Континуални резервоарски реактори са ултразвучним мешањем

Континуални резервоарски реактори са мешањем (CSTR) широко се примењују за различите хемијске реакције, укључујући катализу, емулзиону хемију, полимеризацију, синтезу, екстракцију и кристализацију. Спора кинетика реакције је чест проблем у реакторима CSTR, који се лако може превазићи применом ултразвука велике снаге. Интензивно мешање, превирање и сонохемијски ефекти ултразвука велике снаге убрзавају кинетику реакције и значајно побољшавају степен конверзије. Ултрасоникатори се могу лако интегрисати у реакторе CSTR било које запремине.

Зашто применити ултразвук велике снаге у континуалном резервоарском реактору са мешањем?

Континуални резервоарски реактор са мешањем (CSTR, или једноставно резервоарски реактор са мешањем (STR)) по својим основним карактеристикама веома је сличан шаржном реактору. Главна разлика је у томе што се код континуалног резервоарског реактора са мешањем (CSTR) мора обезбедити непрекидан ток материјала у реактор и из њега. Довод материјала у реактор може се остварити гравитационим током или принудном циркулацијом помоћу пумпе. CSTR се понекад назива проточним реактором са повратним мешањем (BMR).
Реактори CSTR обично се користе када је потребно мешање две или више течности. Могу се користити као појединачни реактори или се могу поставити у низу различитих конфигурација за токове различитих концентрација и различите реакционе кораке. Поред употребе једног резервоарског реактора, често се користи серијска уградња више резервоара (једног за другим) или каскадна поставка.
Зашто ултразвучна обрада? Добро је познато да ултразвучно мешање и превирање, као и сонохемијски ефекти ултразвука велике снаге, доприносе ефикасности хемијских реакција. Побољшано мешање и смањење величине честица услед ултразвучних вибрација и кавитације обезбеђују значајно убрзану кинетику и повећан степен конверзије. Сонохемијски ефекти могу обезбедити енергију потребну за покретање хемијских реакција, променити реакционе путеве и омогућити веће приносе захваљујући потпунијем одвијању реакције.

Реактори CSTR чији је рад интензивиран ултразвуком могу се користити за примене као што су:

• Хетерогене реакције течност–течност
• Хетерогене реакције чврсто–течно
• Хомогене реакције у течној фази
• Хетерогене реакције гас–течност
• Хетерогене реакције гас–чврсто–течно

Ултразвучна обрада као систем за брзу хемијску синтезу

Брза синтетичка хемија је нова реакциона техника која се користи за покретање и интензивирање хемијске синтезе. У поређењу са традиционалним реакционим путевима, који захтевају неколико сати или дана под рефлуксом, реактори за синтезу потпомогнуту ултразвуком могу скратити трајање реакције на свега неколико минута, чиме се реакција синтезе значајно убрзава. Ултразвучно интензивирање синтезе заснива се на принципу деловања акустичне кавитације и с њом повезаних сила, укључујући локално ограничено прегревање. Сазнајте више о ултразвуку, акустичној кавитацији и сонохемији у следећем одељку.

Ултразвучна кавитација и њени сонохемијски ефекти

Ултразвучна (или акустична) кавитација настаје када се ултразвук велике снаге спрегне са течношћу или суспензијом. Кавитација је прелазак из течне у парну фазу, који настаје услед пада притиска до нивоа напона паре течности.
Ултразвучна кавитација ствара веома велике силе смицања и млазеве течности брзине до 1000m/s. Ови млазеви течности убрзавају честице и изазивају њихове међусобне сударе, чиме се смањује величина чврстих честица и капљица. Поред тога, локално – унутар кавитационог мехурића који имплодира и у његовој непосредној близини – настају изузетно високи притисци реда величине стотина атмосфера и температуре реда величине хиљада степени келвина.
Иако је ултразвучна обрада чисто механичка метода обраде, она може да изазове просторно ограничен, екстреман пораст температуре. То је последица интензивних сила које настају унутар кавитационих мехурића који колабирају и у њиховој непосредној близини, где се лако могу достићи температуре од неколико хиљада степени Целзијуса. У главнини раствора, пораст температуре услед имплозије једног мехурића готово је занемарљив, али расипање топлоте из бројних кавитационих мехурића, какво се запажа у кавитационим жариштима (која настају при обради ултразвуком велике снаге), на крају може да изазове мерљив пораст температуре у главнини раствора. Предност ултразвучне обраде и сонохемије лежи у могућности контроле температурних ефеката током обраде: температура главнине раствора може се контролисати употребом резервоара са расхладним плаштом, као и пулсном ултразвучном обрадом. Напредни ултразвучни уређаји компаније Hielscher Ultrasonics могу да паузирају емитовање ултразвука када се достигне горња температурна граница и да наставе ултразвучну обраду чим се достигне доња вредност задатог ∆T. Ово је нарочито важно када се користе реактанти осетљиви на топлоту.

Сонохемија побољшава кинетику реакције

Пошто ултразвучна обрада ствара интензивне вибрације и кавитацију, она утиче на хемијску кинетику. Кинетика хемијског система тесно је повезана са ширењем и имплозијом кавитационих мехурића, при чему значајно утиче на динамику њиховог кретања. Гасови растворени у раствору у коме се одвија хемијска реакција утичу на карактеристике сонохемијске реакције и термичким и хемијским ефектима. Термички ефекти утичу на максималне температуре које се достижу при колапсу мехурића унутар кавитационе шупљине; хемијски ефекти мењају дејство гасова који су непосредно укључени у реакцију.
Хетерогене и хомогене реакције са спором кинетиком, укључујући реакције Сузукијевог купловања, таложење, кристализацију и емулзиону хемију, нарочито су погодне за покретање и поспешивање ултразвуком велике снаге и његовим сонохемијским ефектима.
На пример, при синтези ферулне киселине, нискофреквентна ултразвучна обрада (20kHz) снагом од 180 W дала је принос ферулне киселине од 94% на 60°C за 3 h. Ови резултати аутора Truong и сар. (2018) показују да је примена ниске фреквенције (сонда типа рога и озрачивање великом снагом) значајно побољшала степен конверзије, дајући приносе веће од 90%.

Емулзиона хемија интензивирана ултразвуком

Хетерогене реакције, попут реакција у емулзијама, имају значајну корист од примене ултразвука велике снаге. Ултразвучна кавитација је смањила капљице сваке фазе и равномерно их распоредила једне унутар других, стварајући субмикронску или наноемулзију. Пошто капљице нанометарских димензија пружају драстично већу површину за интеракцију са другим капљицама, пренос масе и брзина реакције знатно се побољшавају. Под дејством ултразвука, реакције познате по типично спорој кинетици показују драстично побољшане степене конверзије, веће приносе, мање споредних производа или отпада и бољу укупну ефикасност. Ултразвучно унапређена хемија емулзија често се примењује за емулзиону полимеризацију, нпр. за производњу полимерних мешавина, лепкова на бази воде и специјалних полимера.

10 ствари које треба да знате пре него што купите хемијски реактор

Када бирате хемијски реактор за хемијски процес, многи фактори утичу на оптималну конструкцију хемијског реактора. Ако ваш хемијски процес обухвата вишефазне, хетерогене хемијске реакције и има спору реакциону кинетику, мешање у реактору и активација процеса представљају кључне факторе који утичу на успешну хемијску конверзију и економичност рада хемијског реактора.
Ултразвучна обрада знатно побољшава кинетику хемијских реакција течност–течност и течност–чврсто у шаржним хемијским реакторима и проточним реакционим судовима. Стога интеграција ултразвучних сонди у хемијски реактор може смањити трошкове реактора и побољшати укупну ефикасност и квалитет крајњег производа.
Веома често у пројектовању хемијских реактора недостаје знање о унапређењу процеса помоћу ултразвука. Без темељног познавања утицаја ултразвука велике снаге, ултразвучног мешања, акустичне кавитације и сонохемијских ефеката на учинак хемијског реактора, анализа хемијских реактора и конвенционални принципи пројектовања могу дати само слабије резултате. У наставку ћете добити преглед основних предности ултразвука за пројектовање и оптимизацију хемијских реактора.

Предности континуалног реактора са мешањем (CSTR) са ултразвучном интензификацијом

• • Ултразвучно унапређени реактори за лабораторију и производњу:
    Лако повећање размере: Ултразвучни процесори су лако доступни за лабораторијску и пилотску примену, као и за производњу великих размера
    Репродуктивни / поновљиви резултати захваљујући ултразвучним параметрима који се могу прецизно контролисати
    Капацитет и брзина реакције: ултразвучно интензивиране реакције су брже и стога економичније (нижи трошкови)
  • Сонохемија је применљива и за опште и за посебне намене

– прилагодљивост и свестраност, нпр. флексибилне могућности уградње и подешавања и интердисциплинарна употреба

• Ултразвучна обрада може се користити у експлозивним срединама
  – продувавање (нпр. заштитна атмосфера азота)
  – без отворене површине
• Једноставно чишћење: самочишћење (CIP – чишћење на месту)
• Изаберите жељене конструкционе материјале
  – стакло, нерђајући челик, титанијум
  – без ротационих заптивки
  – широк избор заптивних материјала
• Ултразвучни уређаји могу се користити у широком опсегу температура
• Ултразвучни уређаји могу се користити у широком опсегу притисака
• Синергијски ефекат са другим технологијама, нпр. електрохемијом (соноелектрохемија), катализом (сонокатализа), кристализацијом (сонокристализација) итд.
• Ултразвучна обрада је идеална за унапређење биореактора, нпр. ферментације.
• Растварање / процес растварања: У процесима растварања честице прелазе из једне фазе у другу, нпр. када се чврсте честице растварају у течности. Утврђено је да степен мешања утиче на брзину процеса. Мноштво малих кристала раствара се под дејством ултразвучне кавитације много брже него један кристал у шаржним реакторима са конвенционалним мешањем. И овде разлог за различите брзине лежи у различитим брзинама преноса масе на површинама честица. На пример, ултразвучна обрада се успешно примењује за стварање презасићених раствора, нпр. у процесима кристализације (сонокристализација).
• Хемијска екстракција поспешена ултразвуком:
  – Течно–чврсто, нпр. екстракција из биљног материјала, хемијска екстракција
  – Течно–течно: Када се ултразвук примени на систем за екстракцију течно–течно, настаје емулзија једне фазе у другој. Ово стварање емулзије доводи до повећања међуфазних површина између две фазе које се међусобно не мешају, што резултира повећаним флуксом преноса масе између фаза.

Како соникација побољшава хемијске реакције у реакторима са мешањем?

• Већа контактна површина: У реакцијама између реактаната у хетерогеним фазама могу да реагују само честице које се међусобно сударају на међуфазној површини. Што је међуфазна површина већа, то више судара може да се догоди. Када се течни или чврсти део супстанце уситни у мање капљице или чврсте честице суспендоване у течној континуалној фази, површина те супстанце се повећава. Осим тога, услед смањења величине, број честица се повећава, па се просечно растојање између њих смањује. Тиме се побољшава контакт континуалне фазе са диспергованом фазом. Због тога брзина реакције расте са степеном уситњавања дисперговане фазе. Многе хемијске реакције у дисперзијама или емулзијама показују драстично повећање брзине реакције услед ултразвучног смањења величине честица.
• Катализа (енергија активације): Катализатори су од великог значаја у многим хемијским реакцијама, у лабораторијском развоју и у индустријској производњи. Катализатори су често у чврстој или течној фази и не мешају се са једним реактантом или са свим реактантима. Стога је катализа најчешће хетерогена хемијска реакција. У производњи најважнијих основних хемикалија, као што су сумпорна киселина, амонијак, азотна киселина, етен и метанол, катализатори имају важну улогу. Велике области технологије заштите животне средине заснивају се на каталитичким процесима. Судар честица доводи до хемијске реакције, односно до прегруписавања атома, само ако се честице сударе са довољном кинетичком енергијом. Ултразвучна обрада је веома ефикасно средство за убрзавање реакција у хемијским реакторима. У процесу хетерогене катализе, укључивање ултразвука у конструкцију хемијског реактора може да смањи потребу за катализатором. То може да омогући употребу мање количине катализатора или катализатора слабијег квалитета и мање племенитости.
• Већа учесталост контакта / Побољшан пренос масе: Ултразвучно мешање и узбуркавање представљају веома ефикасан метод за стварање сићушних капљица и честица (тј. субмикронских честица и наночестица), које пружају већу активну површину за реакције. Уз додатно интензивно узбуркавање и микрокретање изазвано ултразвуком велике снаге, учесталост контакта између честица драстично се повећава, што доводи до значајног побољшања степена конверзије.
• Компримована плазма: Код многих реакција, повећање температуре у реактору за 10 келвина доводи до приближног удвостручења брзине реакције. Ултразвучна кавитација ствара локализоване, високо реактивне вруће тачке са температурама до 5000K унутар течности, без значајног загревања укупне запремине течности у хемијском реактору.
• Топлотна енергија: Сва ултразвучна енергија коју унесете у систем хемијског реактора на крају ће се претворити у топлотну енергију. Стога ту енергију можете поново да искористите за хемијски процес. Уместо уноса топлотне енергије помоћу грејних елемената или паре, ултразвучна обрада уноси механичку енергију која активира процес посредством високофреквентних вибрација. У хемијском реактору то ствара ултразвучну кавитацију која активира хемијски процес на више нивоа. На крају, изузетно интензивно ултразвучно смицање хемикалија доводи до претварања енергије у топлотну енергију, односно топлоту. За хлађење можете да користите шаржне реакторе са плаштом или проточне реакторе како бисте одржали константну процесну температуру за своју хемијску реакцију.

Ултразвучни уређаји високих перформанси за побољшане хемијске реакције у CSTR

Hielscher Ultrasonics пројектује, производи и дистрибуира ултразвучне хомогенизаторе и диспергаторе високих перформанси за интеграцију у континуалне резервоарске реакторе са мешањем (CSTR). Hielscher ултразвучни уређаји користе се широм света за подстицање, интензивирање, убрзавање и побољшање хемијских реакција.
Ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics доступни су у свим величинама, од малих лабораторијских уређаја до великих индустријских процесора за примену у проточној хемији. Прецизно подешавање ултразвучне амплитуде (која је најважнији параметар) омогућава рад Hielscher ултразвучних уређаја при ниским до веома високим амплитудама и фино подешавање амплитуде тачно према потребним условима ултразвучног процеса у конкретном хемијском реакционом систему.
Hielscher ултразвучни генератор има паметан софтвер са аутоматским бележењем података. Сви важни параметри обраде, као што су ултразвучна енергија, температура, притисак и време, аутоматски се чувају на уграђеној SD картици чим се уређај укључи.
Праћење процеса и бележење података важни су за континуирану стандардизацију процеса и квалитет производа. Приступом аутоматски забележеним подацима о процесу можете прегледати претходне циклусе соникације и проценити резултате.
Још једна функција која олакшава употребу јесте даљинско управљање нашим дигиталним ултразвучним системима преко прегледача. Помоћу даљинског управљања преко прегледача можете са било ког места даљински покретати, заустављати, подешавати и надзирати свој ултразвучни процесор.
Контактирајте нас сада да бисте сазнали више о томе како наши ултразвучни хомогенизатори високих перформанси могу побољшати ваш континуални резервоарски реактор са мешањем (CSTR)!
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: