Reaktorer med kontinuerligt omrörda tankar omrörs med ultraljud

Kontinuerligt omrörda tankreaktorer (CSTR) används i stor utsträckning för olika kemiska reaktioner inklusive katalys, emulsionskemi, polymerisation, syntes, extraktion och kristallisation. Långsam reaktionskinetik är ett vanligt problem vid CSTR, som lätt kan övervinnas genom tillämpning av kraft-ultraljud. Den intensiva blandningen, omrörningen och de sonokemiska effekterna av kraft-ultraljud påskyndar reaktionskinetiken och förbättrar omvandlingshastigheten avsevärt. Ultraljudsapparater kan enkelt integreras i CSTR:er av vilken volym som helst.

Varför applicera Power-ultraljud på en kontinuerligt omrörd tankreaktor?

En Continuously Stirred Tank Reactor (CSTR, eller simply stirred tank reactor (STR)) är i sina huvudsakliga egenskaper ganska lik satsreaktorn. Den stora viktiga skillnaden är att för uppställning av en kontinuerlig omrörd tankreaktor (CSTR) måste materialmatningen ske i kontinuerligt flöde in i och ut ur reaktorn. Matning av reaktorn kan uppnås genom gravitationsflöde eller forcerat cirkulationsflöde med hjälp av en pump. CSTR kallas ibland för en återblandad flödesreaktor (BMR).
CSTR:er används ofta när omrörning av två eller flera vätskor krävs. CSTR:er kan användas som en enda reaktor eller installeras som en serie konfigurationer för olika koncentrationsströmmar och reaktionssteg. Förutom användningen av en reaktor med en enda tank används ofta seriell installation av olika tankar (en efter varandra) eller kaskaduppställning.
Varför ultraljud? Ultraljudsblandning och omrörning samt de sonokemiska effekterna av kraftultraljud är välkända för att bidra till effektiviteten av kemiska reaktioner. Den förbättrade blandningen och minskningen av partikelstorleken på grund av ultraljudsvibrationer och kavitation ger en avsevärt accelererad kinetik och förbättrad omvandlingsfrekvens. Sonokemiska effekter kan leverera den nödvändiga energin för att initiera kemiska reaktioner, byta kemiska vägar och ge högre avkastning på grund av en mer fullständig reaktion.

Ultraljudsförstärkt CSTR kan användas för applikationer som:

• Heterogena vätske-vätskereaktioner
• Heterogena reaktioner i fast form och vätska
• Homogena vätskefasreaktioner
• Heterogena gas-vätskereaktioner
• Heterogena gas-fasta-vätskereaktioner

Ultraljud som höghastighets syntetisk kemisk system

Höghastighets syntetisk kemi är en ny reaktionsteknik som används för att initiera och intensifiera kemisk syntes. I jämförelse med traditionella reaktionsvägar, som behöver flera timmar eller dagar under reflux, kan ultraljudsfrämjade syntesreaktorer minimera reaktionstiden till några minuter vilket resulterar i en signifikant accelererad syntesreaktion. Intensifiering av ultraljudssyntes är baserad på arbetsprincipen för akustisk kavitation och dess relaterade krafter, inklusive lokalt begränsad överhettning. Lär dig mer om ultraljud, akustisk kavitation och sonokemi i nästa avsnitt.

Ultraljud kavitation och dess sonokemiska effekter

Ultraljud (eller akustisk) kavitation uppstår när kraftultraljud kopplas till vätskor eller uppslamningar. Kavitation är övergången från en flytande fas till en ångfas, som inträffar på grund av ett tryckfall ner till nivån för vätskans ångspänning.
Ultraljudskavitation skapar mycket höga skjuvkrafter och vätskestrålar med upp till 1000m/s. Dessa vätskestrålar accelererar partiklar och orsakar kollisioner mellan partiklar, vilket minskar partikelstorleken hos fasta ämnen och droppar. Dessutom – lokaliserad inom och i närheten av den imploderande kavitationsbubblan – extremt höga tryck i storleksordningen hundratals atmosfärer och temperaturer i storleksordningen tusentals grader Kelvin genereras.
Även om ultraljud är en rent mekanisk bearbetningsmetod, kan det producera en lokalt begränsad extrem temperaturökning. Detta beror på de intensiva krafter som genereras i och i närheten av de kollapsande kavitationsbubblorna, där temperaturer på flera tusen grader Celsius lätt kan nås. I bulklösningen är temperaturökningen till följd av en enda bubbla implosion nästan försumbar, men värmeavledningen från många kavitationsbubblor som observerats i kavitation hot-spots (som genereras av ultraljudsbehandling med hög effekt ultraljud) kan slutligen orsaka en mätbar temperaturökning i bulktemperaturen. Fördelen med ultraljud och sonokemi ligger i de kontrollerbara temperatureffekterna under bearbetningen: Temperaturkontroll av bulklösningen kan uppnås genom att använda tankar med kyljackor samt pulserad ultraljudsbehandling. Hielscher Ultrasonics sofistikerade ultraljudsapparater kan pausa ultraljudet när en övre temperaturgräns uppnås och fortsätta med ultraljudet så snart det lägre värdet på en inställd ∆T har uppnåtts. Detta är särskilt viktigt när värmekänsliga reaktanter används.

Sonokemi förbättrar reaktionskinetiken

Eftersom ultraljudsbehandling genererar intensiva vibrationer och kavitation, påverkas kemisk kinetik. Kinetiken för ett kemiskt system korrelerar nära med kavitationsbubblans expansion och implosion, vilket påverkar dynamiken i bubblans rörelse avsevärt. Lösta gaser i den kemiska reaktionslösningen påverkar egenskaperna hos en sonokemisk reaktion via både termiska effekter och kemiska effekter. De termiska effekterna påverkar de topptemperaturer som uppnås under bubbelkollaps i kavitationshålrummet; De kemiska effekterna modifierar effekterna av gaser, som är direkt involverade i en reaktion.
Heterogena och homogena reaktioner med långsam reaktionskinetik inklusive Suzukikopplingsreaktioner, utfällning, kristallisation och emulsionskemi är förutbestämda att initieras och främjas genom kraft-ultraljud och dess sonokemiska effekter.
Till exempel, för syntes av ferulsyra, gav lågfrekvent (20kHz) ultraljudsbehandling vid en effekt av 180 W en 94% ferulsyra utbyte vid 60 ° C i 3 timmar. Dessa resultat av Truong et al. (2018) visar att användningen av låga frekvenser (horntyp och bestrålning med hög effekt) förbättrade omvandlingsfrekvensen avsevärt, vilket gav avkastningar högre än 90 %.

Ultraljudsintensifierad emulsionskemi

Heterogena reaktioner som emulsionskemi drar stor nytta av tillämpningen av kraftultraljud. Ultraljudskavitation minskade och fördelade dropparna i varje fas homogent inom varandra och skapade en submikron eller nanoemulsion. Eftersom dropparna i nanostorlek erbjuder en drastiskt ökad yta för att interagera med olika droppar, förbättras massöverföring och reaktionshastighet avsevärt. Under ultraljudsbehandling, reaktioner kända för sin typiskt långsam kinetik visar dramatiskt förbättrade omvandlingsfrekvenser, högre avkastning, mindre biprodukter eller avfall och bättre övergripande effektivitet. Ultraljudsförbättrad emulsionskemi används ofta för polymerisation av emulsioner, t.ex. för att producera polymerblandningar, vattenburna lim och specialpolymerer.

10 saker du bör veta innan du köper en kemisk reaktor

När du väljer en kemisk reaktor för en kemisk process finns det många faktorer som påverkar den optimala kemiska reaktordesignen. Om din kemiska process involverar heterogena kemiska reaktioner i flera faser och har långsam reaktionskinetik, är reaktoromrörning och processaktivering viktiga påverkande faktorer för framgångsrik kemisk omvandling och för ekonomiska (driftsmässiga) kostnader för den kemiska reaktorn.
Ultraljud förbättrar reaktionskinetiken för flytande-flytande och flytande-fasta kemiska reaktioner i kemiska satssatser och inline reaktionskärl avsevärt. Därför kan integrationen av ultraljudssonder i en kemisk reaktor minska reaktorkostnaderna och förbättra den totala effektiviteten och kvaliteten på slutprodukten.
Mycket ofta saknar kemisk reaktorteknik kunskap om ultraljudsassisterad processförbättring. Utan djupgående kunskap om inverkan av effekt kan ultraljud, ultraljudsomrörning, akustisk kavitation och sonokemiska effekter på kemiska reaktorers prestanda, kemisk reaktoranalys och konventionella designgrunder endast ge sämre resultat. Nedan får du en översikt över de grundläggande fördelarna med ultraljud för kemisk reaktordesign och optimering.

Fördelarna med ultraljudsintensifierad kontinuerlig omrörd tankreaktor (CSTR)

• • Ultraljudsförstärkta reaktorer för labb och produktion:
    Enkel skalbarhet: Ultraljudsprocessorer är lätt tillgängliga för laboratoriestorlek, pilot- och storskalig produktion
    Reproducerbar / repeterbar Resultat tack vare exakt kontrollerbara ultraljudsparametrar
    Kapacitet och reaktionshastighet: ultraljudsintensifierade reaktioner är snabbare och därmed mer ekonomiska (lägre kostnader)
  • Sonokemi är tillämpbart för såväl allmänna som speciella ändamål

– anpassningsförmåga & mångsidighet, t.ex. flexibla installations- och installationsalternativ och tvärvetenskaplig användning

• Ultraljud kan användas i explosiva miljöer
  – rensning (t.ex. kvävefilt)
  – Ingen öppen yta
• Enkel rengöring: självrengörande (CIP – rengör på plats)
• Välj de byggmaterial du föredrar
  – Glas, rostfritt stål, titan
  – Inga roterande tätningar
  – Brett urval av tätningsmedel
• Ultraljudsapparater kan användas i ett brett temperaturområde
• Ultraljudsapparater kan användas vid ett brett spektrum av tryck
• Synergistisk effekt med andra tekniker, t.ex. elektrokemi (sono-elektrokemi), katalys (sono-katalys), kristallisation (sono-kristallisation) etc.
• Ultraljudsbehandling är idealisk för att förbättra bioreaktorer, t.ex. jäsning.
• Upplösning / upplösning: I upplösningsprocesser passerar partiklar från en fas till en annan, t.ex. när fasta partiklar löses upp i en vätska. Det har visat sig att graden av omrörning påverkar processens hastighet. Många små kristaller löses upp mycket snabbare under ultraljudskavitation än en i konventionellt omrörda satsreaktorer. Även här ligger orsaken till de olika hastigheterna i de olika massöverföringshastigheterna på partikelytor. Till exempel tillämpas ultraljud framgångsrikt för att skapa övermättade lösningar, t.ex. i kristallisationsprocesser (sono-kristallisation).
• Ultraljudsfrämjad kemisk extraktion:
  – Flytande-fast, t.ex. botanisk extraktion, kemisk extraktion
  – Vätska-vätska: När ultraljud appliceras på ett vätske-vätskeextraktionssystem skapas en emulsion av en av faserna i den andra. Denna bildning av emulsion leder till ökade gränsytor mellan de två oblandbara faserna, vilket resulterar i ett ökat massöverföringsflöde mellan faserna.

Hur förbättrar ultraljudsbehandling kemiska reaktioner i omrörda tankreaktorer?

• Större kontaktyta: I reaktioner mellan reaktanter i heterogena faser kan endast de partiklar som kolliderar med varandra vid gränsytan reagera. Ju större gränssnittet är, desto fler kollisioner kan inträffa. När en flytande eller fast del av ett ämne bryts ner till mindre droppar eller fasta partiklar suspenderade i en kontinuerlig fasvätska, ökar ytan på detta ämne. Dessutom, som ett resultat av storleksminskningen, ökar antalet partiklar och därför minskar det genomsnittliga avståndet mellan dessa partiklar. Detta förbättrar exponeringen av den kontinuerliga fasen för den dispergerade fasen. Därför ökar reaktionshastigheten med graden av fragmentering av dispergeringsfasen. Många kemiska reaktioner i dispersioner eller emulsioner visar drastiska förbättringar av reaktionshastigheten som ett resultat av minskning av ultraljudspartikelstorleken.
• Katalys (aktiveringsenergi): Katalysatorer är av stor betydelse i många kemiska reaktioner, i laboratorieutveckling och i industriell produktion. Ofta är katalysatorer i fast eller flytande fas och oblandbara med en reaktant eller alla reaktanter. Därför är katalys oftast en heterogen kemisk reaktion. Vid framställning av de viktigaste baskemikalierna som svavelsyra, ammoniak, salpetersyra, eten och metanol spelar katalysatorer en viktig roll. Stora delar av miljötekniken bygger på katalytiska processer. En kollision mellan partiklar leder till en kemisk reaktion, dvs. en omgruppering av atomer, endast om partiklarna kolliderar med tillräcklig kinetisk energi. Ultraljud är ett mycket effektivt sätt att öka kinetiken i kemiska reaktorer. I en heterogen katalysprocess kan tillsats av ultraljud till en kemisk reaktordesign sänka kravet på en katalysator. Detta kan resultera i användning av mindre katalysatorer eller sämre, mindre ädla katalysatorer.
• Högre frekvens av kontakt / Förbättrad massöverföring: Ultraljudsblandning och omrörning är en mycket effektiv metod för att generera små droppar och partiklar (dvs. submikron och nanopartiklar), som erbjuder en högre aktiv yta för reaktioner. Under den extra intensiva omrörningen och mikrorörelsen som orsakas av kraft-ultraljud ökar frekvensen av kontakt mellan partiklar drastiskt, vilket resulterar i en avsevärt förbättrad omvandlingsfrekvens.
• Komprimerad plasma: För många reaktioner gör en ökning av reaktortemperaturen med 10 Kelvin att reaktionshastigheten ungefär fördubblas. Ultraljudskavitation producerar lokaliserade mycket reaktiva hotspots på upp till 5000K i vätskan, utan betydande uppvärmning av den totala vätskevolymen i den kemiska reaktorn.
• Värmeenergi: All ultraljudsenergi som du lägger till en kemisk reaktordesign kommer slutligen att omvandlas till termisk energi. Därför kan du återanvända energin för den kemiska processen. Istället för en termisk energitillförsel av värmeelement eller ånga, introducerar ultraljud en process som aktiverar mekanisk energi med hjälp av högfrekventa vibrationer. I den kemiska reaktorn producerar detta ultraljudskavitation som aktiverade den kemiska processen på flera nivåer. Slutligen resulterar den enorma ultraljudsskjuvningen av kemikalierna omvandlingen till termisk energi, dvs. värme. Du kan använda mantlade satsreaktorer eller inline-reaktorer för kylning för att upprätthålla en konstant processtemperatur för din kemiska reaktion.

Högpresterande ultraljudsapparater för förbättrade kemiska reaktioner i CSTR

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudshomogenisatorer och dispergeringsmedel för integrering i kontinuerliga omrörda tankreaktorer (CSTR). Hielscher ultraljud används över hela världen för att främja, intensifiera, påskynda och förbättra kemiska reaktioner.
Hielscher Ultrasonics’ Ultraljudsprocessorer finns i alla storlekar, från små laboratorieenheter till stora industriella processorer för flödeskemiska tillämpningar. Exakt justering av ultraljudsamplituden (som är den viktigaste parametern) gör det möjligt att använda Hielscher ultraljudsapparater vid låga till mycket höga amplituder och att finjustera amplituden exakt till de nödvändiga ultraljudsprocessförhållandena för det specifika kemiska reaktionssystemet.
Hielschers ultraljudsgenerator har en smart programvara med automatisk dataprotokollering. Alla viktiga bearbetningsparametrar som ultraljudsenergi, temperatur, tryck och tid lagras automatiskt på ett inbyggt SD-kort så snart enheten slås på.
Processövervakning och dataregistrering är viktiga för kontinuerlig processstandardisering och produktkvalitet. Genom att komma åt automatiskt inspelade processdata kan du revidera tidigare ultraljudsbehandling körningar och utvärdera resultatet.
En annan användarvänlig funktion är webbläsarens fjärrkontroll till våra digitala ultraljudssystem. Via fjärrkontrollen kan du starta, stoppa, justera och övervaka din ultraljudsprocessor på distans var som helst.
Kontakta oss nu för att lära dig mer om våra högpresterande ultraljudshomogenisatorer som kan förbättra din kontinuerligt omrörda tankreaktor (CSTR)!
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: