Kontinuerligt omrörda tankreaktorer (CSTR) tillämpas ofta för olika kemiska reaktioner inklusive katalys, emulsionskemi, polymerisation, syntes, extraktion och kristallisering. Långsam reaktion kinetik är ett vanligt problem i CSTR, som lätt kan övervinnas genom tillämpning av power-ultraljud. Den intensiva blandningen, agitation och de sonokemiska effekterna av power-ultraljud påskynda reaktion kinetik och förbättra konverteringshastigheten avsevärt. Ultrasonicators kan enkelt integreras i CSTR av vilken volym som helst.

Varför applicera power-ultraljud på en kontinuerligt rörd tankreaktor?

En kontinuerligt omrörd tankreaktor (CSTR, eller helt enkelt omrörd tankreaktor (STR)) är i sina huvudsakliga egenskaper ganska lik batchreaktorn. Den största skillnaden är att för den kontinuerliga omrörda tankreaktorn (CSTR) måste matningen av material tillhandahållas i kontinuerligt flöde in i och ut ur reaktorn. Matning av reaktorn kan uppnås genom gravitationsflöde eller forcerad cirkulationsflöde med hjälp av en pump. CSTR kallas ibland en back-mixed flödesreaktor (BMR).
CSTR används ofta vid agitation av två eller flera vätskor. CSTR kan användas som en enda reaktor eller installeras som en serie konfigurationer för olika koncentrationsströmmar och reaktionssteg. Förutom användningen av en enda tankreaktor används vanligtvis serieinstallationen av olika tankar (en efter varandra) eller kaskadinställningen.
Varför ultraljud? Ultraljud blandning och agitation samt sonochemical effekter av makt ultraljud är välkända för att bidra till effektiviteten av kemiska reaktioner. Den förbättrade blandningen och partikelstorleksminskningen på grund av ultraljudsvibrationer och kavitation ger en signifikant accelererad kinetik och förbättrad konverteringshastighet. Sonokemiska effekter kan ge den energi som krävs för att initiera kemiska reaktioner, byta kemiska vägar och ge högre utbyten på grund av en mer fullständig reaktion.

Ultraljud-intensifierade CSTR kan användas för applikationer såsom:

• Heterogena vätske-flytande reaktioner
• Heterogena reaktioner på fast vätska
• Homogena reaktioner i vätskefasen
• Heterogena gas-flytande reaktioner
• Heterogena gasfasta vätskereaktioner

Ultraljud som höghastighets syntetiskt kemiskt system

Syntetisk höghastighetskemi 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, ultraljud-främjade syntes reaktorer kan minimera reaktion varaktighet till några minuter vilket resulterar i en betydande accelererad syntes reaktion. Ultraljud syntes intensifiering är baserad på arbetsprincipen för akustisk kavitation och dess relaterade krafter inklusive lokalt begränsad överhettning. Läs mer om ultraljud, akustisk kavitation och sonochemistry i nästa avsnitt.

Ultraljud kavitation och dess sonokemiska effekter

Ultraljud (eller akustisk) kavitation uppstår när kraft ultraljud är kopplade till vätskor eller slam. Kavitation är övergången från en vätskefas till en ångfas, som uppstår på grund av ett tryckfall ner till nivån av vätskans ångspänning.
Ultraljud kavitation skapar mycket höga skjuvning krafter och flytande jets med upp till 1000m/s. Dessa vätskestrålar accelererar partiklar och orsakar kollisioner mellan partiklar och minskar därmed partikelstorleken på fasta ämnen och droppar. Dessutom – lokaliseras inom och i närheten av imploderande kavitationsbubblan – extremt högt tryck på ordningen av hundratals atmosfärer och temperaturer i storleksordningen tusentals grader Kelvin genereras.
Även om ultraljud är en rent mekanisk bearbetningsmetod, Det kan producera en lokalt begränsad extrem temperaturökning. Detta beror på de intensiva krafter som genereras inom och i närheten av de kollapsande kavitationsbubblorna, där lätt temperaturer på flera tusentals grader Celsius kan nås. I bulklösningen är temperaturökningen som härrör från en enda bubbla implosion nästan försumbar, men värmeavledning från många kavitation bubblor som observerats i kavitation hot-spots (som genereras av ultraljudsbehandling med hög effekt ultraljud) kan äntligen orsaka en mätbar temperatur ökning av bulktemperaturen. Fördelen med ultraljud och sonochemistry ligger i de kontrollerbara temperatureffekterna under bearbetning: Temperaturkontroll av bulklösningen kan uppnås genom att använda tankar med kylmantlar samt pulsad ultraljudsbehandling. Hielscher Ultrasonics sofistikerade ultraljud kan pausa ultraljudet när en övre temperaturgräns uppnås och fortsätta med ultraljud så snart det lägre värdet av en uppsättning ∆T uppnås. Detta är särskilt viktigt när värmekänsliga reaktanter används.

Sonochemistry förbättrar reaktionskinetik

Eftersom ultraljudsbehandling genererar intensiva vibrationer och kavitation, påverkas kemisk kinetik. Kinetiken i ett kemiskt system korrelerar nära med kavitationsbubblan expansion och implosion, varigenom påverkar dynamiken i bubbelrörelse avsevärt. Upplösta 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 bubbla kollaps i kavitation tomrummet; de kemiska effekterna ändrar effekterna av gaser, som är direkt involverade i en reaktion.
Heterogena och homogena reaktioner med långsam reaktion kinetik inklusive Suzuki kopplingsreaktioner, nederbörd, kristallisering och emulsion kemi är förutbestämda att initieras och främjas genom power-ultraljud och dess sonochemical effekter.
Till exempel, för syntesen av ferulsyra, lågfrekvent (20kHz) ultraljudsbehandling vid en effekt av 180 W gav en 94% ferulsyra utbyte vid 60 °C i 3 h. (2018) visar att användningen av låg frekvens (horntyp och högeffektsbestrålning) förbättrade konverteringsfrekvensen avsevärt vilket gav avkastning högre än 90%.

Ultraljud intensifierad emulsionskemi

Heterogena reaktioner som emulsionskemi drar stor nytta av tillämpningen av power ultraljud. Ultraljud kavitation minskade och distribuerade dropparna i varje fas homogent inom varandra skapa en sub-micron eller nano-emulsion. Eftersom dropparna i nanostorlek erbjuder en drastiskt ökad yta för att interagera med olika droppar förbättras massöverföringen och reaktionshastigheten avsevärt. Under ultraljudsbehandling, reaktioner kända för deras vanligtvis långsamma kinetik visar dramatiskt förbättrade konverteringsfrekvenser, högre utbyten, mindre biprodukter eller avfall och bättre övergripande effektivitet. Ultraljud förbättrad emulsion kemi tillämpas ofta för emulsioner polymerisering, t.ex. för att producera polymer blandningar, 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 multifasiska, heterogena kemiska reaktioner och har långsam reaktionskinetik, är reaktorrörning och processaktivering väsentliga faktorer för framgångsrik kemisk omvandling och för ekonomiska (operativa) kostnader för den kemiska reaktorn.
Ultraljud förbättrar reaktion kinetik av flytande-flytande och flytande-fasta kemiska reaktioner i kemiska sats reaktorer och infogade reaktion fartyg avsevärt. Därför kan integrationen av ultraljudssonder i en kemisk reaktor minska reaktorkostnaderna och förbättra den totala effektiviteten och kvaliteten på slutprodukten.
Mycket ofta saknar kemireaktorteknik kunskap om ultraljudsassisterad processförbättring. Utan djup kunskap om påverkan av kraft ultraljud, ultraljud agitation, akustisk kavitation och sonokemiska effekter på kemiska reaktor prestanda, kemiska reaktor analys och konventionella design grunder kan producera endast sämre resultat. Nedan får du en översikt över de grundläggande fördelarna med ultraljud för kemisk reaktordesign och optimering.

Fördelarna med ultraljud intensifierad kontinuerlig omrörd tankreaktor (CSTR)

• • Ultraljud förbättrade reaktorer för labb och produktion:
    Enkel skalbarhet: Ultraljud processorer är lätt tillgängliga för labbstorlek, pilot och storskalig produktion
    Reproducerbar/repeterbar resultat på grund av exakt kontrollerbara ultraljudsparametrar
    Kapacitet och reaktionshastighet: ultraljud intensifierade reaktioner är snabbare och därmed mer ekonomiska (lägre kostnader)
  • Sonochemistry är tillämpligt för allmänna såväl som speciella ändamål

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

• Ultraljud kan användas i explosiva miljöer
  – rening (t.ex. kvävefilt)
  – ingen öppen yta
• Enkel rengöring: självrengöring (CIP – ren på plats)
• Välj önskade byggmaterial
  – glas, rostfritt stål, titan
  – inga roterande tätningar
  – brett urval av tätningsmedel
• Ultraljudspumpar kan användas i ett brett spektrum av temperaturer
• Ultraljudsatorer kan användas vid ett brett spektrum av tryck
• Synergistisk effekt med andra tekniker, t.ex. elektrokemi (sono-elektrokemi), katalys (sono-katalys), kristallisering (sono-kristallisering) 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 finns att graden av agitation påverkar processens hastighet. Många små kristaller löses upp mycket snabbare under ultraljud kavitation än en i konventionellt rörda batch reaktorer. Även här ligger orsaken till olika hastigheter i de olika massöverföringshastigheterna vid partikelytor. Till exempel tillämpas ultraljud framgångsrikt för att skapa övermättade lösningar, t.ex. i kristalliseringsprocesser (sono-kristallisering).
• Ultraljud-främjade kemiska extraktion:
  – Flytande fast, t.ex. botanisk extraktion, kemisk extraktion
  – Flytande vätska: När ultraljud appliceras på ett vätske-flytande extraktionssystem skapas en emulsion av en av faserna i den andra. Denna emulsion leder till ökade interfacial områden mellan de två omisskännliga faserna vilket resulterar i ett förbättrat 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 gränssnittet reagera. Ju större gränssnittet är, desto fler kollisioner kan inträffa. Eftersom en flytande eller fast del av ett ämne bryts i mindre droppar eller fasta partiklar upphängda i en kontinuerlig fasvätska ökar ytan på detta ämne. Dessutom ökar antalet partiklar till följd av storleksminskningen och därför minskar det genomsnittliga avståndet mellan dessa partiklar. Detta förbättrar exponeringen av den kontinuerliga fasen för den spridda fasen. Därför ökar reaktionshastigheten med graden av fragmentering av spridningsfasen. Många kemiska reaktioner i dispersioner eller emulsioner visar drastiska förbättringar i reaktionshastigheten som ett resultat av ultraljud partikel storlek minskning.
• Katalys (aktiveringsenergi): Katalysatorer är av stor betydelse i många kemiska reaktioner, i labbutveckling och i industriell produktion. Ofta är katalysatorer i fast eller flytande fas och omisskännliga med en reaktant eller alla reaktanter. Därför är katalys oftare än inte en heterogen kemisk reaktion. Vid produktion av de viktigaste baskemikalierna som svavelsyra, ammoniak, salpetersyra, etanol och metanol spelar katalysatorer en viktig roll. Stora områden av miljöteknik bygger på katalytiska processer. En kollision av partiklar leder till en kemisk reaktion, dvs. 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 katalysator eller sämre, mindre ädla katalysatorer.
• Högre kontaktfrekvens / Förbättrad massöverföring: Ultraljud blandning och agitation är en mycket effektiv metod för att generera minimala droppar och partiklar (dvs. sub-mikron och nanopartiklar), som erbjuder en högre aktiv yta för reaktioner. Under den ytterligare intensiva agitation och mikro-rörelse orsakas av power-ultraljud, frekvensen av inter-partikel kontakt ökas drastiskt vilket resulterar i en betydligt förbättrad konverteringsfrekvens.
• Komprimerad plasma: För många reaktioner orsakar en 10 Kelvin ökning av reaktortemperaturen reaktionshastigheten ungefär dubbelt så hög. Ultraljud kavitation 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 äntligen att omvandlas till termisk energi. Därför kan du återanvända energin för den kemiska processen. I stället för en termisk energitillförsel genom värmeelement eller ånga introducerar ultraljud en process som aktiverar mekanisk energi med hjälp av högfrekventa vibrationer. I den kemiska reaktorn producerar detta ultraljud kavitation som aktiverade den kemiska processen på flera nivåer. Slutligen resulterar den enorma ultraljudssjuvningen av kemikalierna omvandlingen till termisk energi, dvs värme. Du kan använda reaktorer med mantlade partier eller inline-reaktorer för kylning för att bibehålla en konstant processtemperatur för din kemiska reaktion.

Högpresterande ultraljud för förbättrade kemiska reaktioner i CSTR

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljud homogenisatorer och dispersorer för integration i kontinuerliga omrörda tankreaktorer (CSTR). Hielscher ultrasonicators används över hela världen för att främja, intensifiera, påskynda och förbättra kemiska reaktioner.
Hielscher Ultrasonics’ ultraljud processorer är tillgängliga i alla storlekar från små labb enheter till stora industriella processorer för flöde kemi applikationer. Exakt justering av ultraljud amplitud (som är den viktigaste parametern) gör det möjligt att använda Hielscher ultrasonicators vid låga till mycket höga amplituder och finjustera amplituden exakt till de nödvändiga ultraljud process villkoren i 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 är påslagen.
Processövervakning och dataregistrering är viktiga för kontinuerlig processstandardisering och produktkvalitet. Genom att komma åt automatiskt inspelade processdata kan du ändra tidigare ultraljudsbehandlings körningar och utvärdera resultatet.
En annan användarvänlig funktion är webbläsarens fjärrkontroll av våra digitala ultraljudssystem. Via fjärrkontroll 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 ultraljud homogenisatorer kan förbättra din kontinuerligt omrörda tankreaktor (CSTR)!
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: