Reaktorë me tank të trazuar vazhdimisht me ultratinguj

Reaktorët e tankeve të trazuar vazhdimisht (CSTR) aplikohen gjerësisht për reaksione të ndryshme kimike duke përfshirë katalizimin, kiminë e emulsionit, polimerizimin, sintezën, nxjerrjen dhe kristalizimin. Kinetika e reagimit të ngadaltë është një problem i zakonshëm në CSTR, i cili lehtë mund të kapërcehet me aplikimin e ultrazërit me fuqi. Përzierja intensive, agjitacioni dhe efektet sonokimike të tingullit të fuqisë-ultratinguj përshpejtojnë kinetikën e reagimit dhe përmirësojnë ndjeshëm shkallën e konvertimit. Ultrasonikët mund të integrohen lehtësisht në CSTR të çdo vëllimi.

Pse të aplikoni ultratinguj të energjisë në një reaktor rezervuari të trazuar vazhdimisht?

Një reaktor i rezervuarit të trazuar vazhdimisht (CSTR, ose thjesht reaktor i rezervuarit të trazuar (STR)) është në karakteristikat e tij kryesore mjaft të ngjashme me reaktorin e grupit. Dallimi kryesor i rëndësishëm është se, për konfigurimin e reaktorit të rezervuarit me trazim të vazhdueshëm (CSTR), furnizimi i materialit duhet të sigurohet në rrjedhje të vazhdueshme brenda dhe jashtë reaktorit. Furnizimi i reaktorit mund të arrihet me rrjedhën e gravitetit ose rrjedhën me qarkullim të detyruar duke përdorur një pompë. CSTR nganjëherë quhet një reaktor i rrjedhës së përzier (BMR).
CSTR-të përdoren zakonisht kur kërkohet nxitja e dy ose më shumë lëngjeve. CSTR-të mund të përdoren si reaktor i vetëm ose të instalohen si një seri konfigurimesh për rrjedha të ndryshme të përqendrimit dhe hapat e reagimit. Përveç përdorimit të një reaktori të vetëm rezervuari, zakonisht përdoret instalimi serik i rezervuarëve të ndryshëm (njëri pas tjetrit) ose vendosja e kaskadës.
Pse ultratinguj? Përzierja dhe trazimi tejzanor, si dhe efektet sonokimike të ultrazërit të fuqisë janë të njohura se kontribuojnë në efikasitetin e reaksioneve kimike. Përzierja e përmirësuar dhe zvogëlimi i madhësisë së grimcave për shkak të dridhjeve tejzanor dhe kavitacionit sigurojnë një kinetikë të përshpejtuar ndjeshëm dhe shkallë të përmirësuar të konvertimit. Efektet sonokimike mund të japin energjinë e nevojshme për të nisur reaksionet kimike, për të ndërruar rrugët kimike dhe për të dhënë rendimente më të larta për shkak të një reaksioni më të plotë.

CSTR e intensifikuar me ultratinguj mund të përdoret për aplikacione të tilla si:

• Reaksionet heterogjene lëng-lëng
• Reaksionet heterogjene të ngurtë-lëngshëm
• Reaksionet homogjene të fazës së lëngshme
• Reaksionet heterogjene gaz-lëng
• Reaksionet heterogjene gaz-ngurtë-lëng

Ultratingulli si sistem kimik sintetik me shpejtësi të lartë

Kimia sintetike me shpejtësi të lartë është një teknikë e re e reaksionit që përdoret për të filluar dhe intensifikuar sintezën kimike. Në krahasim me rrugët tradicionale të reagimit, të cilat kanë nevojë për disa orë ose ditë nën refluks, reaktorët e sintezës të promovuar me ultratinguj mund të minimizojnë kohëzgjatjen e reagimit në disa minuta duke rezultuar në një reagim të përshpejtuar të konsiderueshëm të sintezës. Intensifikimi i sintezës tejzanor bazohet në parimin e punës së kavitacionit akustik dhe forcave të lidhura me të, duke përfshirë mbinxehjen e kufizuar në nivel lokal. Mësoni më shumë rreth ultrazërit, kavitacionit akustik dhe sonokimisë në seksionin vijues.

Kavitacioni tejzanor dhe efektet e tij sonokimike

Kavitacioni tejzanor (ose akustik) ndodh kur ultratingulli i fuqisë bashkohet në lëngje ose llucë. Kavitacioni është kalimi nga një fazë e lëngshme në një fazë të avullit, e cila ndodh për shkak të rënies së presionit deri në nivelin e tensionit të avullit të lëngut.
Kavitacioni tejzanor krijon forca prerëse shumë të larta dhe rryma të lëngshme deri në 1000 m/s. Këto avionë të lëngshëm përshpejtojnë grimcat dhe shkaktojnë përplasje ndërmjet grimcave duke zvogëluar kështu madhësinë e grimcave të trupave të ngurtë dhe pikave. Për më tepër – lokalizuar brenda dhe në afërsi të flluskës së kavitacionit shpërthyes – Krijohen presione jashtëzakonisht të larta në rendin e qindra atmosferave dhe temperatura të rendit të mijëra gradë Kelvin.
Although ultrasonication is a purely mechanical processing method, it can produce a locally confined extreme temperature rise. This is due to the intense forces generated within and in close proximity to the collapsing cavitation bubbles, where easily temperatures of several thousands of degrees Celsius can be reached. In the bulk solution, the temperature increase resulting from a single bubble implosion is almost negligible, but the heat dissipation from numerous cavitation bubbles as observed in cavitation hot-spots (as generated by sonication with high-power ultrasound) can finally cause a measurable temperature increases in the bulk temperature. The advantage of ultrasonication and sonochemistry lies in the controllable temperature effects during processing: Temperature control of the bulk solution can be achieved by using tanks with cooling jackets as well as pulsed sonication. Hielscher Ultrasonics’ sophisticated ultrasonicators can pause the the ultrasound when an upper temperature limit is reached and continue with the ultrasonication as soon as the lower value of a set ∆T is reached. This is especially important when heat-sensitive reactants are used.

Sonokimia përmirëson kinetikën e reagimit

Meqenëse sonication gjeneron dridhje intensive dhe kavitacion, kinetika kimike ndikohet. Kinetika e një sistemi kimik lidhet ngushtë me zgjerimin dhe shpërthimin e flluskës së kavitacionit, duke ndikuar ndjeshëm në dinamikën e lëvizjes së flluskave. Gazrat e tretur në tretësirën e reaksionit kimik ndikojnë në karakteristikat e një reaksioni sonokimik nëpërmjet efekteve termike dhe kimike. Efektet termike ndikojnë në temperaturat maksimale që arrihen gjatë kolapsit të flluskës brenda zbrazëtirës së kavitacionit; efektet kimike modifikojnë efektet e gazrave, të cilët janë të përfshirë drejtpërdrejt në një reaksion.
Reaksionet heterogjene dhe homogjene me kinetikë të ngadaltë të reagimit, duke përfshirë reaksionet e bashkimit të Suzuki, reshjet, kristalizimin dhe kiminë e emulsionit janë të paracaktuara për t'u nisur dhe promovuar përmes ultrazërit të fuqisë dhe efekteve të tij sonokimike.
Për shembull, për sintezën e acidit ferulik, sonikimi me frekuencë të ulët (20 kHz) me një fuqi prej 180 W dha një rendiment 94% të acidit ferulik në 60 ° C në 3 orë. Këto rezultate nga Truong et al. (2018) demonstrojnë se përdorimi i frekuencës së ulët (lloji i bririt dhe rrezatimi me fuqi të lartë) përmirësoi ndjeshëm shkallën e konvertimit duke dhënë rendimente më të larta se 90%.

Kimi emulsioni i intensifikuar me ultratinguj

Reaksionet heterogjene të tilla si kimia e emulsionit përfitojnë ndjeshëm nga aplikimi i ultrazërit të fuqisë. Kavitacioni tejzanor zvogëloi dhe shpërndau pikat e secilës fazë në mënyrë homogjene brenda njëra-tjetrës duke krijuar një nën-mikron ose nano-emulsion. Meqenëse pikat me madhësi nano ofrojnë një sipërfaqe të rritur në mënyrë drastike për të bashkëvepruar me pika të ndryshme, transferimi i masës dhe shpejtësia e reagimit janë përmirësuar ndjeshëm. Nën sonikacionin, reaksionet e njohura për kinetikën e tyre tipike të ngadaltë tregojnë norma të përmirësuara dramatike të konvertimit, rendimente më të larta, më pak nënprodukte ose mbetje dhe efikasitet më të mirë të përgjithshëm. Kimia e emulsionit e përmirësuar në mënyrë tejzanore aplikohet shpesh për polimerizimin e emulsioneve, p.sh., për të prodhuar përzierje polimeresh, ngjitës me ujë dhe polimere të specializuara.

10 gjërat 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 modelin optimal të reaktorit kimik. Nëse procesi juaj kimik përfshin reaksione kimike shumëfazore, heterogjene dhe ka kinetikë të ngadaltë të reaksionit, nxitja e reaktorit dhe aktivizimi i procesit janë faktorë influencues thelbësor për konvertimin e suksesshëm kimik dhe për kostot ekonomike (operative) të reaktorit kimik.
Ultratingulli përmirëson ndjeshëm kinetikën e reagimit të reaksioneve kimike të lëngshme-lëng dhe të lëngët-ngurtë në reaktorët e grupeve kimike dhe enët e reagimit inline. Prandaj, integrimi i sondave tejzanor në një reaktor kimik mund të zvogëlojë kostot e reaktorit dhe të përmirësojë efikasitetin e përgjithshëm dhe cilësinë e produktit përfundimtar.
Shumë shpesh, inxhinierisë së reaktorëve kimik i mungojnë njohuritë për përmirësimin e procesit të asistuar me ultratinguj. Pa njohuri të thella rreth ndikimit të ultrazërit të fuqisë, agjitacionit tejzanor, kavitacionit akustik dhe efekteve sonokimike në performancën e reaktorit kimik, analiza e reaktorit kimik dhe bazat konvencionale të dizajnit mund të prodhojnë vetëm rezultate inferiore. Më poshtë, do të merrni një përmbledhje mbi përfitimet themelore të ultrazërit për dizajnimin dhe optimizimin e reaktorit kimik.

Përparësitë e reaktorit të rezervuarit të vazhdueshëm të trazuar me tejzanor (CSTR)

• • Reaktorë të përmirësuar tejzanor për laborator dhe prodhim:
    Shkallueshmëri e lehtë: Procesorët tejzanor janë lehtësisht të disponueshëm për madhësi laboratorike, pilot dhe prodhim në shkallë të gjerë
    E riprodhueshme? e përsëritshme rezultate për shkak të parametrave tejzanor saktësisht të kontrollueshëm
    Kapaciteti dhe shpejtësia e reagimit: Reaksionet e intensifikuara me ultratinguj janë më të shpejta dhe në këtë mënyrë më ekonomike (kosto më të ulëta)
  • Sonokimia është e aplikueshme për qëllime të përgjithshme dhe të veçanta

– përshtatshmëria & shkathtësia, p.sh. opsionet fleksibël të instalimit dhe konfigurimit dhe përdorimi ndërdisiplinor

• Ultratingulli mund të përdoret në mjedise shpërthyese
  – pastrimi (p.sh., batanije azoti)
  – pa sipërfaqe të hapur
• Pastrim i thjeshtë: vetëpastrim (CIP – pastër në vend)
• Zgjidhni materialet e preferuara të ndërtimit
  – qelqi, çelik inox, titan
  – pa vula rrotulluese
  – zgjedhje e gjerë e ngjitësve
• Ultrasonikët mund të përdoren në një gamë të gjerë temperaturash
• Ultrasonikët mund të përdoren në një gamë të gjerë presionesh
• Efekti sinergjik me teknologji të tjera, p.sh., elektrokimia (sono-elektrokimia), katalizimi (sono-kataliza), kristalizimi (sono-kristalizimi) etj.
• Sonication është ideale për të përmirësuar bioreaktorët, p.sh., fermentimi.
• Shpërbërja? Shpërbërja: Në proceset e tretjes, grimcat kalojnë nga një fazë në tjetrën, p.sh. kur grimcat e ngurta treten në një lëng. Është konstatuar se shkalla e agjitacionit ndikon në shpejtësinë e procesit. Shumë kristale të vegjël shpërndahen shumë më shpejt nën kavitacionin tejzanor sesa një në reaktorët e grupit të trazuar në mënyrë konvencionale. Edhe këtu, arsyeja për shpejtësi të ndryshme qëndron në shpejtësitë e ndryshme të transferimit të masës në sipërfaqet e grimcave. Për shembull, ultratingulli aplikohet me sukses për të krijuar solucione të mbingopura, p.sh. në proceset e kristalizimit (sono-kristalizimi).
• Nxjerrja kimike e promovuar me ultratinguj:
  – Liquid-Solid, p.sh. ekstraktimi botanik, nxjerrja kimike
  – Liquid-Liquid: Kur ultratingulli aplikohet në një sistem nxjerrjeje lëngu-lëng, krijohet një emulsion i njërës prej fazave në tjetrën. Ky formim i emulsionit çon në rritjen e zonave ndërfaqesore midis dy fazave të papërziershme që rezulton në një fluks të rritur të transferimit të masës midis fazave.

Si i përmirëson sonication reaksionet kimike në reaktorët e tankeve të trazuar?

• Sipërfaqja më e madhe e kontaktit: Në reaksionet ndërmjet reaktantëve në faza heterogjene, vetëm grimcat që përplasen me njëra-tjetrën në ndërfaqe mund të reagojnë. Sa më e madhe ndërfaqja, aq më shumë përplasje mund të ndodhin. Ndërsa një pjesë e lëngshme ose e ngurtë e një substance ndahet në pika më të vogla ose grimca të ngurta të pezulluara në një lëng të fazës së vazhdueshme, sipërfaqja e kësaj substance rritet. Për më tepër, si rezultat i zvogëlimit të madhësisë, numri i grimcave rritet dhe për këtë arsye distanca mesatare midis këtyre grimcave zvogëlohet. Kjo përmirëson ekspozimin e fazës së vazhdueshme ndaj fazës së shpërndarë. Prandaj, shpejtësia e reagimit rritet me shkallën e fragmentimit të fazës disperse. Shumë reaksione kimike në dispersione ose emulsione tregojnë përmirësime drastike në shpejtësinë e reagimit si rezultat i zvogëlimit të madhësisë së grimcave tejzanor.
• Kataliza (energjia e aktivizimit): Katalizatorët kanë një rëndësi të madhe në shumë reaksione kimike, në zhvillimin e laboratorit dhe në prodhimin industrial. Shpesh katalizatorët janë në fazë të ngurtë ose të lëngët dhe të papërziershëm me një reaktant ose të gjithë reaktantët. Prandaj, më shpesh sesa jo, 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. Zona të mëdha të teknologjisë mjedisore bazohen në proceset katalitike. Përplasja e grimcave çon në një reaksion kimik, pra një rigrupim të atomeve, vetëm nëse grimcat përplasen me energji të mjaftueshme kinetike. Ultratingulli është një mjet shumë efikas për të rritur kinetikën në reaktorët kimikë. Në një proces katalizues heterogjen, shtimi i ultrasonikëve në një dizajn reaktori kimik mund të ulë kërkesën për një katalizator. Kjo mund të rezultojë në përdorimin e katalizatorëve më pak ose inferiorë, më pak fisnikë.
• Frekuenca më e lartë e kontaktit? Transferimi i përmirësuar i masës: Përzierja dhe trazimi tejzanor është një metodë shumë efikase për të gjeneruar pika dhe grimca të vogla (dmth., nën-mikron dhe nano-grimca), të cilat ofrojnë një sipërfaqe aktive më të lartë për reaksione. Nën agjitacionin dhe mikro-lëvizjen intensive shtesë të shkaktuar nga ultratingulli i fuqisë, frekuenca e kontaktit ndërmjet grimcave rritet në mënyrë drastike duke rezultuar në një normë konvertimi të përmirësuar ndjeshëm.
• Plazma e kompresuar: Për shumë reaksione, një rritje prej 10 Kelvin në temperaturën e reaktorit bën që shpejtësia e reagimit të dyfishohet afërsisht. Kavitacioni tejzanor prodhon pika të nxehta të lokalizuara shumë reaktive deri në 5000K brenda lëngut, pa ngrohje të konsiderueshme të vëllimit të përgjithshëm të lëngut në reaktorin kimik.
• Energji termale: Çdo energji tejzanor që shtoni në një dizajn reaktor kimik, më në fund do të shndërrohet në energji termike. Prandaj, mund ta ripërdorni energjinë për procesin kimik. Në vend të hyrjes së energjisë termike nga elementët ngrohës ose avulli, ultratingulli prezanton një proces që aktivizon energjinë mekanike me anë të dridhjeve me frekuencë të lartë. Në reaktorin kimik, kjo prodhon kavitacion tejzanor që aktivizoi procesin kimik në nivele të shumta. Së fundi, prerja e madhe tejzanor e kimikateve rezulton në shndërrimin në energji termike, dmth në nxehtësi. Ju mund të përdorni reaktorë të grumbulluar me xhaketë ose reaktorë të linjës për ftohje në mënyrë që të mbani një temperaturë konstante të procesit për reaksionin tuaj kimik.

Ultrasonikë me performancë të lartë për reaksione kimike të përmirësuara në CSTR

Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan homogjenizues dhe shpërndarës tejzanor me performancë të lartë për integrimin në reaktorët e tankeve me trazim të vazhdueshëm (CSTR). Ultrasonikët Hielscher përdoren në mbarë botën për të nxitur, intensifikuar, përshpejtuar dhe përmirësuar reaksionet kimike.
Hielscher Ultrasonics’ Përpunuesit tejzanor janë të disponueshëm në çdo madhësi, nga pajisjet e vogla laboratorike deri tek përpunuesit e mëdhenj industrialë për aplikime në kiminë e rrjedhës. Rregullimi i saktë i amplitudës tejzanor (i cili është parametri më i rëndësishëm) ju lejon të përdorni ultrasonikë Hielscher në amplituda të ulëta deri në shumë të larta dhe të rregulloni amplituda saktësisht me kushtet e kërkuara të procesit tejzanor të sistemit specifik të reaksionit kimik.
Hielscher’s ultrasonic generator feature a smart software with automatic data protocolling. All important processing parameters such as ultrasonic energy, temperature, pressure and time are automatically stored onto a built-in SD-card as soon as the device is switched on.
Monitorimi i procesit dhe regjistrimi i të dhënave janë të rëndësishme për standardizimin e vazhdueshëm të procesit dhe cilësinë e produktit. Duke hyrë në të dhënat e procesit të regjistruara automatikisht, mund të rishikoni ekzekutimet e mëparshme të sonikacionit dhe të vlerësoni rezultatin.
Një tjetër veçori miqësore për përdoruesit është telekomanda e shfletuesit të sistemeve tona dixhitale ultrasonike. Nëpërmjet kontrollit të largët të shfletuesit ju mund të filloni, ndaloni, rregulloni dhe monitoroni procesorin tuaj tejzanor nga distanca nga kudo.
Na kontaktoni tani për të mësuar më shumë rreth homogjenizuesve tanë ultrasonikë me performancë të lartë që mund të përmirësojnë reaktorin tuaj të rezervuarit të trazuar vazhdimisht (CSTR)!
Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë: