Reaktorë me rezervuar me përzierje të vazhdueshme të trazuar me ultratinguj

Reaktorët me rezervuar me përzierje të vazhdueshme (CSTR) përdoren gjerësisht për reaksione të ndryshme kimike, përfshirë katalizën, kiminë e emulsioneve, polimerizimin, sintezën, ekstraktimin dhe kristalizimin. Kinetika e ngadaltë e reaksioneve është një problem i zakonshëm në CSTR, i cili mund të kapërcehet lehtësisht përmes ultrasonikimit me fuqi të lartë. Përzierja dhe trazimi intensiv, si dhe efektet sonokimike të ultratingujve me fuqi të lartë, përshpejtojnë kinetikën e reaksioneve dhe përmirësojnë ndjeshëm shkallën e shndërrimit. Ultrasonikatorët mund të integrohen lehtësisht në CSTR të çdo vëllimi.

Pse të përdoren ultratinguj me fuqi të lartë në një reaktor me rezervuar me përzierje të vazhdueshme?

Një reaktor me rezervuar me përzierje të vazhdueshme (CSTR, ose thjesht reaktor me rezervuar me përzierje (STR)) është mjaft i ngjashëm, për nga karakteristikat e tij kryesore, me reaktorin me punë me tufa. Dallimi kryesor është se, në konfigurimin e reaktorit me rezervuar me përzierje të vazhdueshme (CSTR), materiali duhet të hyjë dhe të dalë nga reaktori me rrjedhje të vazhdueshme. Furnizimi i reaktorit mund të realizohet me rrjedhje nga graviteti ose me rrjedhje me qarkullim të detyruar duke përdorur një pompë. CSTR nganjëherë quhet reaktor me rrjedhje me përzierje të kundërt (BMR).
CSTR-të përdoren zakonisht kur kërkohet trazimi i dy ose më shumë lëngjeve. CSTR-të mund të përdoren si reaktorë të vetëm ose të instalohen në një seri konfigurimesh për rryma me përqendrime të ndryshme dhe etapa të ndryshme të reaksionit. Krahas përdorimit të një reaktori të vetëm me rezervuar, përdoren zakonisht edhe instalimi në seri i disa rezervuarëve (njëri pas tjetrit) ose konfigurimi në kaskadë.
Pse ultrasonikimi? Dihet mirë se përzierja dhe trazimi me ultratinguj, si dhe efektet sonokimike të ultratingujve me fuqi të lartë, kontribuojnë në efikasitetin e reaksioneve kimike. Përmirësimi i përzierjes dhe zvogëlimi i madhësisë së grimcave falë dridhjeve ultrasonike dhe kavitacionit sigurojnë një përshpejtim të ndjeshëm të kinetikës dhe një rritje të shkallës së shndërrimit. Efektet sonokimike mund të japin energjinë e nevojshme për të nisur reaksione kimike, për të ndryshuar rrugët e reaksioneve kimike dhe për të siguruar rendimente më të larta falë një reaksioni më të plotë.

CSTR-të e intensifikuara me ultratinguj mund të përdoren për zbatime të tilla si:

• Reaksione heterogjene lëng–lëng
• Reaksione heterogjene ngurtë–lëng
• Reaksione homogjene në fazë të lëngët
• Reaksione heterogjene gaz–lëng
• Reaksione heterogjene gaz–ngurtë–lëng

Ultrasonikimi si sistem kimik sinteze me shpejtësi të lartë

Kimia e sintezës me shpejtësi të lartë është një teknikë e re reaksioni që përdoret për të nisur dhe intensifikuar sintezën kimike. Krahasuar me rrugët tradicionale të reaksionit, të cilat kërkojnë disa orë ose ditë nën refluks, reaktorët e sintezës së nxitur me ultratinguj mund ta minimizojnë kohëzgjatjen e reaksionit në disa minuta, duke e përshpejtuar ndjeshëm reaksionin e sintezës. Intensifikimi i sintezës me ultratinguj bazohet në parimin e veprimit të kavitacionit akustik dhe të forcave të lidhura me të, përfshirë mbinxehjen e kufizuar lokalisht. Mësoni më shumë rreth ultratingujve, kavitacionit akustik dhe sonokimisë në seksionin vijues.

Kavitacioni ultrasonik dhe efektet e tij sonokimike

Kavitacioni ultrasonik (ose akustik) ndodh kur ultratingujt e fuqisë transmetohen në lëngje ose suspensione. Kavitacioni është kalimi nga një fazë e lëngët në një fazë avulli, i cili ndodh për shkak të rënies së presionit deri në nivelin e presionit të avullit të fluidit.
Kavitacioni ultrasonik krijon forca prerëse shumë të larta dhe rryma lëngu me shpejtësi deri në 1000m/s. Këto rryma lëngu përshpejtojnë grimcat dhe shkaktojnë përplasje ndërmjet tyre, duke zvogëluar kështu madhësinë e grimcave të ngurta dhe të pikëzave. Gjithashtu – brenda flluskës së kavitacionit që pëson implozion dhe në afërsi të saj – krijohen presione jashtëzakonisht të larta të rendit të qindra atmosferave dhe temperatura të rendit të mijëra gradëve Kelvin.
Megjithëse trajtimi me ultratinguj është një metodë përpunimi tërësisht mekanike, ai mund të shkaktojë një rritje ekstreme të temperaturës të kufizuar në një zonë lokale. Kjo ndodh për shkak të forcave intensive që krijohen brenda flluskave të kavitacionit që shemben dhe në afërsi të tyre, ku mund të arrihen lehtësisht temperatura prej disa mijëra gradësh Celsius. Në masën e tretësirës, rritja e temperaturës që rezulton nga implozioni i një flluske të vetme është pothuajse e papërfillshme, por shpërndarja e nxehtësisë nga flluskat e shumta të kavitacionit, siç vërehet në pikat e nxehta të kavitacionit (të krijuara nga sonikimi me ultratinguj me fuqi të lartë), mund të shkaktojë përfundimisht një rritje të matshme të temperaturës së masës së tretësirës. Përparësia e trajtimit me ultratinguj dhe e sonokimisë qëndron në efektet e kontrollueshme të temperaturës gjatë përpunimit: Kontrolli i temperaturës së masës së tretësirës mund të arrihet duke përdorur depozita me këmisha ftohëse, si dhe sonikim me impulse. Pajisjet e sofistikuara ultrasonike të Hielscher Ultrasonics mund t’i ndërpresin përkohësisht ultratingujt kur arrihet një kufi i sipërm i temperaturës dhe ta vazhdojnë trajtimin me ultratinguj sapo të arrihet vlera e poshtme e një ∆T të caktuar. Kjo është veçanërisht e rëndësishme kur përdoren reaktantë të ndjeshëm ndaj nxehtësisë.

Sonokimia përmirëson kinetikën e reaksionit

Meqenëse sonikimi krijon dridhje intensive dhe kavitacion, kinetika kimike ndikohet. Kinetika e një sistemi kimik lidhet ngushtë me zgjerimin dhe implozionin e flluskës së kavitacionit, duke ndikuar kështu ndjeshëm në dinamikën e lëvizjes së flluskës. Gazrat e tretura në tretësirën e reaksionit kimik ndikojnë në karakteristikat e një reaksioni sonokimik si nëpërmjet efekteve termike, ashtu edhe nëpërmjet efekteve kimike. Efektet termike ndikojnë në temperaturat maksimale që arrihen gjatë shembjes së flluskës brenda zgavrës së kavitacionit; efektet kimike modifikojnë efektet e gazrave që përfshihen drejtpërdrejt në një reaksion.
Reaksionet heterogjene dhe homogjene me kinetikë të ngadaltë, përfshirë reaksionet e çiftimit Suzuki, precipitimin, kristalizimin dhe kiminë e emulsioneve, janë veçanërisht të përshtatshme për t’u nisur dhe nxitur nëpërmjet ultratingujve të fuqisë dhe efekteve të tyre sonokimike.
Për shembull, për sintezën e acidit ferulik, sonikimi me frekuencë të ulët (20kHz) dhe me fuqi 180 W dha një rendiment prej 94% të acidit ferulik në 60°C brenda 3 h. Këto rezultate nga Truong et al. (2018) tregojnë se përdorimi i frekuencës së ulët (me sondë të tipit bri dhe rrezatim me fuqi të lartë) përmirësoi ndjeshëm shkallën e konvertimit, duke dhënë rendimente më të larta se 90%.

Kimia e emulsioneve e intensifikuar me ultratinguj

Reaksionet heterogjene, si ato të kimisë së emulsioneve, përfitojnë ndjeshëm nga përdorimi i ultratingujve me fuqi të lartë. Kavitacioni ultrasonik i zvogëloi dhe i shpërndau në mënyrë homogjene pikëzat e secilës fazë brenda tjetrës, duke krijuar një emulsion nënmikronik ose nanoemulsion. Meqenëse pikëzat me përmasa nanometrike ofrojnë një sipërfaqe shumë më të madhe për të ndërvepruar me pikëza të tjera, transferimi i masës dhe shpejtësia e reaksionit përmirësohen ndjeshëm. Nën sonikim, reaksionet e njohura për kinetikën e tyre zakonisht të ngadaltë shfaqin shkallë konvertimi shumë më të mira, rendimente më të larta, më pak nënprodukte ose mbetje dhe efikasitet të përgjithshëm më të mirë. Kimia e emulsioneve e përmirësuar me ultratinguj zbatohet shpesh për polimerizimin e emulsioneve, p.sh., për të prodhuar përzierje polimeresh, ngjitës me bazë ujore dhe polimere të posaçme.

10 gjëra që duhet të dini përpara se të blini një reaktor kimik

Kur zgjidhni një reaktor kimik për një proces kimik, ka shumë faktorë që ndikojnë në projektimin optimal të reaktorit kimik. Nëse procesi juaj kimik përfshin reaksione kimike heterogjene me shumë faza dhe ka kinetikë të ngadaltë reaksioni, trazimi i reaktorit dhe aktivizimi i procesit janë faktorë thelbësorë ndikues për konvertimin kimik të suksesshëm dhe për kosto ekonomike të operimit të reaktorit kimik.
Trajtimi me ultratinguj përmirëson ndjeshëm kinetikën e reaksioneve kimike lëng–lëng dhe lëng–ngurtë në reaktorët kimikë me punë me tufa dhe në enët e reaksionit në linjë. Prandaj, integrimi i sondave ultrasonike në një reaktor kimik mund të ulë kostot e reaktorit dhe të përmirësojë efikasitetin e përgjithshëm dhe cilësinë e produktit përfundimtar.
Shumë shpesh, inxhinierisë së reaktorëve kimikë i mungojnë njohuritë për përmirësimin e proceseve me ndihmën e ultratingujve. Pa njohuri të thelluara për ndikimin e ultratingujve me fuqi të lartë, trazimit ultrasonik, kavitacionit akustik dhe efekteve sonokimike në performancën e reaktorit kimik, analiza e reaktorit kimik dhe parimet bazë të projektimit konvencional mund të japin vetëm rezultate inferiore. Më poshtë do të gjeni një përmbledhje të përfitimeve themelore të ultratingujve për projektimin dhe optimizimin e reaktorëve kimikë.

Përparësitë e reaktorit me rezervuar me trazim të vazhdueshëm (CSTR) të intensifikuar me ultratinguj

• • Reaktorë të përmirësuar me ultratinguj për laborator dhe prodhim:
    Kalimi i lehtë në shkallë më të madhe: Procesorët ultrasonikë janë lehtësisht të disponueshëm për shkallë laboratorike, pilot dhe prodhim në shkallë të gjerë
    Rezultate të riprodhueshme / të përsëritshme falë parametrave ultrasonikë që mund të kontrollohen me saktësi
    Kapaciteti dhe shpejtësia e reaksionit: reaksionet e intensifikuara me ultratinguj janë më të shpejta dhe, rrjedhimisht, më ekonomike (kosto më të ulëta)
  • Sonokimia është e zbatueshme si për qëllime të përgjithshme, ashtu edhe për qëllime të posaçme

– përshtatshmëri dhe shumëanshmëri, p.sh., mundësi fleksibël instalimi dhe konfigurimi dhe përdorim ndërdisiplinor

• Trajtimi me ultratinguj mund të përdoret në mjedise shpërthyese
  – shpëlarje me gaz (p.sh., shtresë mbrojtëse azoti)
  – pa sipërfaqe të hapur
• Pastrim i thjeshtë: vetëpastrim (CIP – pastrim në vend)
• Zgjidhni materialet e ndërtimit që preferoni
  – qelq, çelik inoksidabël, titan
  – pa vula rrotulluese
  – përzgjedhje e gjerë materialesh vulosëse
• Pajisjet ultrasonike mund të përdoren në një gamë të gjerë temperaturash
• Pajisjet ultrasonike mund të përdoren në një gamë të gjerë presionesh
• Efekt sinergjik me teknologji të tjera, p.sh., elektrokiminë (sono-elektrokimi), katalizën (sono-katalizë), kristalizimin (sono-kristalizim) etj.
• Sonikimi është ideal për të përmirësuar bioreaktorët, p.sh., fermentimin.
• Tretja / Tretja e substancave: Në proceset e tretjes, grimcat kalojnë nga njëra fazë në tjetrën, p.sh., kur grimcat e ngurta treten në një lëng. Është konstatuar se shkalla e trazimit ndikon në shpejtësinë e procesit. Shumë kristale të vogla treten shumë më shpejt nën kavitacion ultrasonik sesa një kristal i vetëm në reaktorët konvencionalë me punë me tufa dhe me trazim. Edhe këtu, arsyeja e shpejtësive të ndryshme qëndron në shpejtësitë e ndryshme të transferimit të masës në sipërfaqet e grimcave. Për shembull, trajtimi me ultratinguj zbatohet me sukses për të krijuar tretësira të mbingopura, p.sh., në proceset e kristalizimit (sono-kristalizim).
• Ekstraktimi kimik i nxitur me ultratinguj:
  – Lëng–ngurtë, p.sh. ekstraktimi botanik, ekstraktimi kimik
  – Lëng–lëng: Kur ultratingujt aplikohen në një sistem ekstraktimi lëng–lëng, krijohet një emulsion i njërës fazë në tjetrën. Ky formim emulsioni rrit sipërfaqet ndërfazore midis dy fazave të papërzieshme, duke sjellë një fluks më të lartë të transferimit të masës midis fazave.

Si i përmirëson trajtimi me ultratinguj reaksionet kimike në reaktorët me rezervuar me trazim?

• Sipërfaqe më e madhe kontakti: Në reaksionet midis reaktantëve në faza heterogjene, vetëm grimcat që përplasen me njëra-tjetrën në sipërfaqen ndërfazore mund të reagojnë. Sa më e madhe të jetë sipërfaqja ndërfazore, aq më shumë përplasje mund të ndodhin. Kur një pjesë e lëngshme ose e ngurtë e një substance copëtohet në pikëza më të vogla ose në grimca të ngurta të pezulluara në një fazë të lëngshme të vazhdueshme, sipërfaqja e kësaj substance rritet. Për më tepër, si rezultat i zvogëlimit të madhësisë, numri i grimcave rritet dhe, për rrjedhojë, largësia mesatare midis këtyre grimcave zvogëlohet. Kjo përmirëson ekspozimin e fazës së vazhdueshme ndaj fazës së shpërndarë. Prandaj, shpejtësia e reaksionit rritet me shkallën e copëtimit të fazës së shpërndarë. Shumë reaksione kimike në dispersione ose emulsione shfaqin përmirësime të ndjeshme të shpejtësisë së reaksionit si rezultat i zvogëlimit të madhësisë së grimcave me ultratinguj.
• Kataliza (energjia e aktivizimit): Katalizatorët kanë rëndësi të madhe në shumë reaksione kimike, në zhvillimin laboratorik dhe në prodhimin industrial. Shpesh katalizatorët janë në fazë të ngurtë ose të lëngshme dhe të papërzieshëm me një reaktant ose me të gjithë reaktantët. Prandaj, në shumicën e rasteve, kataliza është një reaksion kimik heterogjen. Në prodhimin e kimikateve bazë më të rëndësishme, si acidi sulfurik, amoniaku, acidi nitrik, eteni dhe metanoli, katalizatorët luajnë një rol të rëndësishëm. Fusha të gjera të teknologjisë mjedisore bazohen në procese katalitike. Një përplasje grimcash çon në një reaksion kimik, pra në një rigrupim atomesh, vetëm nëse grimcat përplasen me energji kinetike të mjaftueshme. Trajtimi me ultratinguj është një mjet shumë efikas për të përshpejtuar kinetikën në reaktorët kimikë. Në një proces katalize heterogjene, përfshirja e ultratingujve në projektimin e një reaktori kimik mund të ulë nevojën për katalizator. Kjo mund të sjellë përdorimin e një sasie më të vogël katalizatori ose të katalizatorëve me cilësi më të ulët, më pak fisnikë.
• Frekuencë më e lartë kontakti / Transferim i përmirësuar i masës: Përzierja dhe trazimi me ultratinguj janë një metodë shumë e efektshme për të krijuar pikëza dhe grimca shumë të vogla (pra, grimca nënmikrometrike dhe nanogrimca), të cilat ofrojnë një sipërfaqe aktive më të madhe për reaksionet. Nën veprimin e trazimit shtesë intensiv dhe të mikrolëvizjeve të shkaktuara nga ultratingujt e fuqishëm, frekuenca e kontaktit midis grimcave rritet në mënyrë drastike, duke sjellë një shkallë shndërrimi dukshëm më të lartë.
• Plazmë e ngjeshur: Për shumë reaksione, një rritje prej 10 kelvinësh e temperaturës së reaktorit bën që shpejtësia e reaksionit të dyfishohet afërsisht. Kavitacioni ultrasonik krijon brenda lëngut zona të nxehta të lokalizuara, shumë reaktive, me temperatura deri në 5000K, pa ngrohje të konsiderueshme të vëllimit të përgjithshëm të lëngut në reaktorin kimik.
• Energjia termike: Çdo energji ultrasonike që përfshini në projektimin e një reaktori kimik do të shndërrohet përfundimisht në energji termike. Prandaj, mund ta ripërdorni energjinë për procesin kimik. Në vend të furnizimit me energji termike nga elementet ngrohëse ose avulli, trajtimi me ultratinguj fut energji mekanike që aktivizon procesin nëpërmjet dridhjeve me frekuencë të lartë. Në reaktorin kimik, kjo krijon kavitacion ultrasonik që aktivizon procesin kimik në disa nivele. Përfundimisht, veprimi jashtëzakonisht i fuqishëm prerës i ultratingujve mbi substancat kimike sjell shndërrimin në energji termike, pra në nxehtësi. Mund të përdorni reaktorë me punim në seri me këmishë ftohëse ose reaktorë në linjë për ftohje, në mënyrë që të ruani një temperaturë konstante të procesit për reaksionin tuaj kimik.

Pajisje ultrasonike me performancë të lartë për reaksione kimike të përmirësuara në CSTR

Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan homogjenizues dhe dispergues ultrasonikë me performancë të lartë për integrim në reaktorë me rezervuar me përzierje të vazhdueshme (CSTR). Ultrasonikatorët Hielscher përdoren në mbarë botën për të nxitur, intensifikuar, përshpejtuar dhe përmirësuar reaksionet kimike.
Procesorët ultrasonikë të Hielscher Ultrasonics janë të disponueshëm në çdo madhësi, nga pajisjet e vogla laboratorike deri te procesorët e mëdhenj industrialë për zbatime të kimisë në rrjedhje. Rregullimi i saktë i amplitudës ultrasonike (që është parametri më i rëndësishëm) mundëson përdorimin e ultrasonikatorëve Hielscher me amplituda nga të ulëta deri në shumë të larta dhe rregullimin e imët të amplitudës pikërisht sipas kushteve të kërkuara të procesit ultrasonik për sistemin specifik të reaksionit kimik.
Gjeneratori ultrasonik i Hielscher përmban një softuer inteligjent me regjistrim automatik të të dhënave. Të gjithë parametrat e rëndësishëm të përpunimit, si energjia ultrasonike, temperatura, presioni dhe koha, ruhen automatikisht në një kartë SD të integruar sapo pajisja ndizet.
Monitorimi i procesit dhe regjistrimi i të dhënave janë të rëndësishëm për standardizimin e vazhdueshëm të procesit dhe cilësinë e produktit. Duke hyrë në të dhënat e procesit të regjistruara automatikisht, mund të rishikoni ciklet e mëparshme të sonikimit dhe të vlerësoni rezultatin.
Një tjetër veçori e lehtë për përdoruesin është kontrolli në distancë përmes shfletuesit i sistemeve tona ultrasonike digjitale. Përmes kontrollit në distancë me shfletues mund ta nisni, ndaloni, rregulloni dhe monitoroni procesorin tuaj ultrasonik në distancë nga kudo.
Na kontaktoni tani për të mësuar më shumë se si homogjenizuesit tanë ultrasonikë me performancë të lartë mund të përmirësojnë reaktorin tuaj me rezervuar me përzierje të vazhdueshme (CSTR)!
Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të ultrasonikatorëve tanë: