Хемијски реактори унапређени соникацијом – типови, конструкције и механизми
Хемијски реактори су срж индустријске хемије, синтезе материјала, производње финих хемикалија, фармацеутске производње и процеса заштите животне средине. Како индустрија тежи бржим, чистијим и енергетски ефикаснијим процесима, соникација, позната и као ултразвучна обрада, постаје све значајнија метода за интензификацију рада реактора. Технологија ултразвучних реактора преобликује хемијску прераду побољшавајући мешање, пренос масе, кинетику реакција и хетерогену катализу у шаржним и континуалним реакторским системима.
Како соникација побољшава рад хемијских реактора
Увођењем ултразвука велике снаге у хемијски реактор, инжењери могу да изазову мешање ултразвучним осцилаторним струјањем и акустичку кавитацију унутар реакционе средине. Ови механизми побољшавају контакт између реактаната, убрзавају пренос масе и могу да повећају брзину реакције, селективност и принос. Соникација је нарочито ефикасна у системима чврсто–течно, као што је хетерогена катализа, и системима течно–течно, као што су емулговање, екстракција и двофазне реакције. Ређе се користи у смешама гас–течно јер се акустичка кавитација мање ефикасно ствара у течностима са високим садржајем гаса.
У савременим конструкцијама сонохемијских реактора, флуиди се мешају ултразвучним осцилацијама и кавитацијом, обично уз амплитуде у опсегу од 10 до 200 µm. То омогућава снажне ефекте мешања на микроскопском нивоу које је тешко постићи само конвенционалним механичким мешањем.
Проточни соникатор UIP4000hdT са проточном ћелијом за интензивиране хемијске реакције
Зашто соникација интензивира рад хемијских реактора
Индустријски значај соникације лежи у њеној способности да утиче на хемијске и физичке транспортне појаве на микронивоу и мезонивоу. За разлику од конвенционалног мешања, ултразвук не покреће само главнину течности. Он ствара таласе притиска, осцилаторно кретање, кавитационе мехуриће и локализоване зоне високе енергије.
Када се мехурићи акустичке кавитације формирају, расту и колабирају, они стварају микросредине са интензивним условима. Ови догађаји могу да произведу:
- велике локалне силе смицања
- микромлазеве у близини чврстих површина
- ударне таласе
- брзо микромешање
- побољшано дисперговање честица
- побољшан међуфазни контакт
- убрзан пренос масе и топлоте
- ефекте чишћења површина и активације катализатора
Ове појаве чине соникацију веома вредном за интензификацију процеса, нарочито када су реакције ограничене дифузијом, слабим контактом фаза, запрљањем катализатора или недовољним мешањем.
Соникација у шаржним реакторима
Шаржни реактори се широко користе у лабораторијама, пилот-постројењима и производњи специјалних хемикалија. Флексибилни су, једноставни за руковање и погодни за скрининг реакција, синтезу у малим запреминама и производе високе вредности.
Када се соникација примењује у шаржним реакторима, она може знатно да побољша мешање и уједначеност реакције. Ултразвучне сонде, проточне ћелије или споља монтирани претварачи могу да унесу акустичку енергију директно у реакциону средину.
У шаржним системима соникација је нарочито корисна за:
- хетерогену катализу
- синтезу наночестица
- контролу кристализације
- емулговање
- екстракцију
- полимеризацију
- растварање и дисперговање чврстих материја
Код реакција чврсто–течно, ултразвук може да спречи агломерацију честица и побољша приступ каталитичким или реактивним површинама. У системима течно–течно, соникација може да створи фине емулзије и повећа међуфазну површину између фаза које се не мешају, што често доводи до веће брзине реакције.
Проточни реактори за континуалну сонохемијску обраду
Проточни реактори спадају међу најважније конструкције за индустријску соникацију. Уместо обраде фиксне запремине течности, реакциона смеша непрекидно пролази кроз комору ултразвучног реактора.
Ова конструкција је веома привлачна за повећање размере процеса јер инжењерима омогућава прецизнију контролу времена задржавања, протока, температуре, притиска и уноса ултразвучне енергије. Проточни сонохемијски реактори често се користе када су потребни уједначен квалитет производа и непрекидан рад.
Главне предности проточних реактора са соникацијом укључују:
- могућност непрекидне производње
- побољшану поновљивост процеса
- бољу контролу температуре
- контролисану расподелу времена задржавања
- лакшу интеграцију у индустријске процесне линије
- архитектуру реактора која омогућава повећање размере
У овим системима, ултразвучно мешање осцилаторним струјањем може да побољша радијално и аксијално мешање, смањи градијенте концентрације и побољша интеракцију реактаната. Ово је посебно драгоцено у процесима у којима учинак реакције зависи од брзог успостављања контакта између фаза или брзог дисперговања.
Уметак MultiPhaseCavitator за ултразвучну проточну ћелију
MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 је специјализовани уметак за Hielscher реакторе са ултразвучном проточном ћелијом, пројектован да интензивира процесе течност/течност и течност/гас непосредно у зони ултразвучне кавитације. Убризгавањем друге течне фазе или гасне фазе кроз 48 финих канила у примарни ток течности, MultiPhaseCavitator ствара веома ситне капљице или мехуриће гаса са великом специфичном међуфазном површином. То га чини нарочито ефикасним за ултразвучно емулговање, при којем се немешљиве фазе диспергују у фине емулзије, и за каталитичке реакције са гасом, при којима се убризгана гасна фаза брзо диспергује и доводи у присан контакт са течном фазом, раствореним реактантима или суспендованим катализаторима. Настало кавитационо смицање, микромешање и побољшан пренос масе могу да побољшају кинетику реакције, контакт на граници фаза и ефикасност процеса у непрекидном или шаржном проточном раду.
Соникатор UIP2000hdT са шаржним хемијским реактором
Конструкције хемијских реактора и предности соникације
| Тип реактора | Типична примена | Главни ефекти соникације | Технички значај |
|---|---|---|---|
| Суспензиони реактори | Хетерогена катализа са чврстим честицама катализатора суспендованим у течној фази; користе се у хидрогенизацији, оксидацији, конверзији биомасе, процесима Фишер–Тропшовог типа, фотокатализи и пречишћавању отпадних вода. | Соникација побољшава дисперговање катализатора, деагломерацију честица, смањење дебљине граничног слоја, обнављање површине, пренос масе између течности и чврсте фазе, чишћење површине катализатора и смањење запрљања. | Посебно су значајни јер су многе каталитичке реакције у суспензији ограничене ефикасношћу којом реактанти доспевају до активних места. Акустична кавитација побољшава контакт на међуфазној површини катализатор–течност и може да побољша кинетику реакције. |
| Реактори са континуалним мешањем (CSTRs) | Континуалне реакције у течној фази, емулговање, каталитичке реакције, таложење, кристализација, реакције полимера и суспензије чврстих честица у течности. | Ултразвук побољшава микромешање, суспендовање честица, емулговање, дисперговање и локални унос енергије. Може се комбиновати са механичким мешањем ради побољшања и макромешања и микромешања. | CSTRs са соникацијом корисни су када конвенционална мешала не могу у потпуности да отклоне мртве зоне, слабо дисперговање или локална ограничења преноса масе. Ултразвук доприноси уједначенијим реакционим условима и побољшаној интензификацији процеса. |
| Реактори са непокретним слојем | Непокретни слојеви катализатора који се користе у хидрогенизацији, оксидацији, катализи за заштиту животне средине, петрохемијској преради и хетерогеној катализи у течној фази. | Соникација може да побољша квашење катализатора, кретање течности кроз слој, смањење дебљине граничног слоја, чишћење површине, ублажавање запрљања и пренос масе до каталитичких места. | Учинак непокретног слоја често је ограничен стварањем канала, слабим квашењем, дифузионим отпором и стварањем наслага. Ултразвучна интензификација процеса може побољшати искоришћење катализатора и уједначеност реакције. |
| Реактори са флуидизованим слојем | Динамички слојеви суспендованих честица који се користе у катализи, обради честица, наношењу превлака, полимеризацији, сушењу и реакцијама између чврсте и течне фазе. | Ултразвучна побуда може побољшати дисперговање честица, смањити агломерацију, побољшати контакт између флуида и чврсте фазе, стабилизовати суспензије и побољшати доступност површине катализатора. | Соникација је нарочито ефикасна у флуидизованим слојевима са течном и чврстом фазом, у којима се кавитација може ефикасно генерисати. У системима са високим садржајем гаса кавитација је мање ефикасна, због чега је ултразвук погоднији за примене у реакторима са течним медијумом. |
| Мембрански реактори | Интегрисани системи за реакцију и сепарацију који се користе за селективно уклањање производа, дозирање реактаната, каталитичке мембранске процесе и реакције потпомогнуте филтрацијом. | Ултразвук може смањити запрљање мембране, побољшати флукс пермеата, побољшати чишћење површине, смањити концентрациону поларизацију и побољшати мешање у близини граничне површине мембране. | Соникација повезује реакционо инжењерство са науком о сепарацији. Посебно је корисна тамо где запрљање, отпор преносу масе или слаба спрегнутост реакције и сепарације ограничавају учинак мембранског реактора. |
Механизми ултразвучне интензификације реактора
Предности соникације у хемијским реакторима заснивају се на неколико механизама који међусобно делују.
- Акустична кавитација је најважнији механизам. Она обухвата настанак, раст и колапс микроскопских мехурића у течности изложеној ултразвуку високог интензитета. Колапс мехурића изазива локализовано ослобађање енергије и снажне механичке силе.
- Акустично струјање ствара стационарно кретање флуида изазвано ултразвучним таласима. То побољшава мешање и транспорт у зонама у којима механичко мешање може бити слабо.
- Мешање осцилаторним струјањем настаје када ултразвучне вибрације изазивају брзо кретање течности напред и назад. У реакторским системима амплитуде од приближно 10 до 200 µm могу омогућити веома ефикасно мешање и побољшан пренос масе.
- Микромлазеви и ударни таласи настају у близини кавитационих мехурића који колабирају, нарочито близу чврстих површина. Ови ефекти могу очистити површине катализатора, нарушити граничне слојеве и побољшати приступ течности активним местима.
- Повећање међуфазне површине посебно је важно у системима течност–течност. Ултразвук може створити ситне капљице и стабилне дисперзије, повећавајући површину доступну за реакцију или пренос масе.
Заједно, ови механизми чине соникацију моћним средством за интензификацију хемијских реактора.
Индустријски значај пројектовања сонохемијских реактора
Индустријски значај реактора са соникацијом превазилази брже мешање. Соникација омогућава управљање реакционом средином на просторним скалама које конвенционална опрема не може лако да досегне.
У хемијском инжењерству многа ограничења реактора произлазе из транспортних појава, а не из инхерентних брзина реакција. Реактанти можда не доспевају довољно брзо до каталитичких места. Течности које се међусобно не мешају могу имати недовољну контактну површину. Чврсте материје могу агломерирати. Мембране се могу запрљати. Површине катализатора могу се блокирати.
Соникација делује на ова ограничења непосредним побољшањем физичких услова унутар реактора. Због тога је значајна за неколико истраживачких и индустријских приоритета:
- еколошки прихватљивија хемијска обрада
- мање потребе за енергијом и растварачима
- побољшана ефикасност катализатора
- већа селективност реакције
- бржи развој процеса
- континуална производња
- интензификовани модуларни реакторски системи
- синтеза напредних материјала
- одржива конверзија биомасе и отпадних токова
Истраживачима соникација пружа контролисану методу за проучавање односа између уноса акустичне енергије, понашања кавитације, побољшања транспорта и хемијског учинка. Индустрији пружа практичан пут ка компактним, ефикасним реакторским системима чији се капацитет може повећавати.
Ултразвучни хомогенизатор UIP2000hdT за хемијске реакције у проточном реактору
Предности соникације у хемијским реакторима
Интеграција ултразвука у конструкцију реактора нуди више оперативних и научних предности:
- веће брзине реакција захваљујући побољшаном преносу масе
- боље мешање у вишефазним системима
- побољшано дисперговање чврстих честица и капљица
- боље искоришћење катализатора
- смањена дифузиона ограничења
- чистије површине катализатора и мембрана
- побољшана поновљивост процеса у проточним системима
- могуће смањење температуре, притиска или времена реакције
- компатибилност са шаржним и континуалним радом
- велики значај за хетерогену катализу и двофазне реакције
Ове предности чине технологију ултразвучних реактора посебно привлачном за фине хемикалије, специјалне хемикалије, катализу, наноматеријале, зелену хемију и интензификацију процеса.
Ултразвучна стаклена проточна ћелија
Интензивирајте рад свог хемијског реактора помоћу Hielscher соникатора!
Hielscher соникатори су веома погодни за прилагођену интеграцију у хемијске реакторе јер су доступни као робусни ултразвучни системи велике снаге са прилагодљивим сонотродаma, проточним ћелијама, реакторским уметцима и прибором специфичним за процес. У зависности од реакционе поставке, Hielscher ултразвучни процесори могу се уградити у шаржне реакторе, континуалне реакторе са мешањем, линијске проточне реакторе, рециркулационе петље, системе под притиском и пилот-постројења или постројења производних размера. Ова флексибилност омогућава примену ултразвука управо тамо где је кавитација најефикаснија: на граници фаза течност–чврста материја, течност–течност или течност–гас. Hielscher Ultrasonics такође нуди различите типове ултразвучних шаржних и линијских реактора, који омогућавају контролисану сонохемијску обраду, емулговање, дисперговање, активацију катализатора, чишћење површина, интензификацију преноса масе и убрзавање реакција. Уз прецизну контролу амплитуде, улазне снаге, температуре, притиска, запреминског протока и времена задржавања, Hielscher соникатори могу се прилагодити специфичним захтевима лабораторијских истраживања, развоја процеса, повећања размера и индустријске хемијске производње.
Табела у наставку даје увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Запремински проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| није применљиво | 10 до 100L/min | UIP16000hdT |
| није применљиво | већи | група уређаја UIP16000hdT |
Пројектовање, производња и консалтинг – квалитет произведен у Немачкој
Hielscher ултразвучни уређаји познати су по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји лако се носе са тешким условима и захтевним радним окружењима.
Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и лакоћом употребе. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.
Ултразвучни хомогенизатор UIP1500hdT са проточним реактором опремљеним расхладним плаштом за контролу температуре процеса током соникације.
Често постављана питања
Шта су хемијски реактори?
Хемијски реактори су пројектоване посуде или системи у којима се хемијске реакције одвијају под контролисаним условима, као што су температура, притисак, мешање, време задржавања и концентрација реактаната. Њихова сврха је претварање сировина у жељене производе уз дефинисан принос, селективност и ефикасност процеса.
Који су главни типови хемијских реактора?
Главни типови хемијских реактора обухватају шаржне реакторе, континуалне реакторе са мешањем, реакторе са клипним струјањем, реакторе са непокретним слојем, реакторе са флуидизованим слојем, суспензионе реакторе, мембранске реакторе и фотохемијске или електрохемијске реакторе. Сваки тип реактора разликује се по карактеристикама струјања, режиму мешања, карактеристикама преноса топлоте и масе и погодности за хомогене или хетерогене реакције.
Која је разлика између реактора са флуидизованим слојем и реактора са непокретним слојем?
У реактору са непокретним слојем, чврсте честице катализатора остају непокретне док реактанти протичу кроз паковани слој катализатора. У реактору са флуидизованим слојем, флуид који струји навише суспендује и покреће чврсте честице, стварајући динамичан слој са интензивним мешањем, побољшаним преносом топлоте и бољим контактом између честица и флуида. Непокретни слојеви су једноставнији и механички стабилни, док флуидизовани слојеви омогућавају већу ефикасност мешања и преноса топлоте, али захтевају сложенију контролу протока.
Шта је слој катализатора?
Слој катализатора је дефинисана запремина чврстих честица катализатора распоређених унутар реактора. Он обезбеђује активну површину на којој се одвијају хемијске реакције. Слојеви катализатора могу бити непокретни, као у реакторима са непокретним слојем, или динамички суспендовани, као у реакторима са флуидизованим слојем. Њихов учинак зависи од активности катализатора, величине честица, порозности, површине, расподеле протока, преноса топлоте и преноса масе.
Литература / Референце
- 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.
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси, од лабораторијских до индустријских размера.