsko kinetiko in znatno izboljšajo stopnjo pretvorbe. Ultrazvočne aparate je mogoče enostavno integrirati v CSTR katerega koli volumna.

Zakaj uporabljati ultrazvok moči na reaktorju rezervoarja z neprekinjenim mešanjem?

Reaktor z neprekinjenim mešanjem (CSTR ali preprosto mešani reaktor (STR)) je po svojih glavnih značilnostih precej podoben šaržnemu reaktorju. Glavna pomembna razlika je v tem, da mora biti za nastavitev reaktorja s stalnim mešanjem (CSTR) zagotovljen dovod materiala v neprekinjen pretok v reaktor in iz njega. Napajanje reaktorja se lahko doseže z gravitacijskim tokom ali prisilnim kroženjem s črpalko. CSTR se včasih imenuje reaktor z mešanim tokom (BMR).
CSTR se običajno uporabljajo, kadar je potrebno mešanje dveh ali več tekočin. CSTR se lahko uporabljajo kot en sam reaktor ali pa se namestijo kot vrsta konfiguracij za različne koncentracijske tokove in reakcijske korake. Poleg uporabe reaktorja z enim rezervoarjem se običajno uporablja serijska namestitev različnih rezervoarjev (eden za drugim) ali kaskadna postavitev.
Zakaj ultrasonication? Znano je, da ultrazvočno mešanje in mešanje ter sonokemični učinki močnega ultrazvoka prispevajo k učinkovitosti kemičnih reakcij. Izboljšano mešanje in zmanjšanje velikosti delcev zaradi ultrazvočnih vibracij in kavitacije zagotavlja znatno pospešeno kinetiko in izboljšano stopnjo pretvorbe. Sonokemični učinki lahko zagotovijo potrebno energijo za sprožitev kemijskih reakcij, zamenjavo kemijskih poti in dajejo višje donose zaradi popolnejše reakcije.

Ultrazvočno intenziviran CSTR se lahko uporablja za aplikacije, kot so:

• Heterogene reakcije tekočina-tekočina
• Heterogene reakcije trdna snov-tekočina
• Homogene reakcije v tekoči fazi
• Heterogene reakcije plin-tekočina
• Heterogene reakcije plin-trdna snov-tekočina

Ultrasonication kot hitri sintetični kemični sistem

Hitra sintetična kemija je nova reakcijska tehnika, ki se uporablja za začetek in intenziviranje kemijske sinteze. V primerjavi s tradicionalnimi reakcijskimi potmi, ki potrebujejo več ur ali dni pod refluksom, lahko ultrazvočno pospešeni sintezni reaktorji skrajšajo trajanje reakcije na nekaj minut, kar povzroči znatno pospešeno reakcijo sinteze. Intenziviranje ultrazvočne sinteze temelji na delovnem principu akustične kavitacije in z njo povezanih silah, vključno z lokalno omejenim pregrevanjem. Več o ultrazvoku, akustični kavitaciji in sonokemiji lahko preberete v naslednjem poglavju.

Ultrazvočna kavitacija in njeni sonokemični učinki

Ultrazvočna (ali akustična) kavitacija se pojavi, ko je močni ultrazvok povezan s tekočinami ali gnojevkami. Kavitacija je prehod iz tekoče faze v parno fazo, ki nastane zaradi padca tlaka navzdol do ravni parne napetosti tekočine.
Ultrazvočna kavitacija ustvarja zelo visoke strižne sile in tekoče curke do 1000 m / s. Ti tekoči curki pospešujejo delce in povzročajo trke med delci, s čimer se zmanjša velikost delcev trdnih snovi in kapljic. Poleg tega – lokaliziran znotraj in v neposredni bližini implodirajočega kavitacijskega mehurčka – nastanejo izjemno visoki tlaki na stotine atmosfer in temperature v višini tisoč stopinj Kelvina.
Čeprav je ultrazvočna obdelava povsem mehanska metoda obdelave, lahko povzroči lokalno omejen ekstremni dvig temperature. To je posledica intenzivnih sil, ki nastanejo znotraj in v neposredni bližini propadajočih kavitacijskih mehurčkov, kjer je mogoče zlahka doseči temperature več tisoč stopinj Celzija. V razsuti raztopini je povišanje temperature, ki je posledica implozije enega samega mehurčka, skoraj zanemarljivo, vendar lahko odvajanje toplote iz številnih kavitacijskih mehurčkov, kot ga opazimo pri kavitacijskih vročih točkah (ki jih ustvari ultrazvočno razbijanje z ultrazvokom visoke moči), končno povzroči merljivo povišanje temperature v razsuti količini. Prednost ultrazvoka in sonokemije je v nadzorovanih temperaturnih učinkih med obdelavo: Nadzor temperature raztopine v razsutem stanju je mogoče doseči z uporabo rezervoarjev s hladilnimi plašči in pulzno ultrazvočno razbijanjem. Hielscher Ultrasonics lahko prekinejo ultrazvok, ko je dosežena zgornja temperaturna meja, in nadaljujejo z ultrazvokom takoj, ko je dosežena spodnja vrednost nastavljene ∆T. To je še posebej pomembno, kadar se uporabljajo reaktanti, občutljivi na toploto.

Sonokemija izboljša reakcijsko kinetiko

Ker ultrazvočno razbijanje ustvarja intenzivne vibracije in kavitacijo, to vpliva na kemično kinetiko. Kinetika kemijskega sistema je tesno povezana s kavitacijskim širjenjem in implozijo mehurčkov, pri čemer pomembno vpliva na dinamiko gibanja mehurčkov. Raztopljeni plini v raztopini kemične reakcije vplivajo na lastnosti sonokemične reakcije tako s toplotnimi kot s kemičnimi učinki. Toplotni učinki vplivajo na najvišje temperature, ki se dosežejo med propadom mehurčkov v kavitacijski praznini; Kemični učinki spreminjajo učinke plinov, ki so neposredno vključeni v reakcijo.
Heterogene in homogene reakcije s počasno reakcijsko kinetiko, vključno s Suzukijevimi spojnimi reakcijami, obarjanjem, kristalizacijo in emulzijsko kemijo, so vnaprej določene za začetek in spodbujanje z močnim ultrazvokom in njegovimi sonokemičnimi učinki.
Na primer, za sintezo ferulne kisline je nizkofrekvenčna (20kHz) ultrazvočna razbijanje pri moči 180 W dala 94-odstotni donos ferulinske kisline pri 60 °C v 3 urah. (2018) kažejo, da je uporaba nizke frekvence (tip roga in obsevanje z visoko močjo) bistveno izboljšala stopnjo pretvorbe, kar je prineslo več kot 90%.

Ultrazvočno intenzivna emulzijska kemija

Heterogene reakcije, kot je emulzijska kemija, imajo veliko koristi od uporabe močnega ultrazvoka. Ultrazvočna kavitacija je zmanjšala in homogeno porazdelila kapljice vsake faze med seboj, kar je ustvarilo submikronsko ali nano-emulzijo. Ker kapljice nanovelikosti ponujajo drastično povečano površino za interakcijo z različnimi kapljicami, se znatno izboljšata prenos mase in hitrost reakcije. Pri ultrazvočni obdelavi reakcije, znane po svoji tipično počasni kinetiki, kažejo dramatično izboljšane stopnje pretvorbe, višje donose, manj stranskih proizvodov ali odpadkov in boljšo splošno učinkovitost. Ultrazvočno izboljšana emulzijska kemija se pogosto uporablja za polimerizacijo emulzij, npr. za proizvodnjo polimernih mešanic, lepil na vodni osnovi in posebnih polimerov.

10 stvari, ki jih morate vedeti, preden kupite kemični reaktor

Ko izberete kemični reaktor za kemični proces, obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na optimalno zasnovo kemičnega reaktorja. Če vaš kemijski proces vključuje večfazne, heterogene kemijske reakcije in ima počasno reakcijsko kinetiko, sta mešanje reaktorja in aktivacija procesa bistvena dejavnika, ki vplivata na uspešno kemično pretvorbo in za ekonomične (operativne) stroške kemičnega reaktorja.
Ultrasonication bistveno izboljša reakcijsko kinetiko kemijskih reakcij tekočina-tekočina in tekočina-trdna snov v kemičnih šaržnih reaktorjih in linijskih reakcijskih posodah. Zato lahko integracija ultrazvočnih sond v kemični reaktor zmanjša stroške reaktorja in izboljša splošno učinkovitost in kakovost končnega izdelka.
Zelo pogosto kemijskemu reaktorskemu inženiringu primanjkuje znanja o ultrazvočno podprtem izboljšanju procesov. Brez poglobljenega znanja o vplivu ultrazvoka moči, ultrazvočnega mešanja, akustične kavitacije in sonokemičnih učinkov na zmogljivost kemičnega reaktorja, lahko analiza kemičnega reaktorja in osnove konvencionalnega oblikovanja prinesejo le slabše rezultate. Spodaj boste dobili pregled temeljnih prednosti ultrazvoka za načrtovanje in optimizacijo kemičnih reaktorjev.

Prednosti ultrazvočno intenzivnega reaktorja z neprekinjenim mešanjem (CSTR)

• • Ultrazvočno izboljšani reaktorji za laboratorij in proizvodnjo:
    Enostavna razširljivost: Ultrazvočni procesorji so na voljo za laboratorijsko velikost, pilotno in obsežno proizvodnjo
    Ponovljiv / ponovljiv Rezultati zaradi natančno nadzorovanih ultrazvočnih parametrov
    Zmogljivost in hitrost reakcije: ultrazvočno intenzivne reakcije so hitrejše in s tem bolj ekonomične (nižji stroški)
  • Sonokemija se uporablja za splošne in posebne namene

– Prilagodljivost & vsestranskost, npr. prilagodljive možnosti namestitve in namestitve ter interdisciplinarna uporaba

• Ultrasonication se lahko uporablja v eksplozivnih okoljih
  – čiščenje (npr. dušikova odeja)
  – brez odprte površine
• Enostavno čiščenje: samočiščenje (CIP) – čiščenje na mestu)
• Izberite želene gradbene materiale
  – steklo, nerjaveče jeklo, titan
  – brez rotacijskih tesnil
  – široka izbira tesnilnih mas
• Ultrazvočni aparati se lahko uporabljajo v širokem razponu temperatur
• Ultrazvočni aparati se lahko uporabljajo pri širokem razponu tlakov
• Sinergistični učinek z drugimi tehnologijami, npr. elektrokemijo (sono-elektrokemija), katalizo (sono-kataliza), kristalizacijo (sono-kristalizacija) itd.
• Sonication je idealen za izboljšanje bioreaktorjev, npr. Fermentacije.
• Raztapljanje / raztapljanje: V postopkih raztapljanja delci prehajajo iz ene faze v drugo, npr. ko se trdni delci raztopijo v tekočini. Ugotovljeno je bilo, da stopnja vznemirjenosti vpliva na hitrost procesa. Številni majhni kristali se raztopijo veliko hitreje pod ultrazvočno kavitacijo kot tisti v konvencionalno mešanih šaržnih reaktorjih. Tudi tukaj je razlog za različne hitrosti v različnih hitrostih prenosa snovi na površinah delcev. Na primer, ultrasonication se uspešno uporablja za ustvarjanje prenasičenih raztopin, npr. v procesih kristalizacije (sonokristalizacija).
• Ultrazvočno spodbujana kemična ekstrakcija:
  – Tekočina-trdna snov, npr. botanična ekstrakcija, kemična ekstrakcija
  – Tekočina-tekočina: Ko se ultrazvok nanese na sistem za ekstrakcijo tekočina-tekočina, se ustvari emulzija ene od faz v drugi. Ta tvorba emulzije vodi do povečanih medfaznih površin med dvema fazama, ki se ne mešajo, kar povzroči povečan pretok prenosa mase med fazama.

Kako ultrazvočno razbijanje izboljša kemične reakcije v reaktorjih z mešanim rezervoarjem?

• Večja kontaktna površina: Pri reakcijah med reaktanti v heterogenih fazah lahko reagirajo le delci, ki trčijo med seboj na vmesniku. Večji kot je vmesnik, več trkov se lahko pojavi. Ko se tekoči ali trdni del snovi razgradi na manjše kapljice ali trdne delce, suspendirane v tekočini v neprekinjeni fazi, se površina te snovi poveča. Poleg tega se zaradi zmanjšanja velikosti poveča število delcev in s tem se zmanjša povprečna razdalja med temi delci. To izboljša izpostavljenost neprekinjene faze razpršeni fazi. Zato se hitrost reakcije povečuje s stopnjo fragmentacije disperzne faze. Številne kemijske reakcije v disperzijah ali emulzijah kažejo drastično izboljšanje hitrosti reakcije zaradi ultrazvočnega zmanjšanja velikosti delcev.
• Kataliza (aktivacijska energija): Katalizatorji so zelo pomembni v številnih kemijskih reakcijah, v laboratorijskem razvoju in v industrijski proizvodnji. Pogosto so katalizatorji v trdni ali tekoči fazi in se ne mešajo z enim reaktantom ali vsemi reaktanti. Zato je kataliza pogosteje heterogena kemična reakcija. Pri proizvodnji najpomembnejših osnovnih kemikalij, kot so žveplova kislina, amoniak, dušikova kislina, eten in metanol, imajo katalizatorji pomembno vlogo. Velika področja okoljske tehnologije temeljijo na katalitičnih procesih. Trk delcev vodi do kemijske reakcije, tj. pregrupiranja atomov, le, če delci trčijo z zadostno kinetično energijo. Ultrasonication je zelo učinkovito sredstvo za povečanje kinetike v kemičnih reaktorjih. V heterogenem procesu katalize lahko dodajanje ultrazvoka zasnovi kemičnega reaktorja zmanjša potrebo po katalizatorju. To lahko povzroči uporabo manj katalizatorjev ali slabših, manj plemenitih katalizatorjev.
• Višja frekvenca stika / Izboljšan prenos mase: Ultrazvočno mešanje in mešanje je zelo učinkovita metoda za ustvarjanje majhnih kapljic in delcev (tj. Sub-mikronov in nano-delcev), ki ponujajo višjo aktivno površino za reakcije. Pod dodatnim intenzivnim vznemirjenjem in mikro-gibanjem, ki ga povzroča ultrazvok, se pogostost stika med delci drastično poveča, kar povzroči znatno izboljšano stopnjo pretvorbe.
• Stisnjena plazma: Pri mnogih reakcijah povečanje temperature reaktorja za 10 Kelvina povzroči, da se hitrost reakcije približno podvoji. Ultrazvočna kavitacija proizvaja lokalizirane visoko reaktivne žariščne točke do 5000K v tekočini, brez znatnega segrevanja celotnega volumna tekočine v kemičnem reaktorju.
• Toplotna energija: Vsaka ultrazvočna energija, ki jo dodate zasnovi kemičnega reaktorja, se bo končno pretvorila v toplotno energijo. Zato lahko energijo ponovno uporabite za kemični proces. Namesto toplotne energije, ki jo vnašajo grelni elementi ali para, ultrazvok uvaja proces, ki aktivira mehansko energijo s pomočjo visokofrekvenčnih vibracij. V kemičnem reaktorju to proizvaja ultrazvočno kavitacijo, ki aktivira kemični proces na več ravneh. Končno ogromno ultrazvočno striženje kemikalij povzroči pretvorbo v toplotno energijo, tj. Toploto. Za hlajenje lahko uporabite ovojne šaržne reaktorje ali inline reaktorje, da ohranite konstantno temperaturo procesa za vašo kemično reakcijo.

Visoko zmogljivi ultrazvočni procesorji za izboljšane kemijske reakcije v CSTR

Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje in razpršilnike za integracijo v reaktorje z neprekinjenim mešanjem (CSTR). Hielscher ultrazvočni aparati se uporabljajo po vsem svetu za spodbujanje, intenziviranje, pospeševanje in izboljšanje kemičnih reakcij.
Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvočni procesorji so na voljo v vseh velikostih, od majhnih laboratorijskih naprav do velikih industrijskih procesorjev za aplikacije pretočne kemije. Natančna prilagoditev ultrazvočne amplitude (ki je najpomembnejši parameter) omogoča delovanje Hielscherjevih ultrazvočnih aparatov pri nizkih do zelo visokih amplitudah in natančno nastavitev amplitude na zahtevane ultrazvočne procesne pogoje specifičnega kemijskega reakcijskega sistema.
Hielscherjev ultrazvočni generator ima pametno programsko opremo s samodejnim protokoliranjem podatkov. Vsi pomembni parametri obdelave, kot so ultrazvočna energija, temperatura, tlak in čas, se samodejno shranijo na vgrajeno SD kartico takoj, ko je naprava vklopljena.
Spremljanje procesov in beleženje podatkov sta pomembna za stalno standardizacijo procesov in kakovost izdelkov. Z dostopom do samodejno zabeleženih procesnih podatkov lahko pregledate prejšnje ultrazvočne teke in ocenite rezultat.
Druga uporabniku prijazna funkcija je daljinski upravljalnik brskalnika naših digitalnih ultrazvočnih sistemov. Z oddaljenim upravljanjem brskalnika lahko zaženete, ustavite, prilagodite in spremljate ultrazvočni procesor na daljavo od koder koli.
Kontaktirajte nas zdaj, če želite izvedeti več o naših visoko zmogljivih ultrazvočnih homogenizatorjih, ki lahko izboljšajo vaš reaktor z neprekinjenim mešanjem rezervoarja (CSTR)!
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: