Kemiska reaktorer med förbättrad verkan genom ultraljudsbehandling – Typer, konstruktioner och mekanismer

Kemiska reaktorer utgör kärnan i industriell kemi, materialsyntes, produktion av finkemikalier, läkemedelstillverkning och miljöbehandling. I takt med att industrin strävar efter snabbare, renare och mer energieffektiva processer har sonikering, även kallad ultraljudsbehandling, blivit en allt mer relevant metod för reaktorintensifiering. Ultraljudsreaktorteknologin omformar den kemiska bearbetningen genom att förbättra blandning, massöverföring, reaktionskinetik och heterogen katalys i både satsvisa och kontinuerliga reaktorsystem.

Hur ultraljudsbehandling förbättrar kemiska reaktorer

Genom att tillföra högintensivt ultraljud till en kemisk reaktor kan ingenjörer skapa en blandning med hjälp av ultraljudsdriven svängningsströmning samt akustisk kavitation inuti reaktionsmediet. Dessa mekanismer förbättrar kontakten mellan reaktanterna, påskyndar massöverföringen och kan öka reaktionshastigheten, selektiviteten och utbytet. Ultraljudsbehandling är särskilt effektiv i fast-vätske-system, såsom heterogen katalys, och vätske-vätske-system, såsom emulgering, extraktion och tvåfasreaktioner. Den används mindre ofta i gas-vätske-blandningar eftersom akustisk kavitation genereras mindre effektivt i vätskor med hög gashalt.
I modern utformning av sonokemiska reaktorer omrörs vätskorna genom ultraljudsvibrationer och kavitation, vanligtvis med amplituder i intervallet 10–200 µm. Detta möjliggör kraftfulla mikroskopiska blandningseffekter som är svåra att uppnå enbart med konventionell mekanisk omrörning.

Varför ultraljudsbehandling förstärker kemiska reaktioner

Ultraljudsbehandlingens industriella betydelse ligger i dess förmåga att påverka kemiska och fysikaliska transportfenomen på mikro- och mesonivå. Till skillnad från konventionell omrörning rör ultraljud inte bara själva vätskemassan. Det alstrar tryckvågor, svängningsrörelser, kavitationsbubblor och lokala högenergiområden.
När akustiska kavitationsbubblor bildas, växer och kollapsar skapar de intensiva mikromiljöer. Dessa fenomen kan ge upphov till:

• höga lokala skjuvkrafter
• mikrostrålar nära fasta ytor
• chockvågor
• snabb mikroblandning
• förbättrad partikeldispersion
• förbättrad kontakt mellan ytorna
• accelererad massa- och värmeöverföring
• effekter av ytrengöring och katalysatoraktivering

Dessa fenomen gör ultraljudsbehandling mycket värdefull för processintensifiering, särskilt när reaktionerna begränsas av diffusion, bristfällig faskontakt, katalysatorförorening eller otillräcklig omrörning.

Ultraljudsbehandling i satsreaktorer

Batchreaktorer används i stor utsträckning i laboratorier, pilotanläggningar och vid tillverkning av specialkemikalier. De är flexibla, lätta att använda och lämpar sig för reaktionsscreening, syntes i små volymer och högvärdiga produkter.
När ultraljud tillämpas i satsreaktorer kan det avsevärt förbättra blandningen och reaktionens jämnhet. Ultraljudssonder, flödesceller eller externt monterade givare kan tillföra akustisk energi direkt till reaktionsmediet.

I batchsystem är ultraljudsbehandling särskilt användbar för:

1. heterogen katalys
2. Syntes av nanopartiklar
3. kontroll av kristallisationen
4. emulgering
5. Extraktion
6. Polymerisation
7. upplösning och spridning av fasta ämnen

Vid reaktioner mellan fasta ämnen och vätskor kan ultraljud förhindra att partiklar klumpar ihop sig och förbättra tillgången till katalytiska eller reaktiva ytor. I vätske-vätske-system kan ultraljudsbehandling skapa fina emulsioner och öka gränsytan mellan icke-blandbara faser, vilket ofta leder till snabbare reaktionshastigheter.

 

I den här videon är en Hielscher 200 Watt ultraljudshomogenisator UP200St med en 7 mm sonotrode monterad på en standardglasarmatur i botten av en glasreaktor. Monteringen kan vara horisontell, vertikal eller vilken som helst i någon annan riktning. Flera ultraljudssonder kan monteras på ett reaktorkärl - till exempel på olika höjder. Ofta är installationen från sidan eller från botten att föredra, eftersom den fungerar bättre med varierande vätskenivåer. Du kan kombinera ultraljudsomrörning med konventionella omrörare.

 

Genomströmningsreaktorer för kontinuerlig sonokemisk bearbetning

Genomströmningsreaktorer hör till de viktigaste konstruktionerna inom industriell ultraljudsbehandling. Istället för att behandla en fast volym vätska passerar reaktionsblandningen kontinuerligt genom en ultraljudsreaktorkammare.
Denna konstruktion är mycket lämplig för uppskalning, eftersom den gör det möjligt för ingenjörerna att mer exakt reglera uppehållstid, flödeshastighet, temperatur, tryck och tillförseln av ultraljudsenergi. Sonokemiska genomströmningsreaktorer används ofta när det krävs en jämn produktkvalitet och kontinuerlig drift.

De främsta fördelarna med ultraljudsbehandlade genomströmningsreaktorer är bland annat:

• kapacitet för kontinuerlig produktion
• förbättrad reproducerbarhet i processen
• bättre temperaturreglering
• kontrollerad fördelning av uppehållstiden
• enklare integration i industriella processlinjer
• skalbar reaktorarkitektur

I dessa system kan blandning med hjälp av ultraljudsvibrationer förbättra den radiella och axiella blandningen, minska koncentrationsgradienterna och förbättra interaktionen mellan reaktanterna. Detta är särskilt värdefullt i processer där reaktionsförloppet är beroende av snabb faskontakt eller snabb dispersion.

 

I den här videon visar vi dig ett ultraljudssystem på 2 kilowatt för inline-drift i ett rensbart skåp. Hielscher levererar ultraljudsutrustning till nästan alla industrier, såsom den kemiska industrin, läkemedel, kosmetika, petrokemiska processer samt för lösningsmedelsbaserade extraktionsprocesser. Detta rensningsbara skåp i rostfritt stål är designat för drift i farliga områden. För detta ändamål kan det förseglade skåpet rensas av kunden med kväve eller frisk luft för att förhindra att brandfarliga gaser eller ångor kommer in i skåpet.

 

Ultraljudsflödescellinsats MultiPhaseCavitator

MultiPhaseCavitator Insert-MPC48 är ett specialinsats för Hielschers ultraljudsreaktorer med flödesceller, utformat för att intensifiera vätska/vätska- och vätska/gas-processer direkt i ultraljudskavitationszonen. Genom att injicera en andra vätskefas eller gasfas genom 48 fina kanyler in i den primära vätskeströmmen skapar MultiPhaseCavitator mycket små droppar eller gasbubblor med en stor specifik gränsytarea. Detta gör den särskilt effektiv för ultraljudsemulgering, där icke-blandbara faser dispergeras till fina emulsioner, och för katalytiska gasreaktioner, där den injicerade gasfasen snabbt dispergeras och förs i nära kontakt med vätskefasen, upplösta reaktanter eller suspenderade katalysatorer. Den resulterande kavitationsskjuvningen, mikroblandningen och den förbättrade massöverföringen kan förbättra reaktionskinetiken, kontakten vid fasgränserna och processeffektiviteten vid kontinuerlig drift eller satsvis genomströmningsdrift.

Läs mer om MultiPhaseCavitator!

Mekanismer för intensifiering av ultraljudsreaktorer

Fördelarna med ultraljudsbehandling i kemiska reaktorer bygger på flera mekanismer som samverkar.

• Akustisk kavitation är den viktigaste mekanismen. Den innebär bildning, tillväxt och kollaps av mikroskopiska bubblor i en vätska som utsätts för högintensivt ultraljud. När bubblorna kollapsar frigörs energi lokalt och starka mekaniska krafter uppstår.
• Akustisk strömning skapar en jämn vätskerörelse som framkallas av ultraljudsvågor. Detta förbättrar blandningen och transporten i områden där den mekaniska omrörningen kan vara svag.
• Oscillerande flödesblandning uppstår när ultraljudsvibrationer orsakar snabba fram- och återrörelser hos vätskan. I reaktorsystem kan amplituder på cirka 10 till 200 µm ge mycket effektiv omrörning och förbättrad massöverföring.
• Mikrostrålar och stötvågor uppstår i närheten av kollapsande kavitationsbubblor, särskilt nära fasta ytor. Dessa effekter kan rengöra katalysatorytor, bryta upp gränsskikten och förbättra vätskans tillgång till de aktiva ställena.
• Att öka gränsytan är särskilt viktigt i vätske-vätske-system. Ultraljud kan skapa fina droppar och stabila dispersioner, vilket ökar den tillgängliga ytan för reaktion eller massöverföring.

Tillsammans gör dessa mekanismer ultraljudsbehandling till ett kraftfullt verktyg för intensifiering av kemiska reaktorer.

 

Intensiv ultraljud producerar kavitationsbubblor i vatten. Den efterföljande kollapsen av kavitationsbubblorna ger extrem mekanisk skjuvning i vätskan. Denna effekt stör celler, t.ex. för botanisk extraktion, eller bryter oljedroppar i vatten till mycket liten storlek (emulgering). Den kavitationella effekten gör Hielscher ultraljudshomogenisatorer till ett mycket effektivt medel för dispergering, homogenisering, emulgering och extraktion. Hielscher Ultrasonics tillverkar ultraljudssonder från 50 watt upp till 16000 watt för att täcka ultraljudsprocesser i labbet och i fullskalig produktion.

 

Industriell relevans av utformningen av sonokemiska reaktorer

Den industriella betydelsen av ultraljudsreaktorer sträcker sig längre än bara snabbare blandning. Ultraljudsbehandling gör det möjligt att påverka reaktionsförhållandena i skalor som konventionell utrustning inte utan vidare kan nå.
Inom kemitekniken beror många reaktorbegränsningar på transportfenomen snarare än på reaktionernas inneboende hastigheter. Reaktanterna kanske inte når de katalytiska platserna tillräckligt snabbt. Icke-blandbara vätskor kan ha otillräcklig kontaktyta. Fasta ämnen kan klumpa ihop sig. Membran kan bli igensatta. Katalysatorytor kan blockeras.
Ultraljudsbehandling löser dessa begränsningar genom att direkt förbättra de fysiska förhållandena inuti reaktorn. Detta gör tekniken relevant för flera prioriterade områden inom både forskning och industri:

• miljövänligare kemisk bearbetning
• mindre energi- och lösningsmedelsbehov
• förbättrad katalysatoreffektivitet
• högre reaktionsselektivitet
• snabbare processutveckling
• kontinuerlig tillverkning
• förbättrade modulära reaktorsystem
• syntes av avancerade material
• hållbar omvandling av biomassa och avfallsströmmar

För forskare erbjuder ultraljudsbehandling en kontrollerad metod för att studera sambandet mellan tillförd akustisk energi, kavitationsbeteende, förbättrad transport och kemisk prestanda. För industrin erbjuder den en praktisk väg mot kompakta, effektiva och skalbara reaktorsystem.

 

 

Fördelarna med ultraljudsbehandling i kemiska reaktorer

Att integrera ultraljud i reaktorkonstruktionen medför flera driftsmässiga och vetenskapliga fördelar:

• snabbare reaktionshastigheter genom förbättrad massöverföring
• bättre blandning i flerfasiga system
• förbättrad spridning av fasta partiklar och droppar
• förbättrad katalysatorutnyttjande
• begränsningar i form av nedsatt diffusion
• renare katalysator- och membranytor
• förbättrad reproducerbarhet i flödessystem
• en eventuell minskning av temperaturen, trycket eller reaktionstiden
• kompatibilitet med satsvis och kontinuerlig drift
• stor betydelse för heterogen katalys och tvåfasreaktioner

Dessa fördelar gör ultraljudsreaktorteknologin särskilt attraktiv för finkemikalier, specialkemikalier, katalys, nanomaterial, grön kemi och processintensifiering.

Öka effektiviteten i din kemiska reaktor med Hielschers ultraljudsapparater!

Hielschers ultraljudsenheter är väl lämpade för skräddarsydd integration i kemiska reaktorer, eftersom de finns som robusta ultraljudssystem med hög effekt och anpassningsbara sonotroder, flödesceller, reaktorinsatser samt processspecifika tillbehör. Beroende på reaktionsuppställningen kan Hielschers ultraljudsprocessorer installeras i satsreaktorer, kontinuerligt omrörda tankreaktorer, inline-flödesreaktorer, återcirkulationsslingor, trycksatta system samt pilot- eller produktionsanläggningar. Denna flexibilitet gör det möjligt att tillämpa ultraljud exakt där kavitationen är mest effektiv: vid gränssnittet mellan vätska och fast ämne, vätska och vätska eller vätska och gas. Hielscher Ultrasonics erbjuder även olika typer av ultraljudsreaktorer för satsvis drift och inline-drift, vilket möjliggör kontrollerad sonokemisk bearbetning, emulgering, dispersion, katalysatoraktivering, ytrengöring, intensifiering av massöverföring och reaktionsacceleration. Med exakt styrning av amplitud, effekt, temperatur, tryck, flödeshastighet och uppehållstid kan Hielschers ultraljudsenheter anpassas till de specifika kraven inom laboratorieforskning, processutveckling, uppskalning och industriell kemisk produktion.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

---

---

 

Litteratur / Referenser

• 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.