Реактори са резервоаром са сталним мешањем уз помоћ ултразвука

Континуирано мешани резервоарски реактори (ЦСТР) се широко примењују за различите хемијске реакције укључујући катализу, хемију емулзије, полимеризацију, синтезу, екстракцију и кристализацију. Спора кинетика реакције је уобичајен проблем у ЦСТР-у, који се лако може превазићи применом ултразвучне обраде. Интензивно мешање, агитација и сонохемијски ефекти моћног ултразвука убрзавају кинетику реакције и значајно побољшавају стопу конверзије. Ултрасоникатори се могу лако интегрисати у ЦСТР било које запремине.

Зашто применити ултразвук на реактор резервоара који се непрекидно меша?

Континуирано мешани реактор са резервоаром (ЦСТР, или једноставно мешани реактор са резервоаром (СТР)) је у својим основним карактеристикама прилично сличан шаржном реактору. Главна важна разлика је у томе што, за конфигурацију реактора са резервоаром са континуалним мешањем (ЦСТР), довод материјала мора бити обезбеђен континуираним протоком у и из реактора. Напајање реактора може се постићи гравитационим струјањем или протоком са принудном циркулацијом помоћу пумпе. ЦСТР се понекад назива реактор са повратним мешањем протока (БМР).
ЦСТР се обично користе када је потребно мешање две или више течности. ЦСТР се могу користити као појединачни реактор или се инсталирати као низ конфигурација за различите токове концентрације и кораке реакције. Поред употребе реактора са једним резервоаром, обично се користи серијска инсталација различитих резервоара (један за другим) или каскадно постављање.
Зашто ултразвук? Познато је да ултразвучно мешање и мешање, као и сонохемијски ефекти снажног ултразвука доприносе ефикасности хемијских реакција. Побољшано мешање и смањење величине честица услед ултразвучних вибрација и кавитације обезбеђују значајно убрзану кинетику и повећану стопу конверзије. Сонохемијски ефекти могу да испоруче неопходну енергију за покретање хемијских реакција, промене хемијских путева и дају веће приносе због потпуније реакције.

Ултразвучно интензивирани ЦСТР се може користити за апликације као што су:

• Хетерогене реакције течност-течност
• Хетерогене реакције чврсто-течност
• Хомогене реакције течне фазе
• Хетерогене реакције гас-течност
• Хетерогене реакције гас-чврсто-течност

Ултразвук као синтетички хемијски систем велике брзине

Синтетичка хемија велике брзине је нова техника реакције која се користи за покретање и интензивирање хемијске синтезе. У поређењу са традиционалним реакционим путевима, којима је потребно неколико сати или дана под рефлуксом, реактори за синтезу који се подстичу ултразвуком могу да минимизирају трајање реакције на неколико минута што резултира значајном убрзаном реакцијом синтезе. Интензивирање ултразвучне синтезе заснива се на принципу рада акустичне кавитације и њених 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 упарује у течности или кашу. Кавитација је прелазак из течне фазе у парну фазу, који настаје услед пада притиска на ниво напона паре течности.
Ултразвучна кавитација ствара веома велике силе смицања и млазове течности до 1000м/с. Ови млазови течности убрзавају честице и изазивају сударе између честица и на тај начин смањују величину честица чврстих материја и капљица. Додатно – локализован унутар и у непосредној близини имплодирајућег кавитационог мехура – генеришу се изузетно високи притисци реда стотина атмосфера и температуре реда хиљада степени Келвина.
Иако је ултразвучна обрада чисто механичка метода обраде, она може довести до локално ограниченог екстремног пораста температуре. То је због интензивних сила које се стварају унутар и у непосредној близини колапсирајућих кавитационих мехурића, где се лако могу достићи температуре од неколико хиљада степени Целзијуса. У расутом раствору, повећање температуре које је резултат имплозије једног мехурића је скоро занемарљиво, али расипање топлоте из бројних кавитационих мехурића као што је примећено у жариштима кавитације (генерисано соникацијом ултразвуком велике снаге) може коначно да изазове мерљиву температуру повећање температуре у маси. Предност ултразвучне обраде и сонохемије лежи у контролисаним температурним ефектима током обраде: Контрола температуре расутог раствора се може постићи коришћењем резервоара са расхладним омотачем, као и пулсном соникацијом. Софистицирани ултрасоникатори компаније Хиелсцхер Ултрасоницс могу да паузирају ултразвук када се достигне горња граница температуре и да наставе са ултрасоникацијом чим се достигне доња вредност скупа ∆Т. Ово је посебно важно када се користе реактанти осетљиви на топлоту.

Сонохемија побољшава кинетику реакције

Пошто соникација генерише интензивне вибрације и кавитацију, утиче на хемијску кинетику. Кинетика хемијског система уско је у корелацији са експанзијом и имплозијом кавитационог мехурића, при чему значајно утиче на динамику кретања мехурића. Растворени гасови у раствору хемијске реакције утичу на карактеристике сонохемијске реакције и преко термичких и хемијских ефеката. Топлотни ефекти утичу на вршне температуре које се постижу током колапса мехурића унутар кавитационе шупљине; хемијски ефекти модификују ефекте гасова који су директно укључени у реакцију.
Хетерогене и хомогене реакције са спором кинетиком реакције, укључујући Сузуки реакције спајања, преципитацију, кристализацију и хемију емулзије, предодређене су да буду покренуте и промовисане путем ултразвука снаге и његових сонохемијских ефеката.
На пример, за синтезу ферулне киселине, нискофреквентна (20 кХз) соникација при снази од 180 В дала је 94% приноса ферулне киселине на 60°Ц за 3 х. Ови резултати Труонга ет ал. (2018) показују да је употреба ниске фреквенције (тип трубе и зрачење велике снаге) значајно побољшала стопу конверзије дајући приносе веће од 90%.

Ултразвучно појачана хемија емулзије

Хетерогене реакције као што је хемија емулзије имају значајне користи од примене ултразвука снаге. Ултразвучна кавитација је смањила и дистрибуирала капљице сваке фазе хомогено једна унутар друге стварајући субмикронску или нано-емулзију. Пошто капљице нано величине нуде драстично повећану површину за интеракцију са различитим капљицама, пренос масе и брзина реакције су значајно побољшани. Под соникацијом, реакције познате по својој типично спорој кинетици показују драматично побољшане стопе конверзије, веће приносе, мање нуспроизвода или отпада и бољу укупну ефикасност. Ултразвучно побољшана хемија емулзије се често примењује за полимеризацију емулзија, на пример, за производњу мешавина полимера, лепкова на бази воде и специјалних полимера.

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

Када изаберете хемијски реактор за хемијски процес постоји много фактора који утичу на оптималан дизајн хемијског реактора. Ако ваш хемијски процес укључује вишефазне, хетерогене хемијске реакције и има спору кинетику реакције, мешање реактора и активација процеса су суштински фактори утицаја за успешну хемијску конверзију и за економичне (оперативне) трошкове хемијског реактора.
Ултразвучна обрада значајно побољшава кинетику реакције течност-течност и течност-чврста материја у хемијским реакторима серије и инлине реакционим судовима. Дакле, интеграција ултразвучних сонди у хемијски реактор може смањити трошкове реактора и побољшати укупну ефикасност и квалитет финалног производа.
Веома често, инжењерству хемијских реактора недостаје знање о побољшању процеса уз помоћ ултразвука. Без дубоког знања о утицају ултразвука снаге, ултразвучне агитације, акустичне кавитације и сонохемијских ефеката на перформансе хемијског реактора, анализа хемијског реактора и основе конвенционалног дизајна могу дати само инфериорне резултате. У наставку ћете добити преглед основних предности ултразвука за дизајн и оптимизацију хемијских реактора.

Предности ултразвучно интензивираног реактора са сталним мешањем резервоара (ЦСТР)

• • Ултразвучно побољшани реактори за лабораторију и производњу:
    Лака скалабилност: Ултразвучни процесори су лако доступни за лабораторијску, пилотску и масовну производњу
    Репродуцибилно / поновљиво резултати захваљујући прецизно контролисаним ултразвучним параметрима
    Капацитет и брзина реакције: ултразвучно појачане реакције су брже и самим тим економичније (мањи трошкови)
  • Сонохемија је применљива за опште као и за посебне намене

– прилагодљивост & разноврсност, нпр. флексибилне опције инсталације и подешавања и интердисциплинарна употреба

• Ултразвук се може користити у експлозивним окружењима
  – прочишћавање (нпр. азотно ћебе)
  – нема отворене површине
• Једноставно чишћење: самочишћење (ЦИП – чисто на месту)
• Одаберите жељени материјал за изградњу
  – стакло, нерђајући челик, титанијум
  – нема ротационих заптивки
  – широк избор заптивача
• Ултрасоникатори се могу користити у широком распону температура
• Ултрасоникатори се могу користити у широком распону притисака
• Синергијски ефекат са другим технологијама, нпр., електрохемија (соно-електрохемија), катализа (соно-катализа), кристализација (соно-кристализација) итд.
• Соникација је идеална за побољшање биореактора, на пример, ферментације.
• Растварање / растварање: У процесима растварања, честице прелазе из једне фазе у другу, нпр. када се чврсте честице растварају у течности. Утврђено је да степен агитације утиче на брзину процеса. Многи мали кристали се растварају много брже под ултразвучном кавитацијом него један у конвенционално мешаним шаржним реакторима. 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, на пример, у процесима кристализације (соно-кристализација).
• Ултразвучно промовисана хемијска екстракција:
  – Течно-чврсто, нпр. ботаничка екстракција, хемијска екстракција
  – Течност-течност: Када се ултразвук примени на систем за екстракцију течност-течност, ствара се емулзија једне од фаза у другој. Ово формирање емулзије доводи до повећаних површина између две фазе које се не мешају, што резултира појачаним протоком масе између фаза.

Како соникација побољшава хемијске реакције у реакторима са мешаним резервоаром?

• Већа контактна површина: У реакцијама између реактаната у хетерогеним фазама могу да реагују само оне честице које се сударају на међумеђу. Што је већи интерфејс, може доћи до више судара. Како се течни или чврсти део супстанце разбије на мање капљице или чврсте честице суспендоване у течности континуалне фазе, површина ове супстанце се повећава. Штавише, као резултат смањења величине, број честица се повећава и самим тим се просечно растојање између ових честица смањује. Ово побољшава излагање континуалне фазе диспергованој фази. Због тога се брзина реакције повећава са степеном фрагментације дисперзне фазе. Многе хемијске реакције у дисперзијама или емулзијама показују драстична побољшања у брзини реакције као резултат ултразвучног смањења величине честица.
• Катализа (енергија активације): Катализатори су од великог значаја у многим хемијским реакцијама, у лабораторијском развоју и индустријској производњи. Често су катализатори у чврстој или течној фази и не могу се мешати са једним реактантом или свим реактантима. Дакле, чешће него не, катализа је хетерогена хемијска реакција. У производњи најважнијих основних хемикалија као што су сумпорна киселина, амонијак, азотна киселина, етен и метанол, катализатори играју важну улогу. Велике области еколошке технологије су засноване на каталитичким процесима. Судар честица доводи до хемијске реакције, односно прегруписавања атома, само ако се честице сударе са довољно кинетичке енергије. Ултразвук је високо ефикасно средство за повећање кинетике у хемијским реакторима. У хетерогеном процесу катализе, додавање ултразвука дизајну хемијског реактора може смањити потребу за катализатором. Ово може резултирати употребом мање катализатора или инфериорних, мање племенитих катализатора.
• Већа фреквенција контакта / побољшан пренос масе: Ултразвучно мешање и мешање је веома ефикасан метод за генерисање ситних капљица и честица (тј. субмикронских и нано-честица), које нуде већу активну површину за реакције. Под додатном интензивном агитацијом и микро-покретима изазваним ултразвуком, фреквенција контакта између честица се драстично повећава, што резултира значајно побољшаном стопом конверзије.
• Компресована плазма: За многе реакције, повећање температуре реактора за 10 Келвина узрокује да се брзина реакције отприлике удвостручи. Ултразвучна кавитација производи локализована високо реактивна жаришта до 5000К унутар течности, без значајног загревања укупне запремине течности у хемијском реактору.
• Топлотна енергија: Свака ултразвучна енергија коју додате дизајну хемијског реактора, коначно ће бити претворена у топлотну енергију. Због тога можете поново користити енергију за хемијски процес. Уместо уноса топлотне енергије грејним елементима или паром, ултразвук уводи процес који активира механичку енергију помоћу високофреквентних вибрација. У хемијском реактору, ово производи ултразвучну кавитацију која је активирала хемијски процес на више нивоа. Коначно, огромно ултразвучно смицање хемикалија резултира претварањем у топлотну енергију, односно топлоту. Можете да користите шаржне реакторе са омотачем или инлине реакторе за хлађење како бисте одржали константну температуру процеса за вашу хемијску реакцију.

Ултрасоникатори високих перформанси за побољшане хемијске реакције у ЦСТР

Хиелсцхер Ултрасоницс дизајнира, производи и дистрибуира ултразвучне хомогенизаторе и дисперзаторе високих перформанси за интеграцију у реакторе са сталним мешањем (ЦСТР). Хиелсцхер ултрасоницатори се користе широм света за промовисање, интензивирање, убрзање и побољшање хемијских реакција.
Hielscher Ultrasonics’ ултразвучни процесори су доступни у било којој величини од малих лабораторијских уређаја до великих индустријских процесора за апликације у хемији протока. Прецизно подешавање ултразвучне амплитуде (која је најважнији параметар) омогућава рад Хиелсцхер ултрасоникаторима при ниским до веома високим амплитудама и фино подешавање амплитуде тачно према потребним условима ултразвучног процеса специфичног система хемијске реакције.
Хиелсцхеров ултразвучни генератор карактерише паметан софтвер са аутоматским протоколом података. Сви важни параметри обраде као што су ултразвучна енергија, температура, притисак и време се аутоматски чувају на уграђеној СД картици чим се уређај укључи.
Праћење процеса и снимање података су важни за континуирану стандардизацију процеса и квалитет производа. Приступањем аутоматски снимљеним подацима процеса, можете ревидирати претходне резултате соникације и проценити резултат.
Још једна лака карактеристика је даљинско управљање претраживачем наших дигиталних ултразвучних система. Преко даљинске контроле претраживача можете покренути, зауставити, подесити и надгледати свој ултразвучни процесор на даљину са било ког места.
Контактирајте нас сада да бисте сазнали више о нашим ултразвучним хомогенизаторима високих перформанси који могу побољшати ваш реактор резервоара са сталним мешањем (ЦСТР)!
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: