Kontinuerligt omrörda tankreaktorer med ultraljudsomrörning

Kontinuerligt omrörda tankreaktorer (CSTR) används i stor utsträckning för olika kemiska reaktioner, däribland katalys, emulsionskemi, polymerisation, syntes, extraktion och kristallisation. Långsam reaktionskinetik är ett vanligt problem i CSTR, som enkelt kan övervinnas genom behandling med högeffektsultraljud. Den intensiva blandningen, omrörningen och de sonokemiska effekterna av högeffektsultraljud påskyndar reaktionskinetiken och förbättrar omsättningsgraden avsevärt. Ultraljudsapparater kan enkelt integreras i CSTR av alla volymer.

Varför använda högeffektsultraljud i en kontinuerligt omrörd tankreaktor?

En kontinuerligt omrörd tankreaktor (CSTR, eller helt enkelt omrörd tankreaktor (STR)) liknar i sina huvudsakliga egenskaper en satsreaktor. Den viktigaste skillnaden är att materialet i en kontinuerligt omrörd tankreaktor (CSTR) måste tillföras och avledas i ett kontinuerligt flöde. Matningen till reaktorn kan ske genom självfall eller genom tvångscirkulation med en pump. CSTR kallas ibland en återblandad flödesreaktor (BMR).
CSTR används vanligen när två eller flera vätskor behöver omröras. CSTR kan användas som enskilda reaktorer eller installeras i en serie konfigurationer för strömmar med olika koncentrationer och olika reaktionssteg. Utöver användningen av en enskild tankreaktor är det vanligt att installera flera tankar i serie (efter varandra) eller i en kaskadkonfiguration.
Varför ultraljudsbehandling? Det är väl känt att blandning och omrörning med ultraljud samt de sonokemiska effekterna av högeffektsultraljud bidrar till kemiska reaktioners effektivitet. Den förbättrade blandningen och partikelstorleksminskningen till följd av ultraljudsvibrationer och kavitation ger avsevärt snabbare kinetik och högre omsättningsgrad. Sonokemiska effekter kan tillföra den energi som krävs för att initiera kemiska reaktioner, ändra kemiska reaktionsvägar och ge högre utbyten genom en mer fullständig reaktion.

CSTR med ultraljudsintensifiering kan användas för tillämpningar som:

• Heterogena vätska–vätska-reaktioner
• Heterogena fast fas–vätska-reaktioner
• Homogena reaktioner i vätskefas
• Heterogena gas–vätska-reaktioner
• Heterogena gas–fast fas–vätska-reaktioner

Ultraljudsbehandling som höghastighetssystem för kemisk syntes

Kemisk syntes med hög hastighet är en ny reaktionsteknik som används för att initiera och intensifiera kemisk syntes. Jämfört med traditionella reaktionsvägar, som kräver flera timmar eller dagar under återflöde, kan ultraljudsassisterade syntesreaktorer minimera reaktionstiden till några minuter, vilket ger en avsevärt snabbare syntesreaktion. Intensifiering av syntes med ultraljud bygger på funktionsprincipen för akustisk kavitation och de krafter som är förknippade med den, inklusive lokalt begränsad överhettning. Läs mer om ultraljud, akustisk kavitation och sonokemi i nästa avsnitt.

Ultraljudskavitation och dess sonokemiska effekter

Ultraljudskavitation (eller akustisk kavitation) uppstår när högeffektsultraljud kopplas in i vätskor eller slurryer. Kavitation är övergången från en vätskefas till en ångfas, som uppstår när trycket sjunker till vätskans ångtryck.
Ultraljudskavitation skapar mycket höga skjuvkrafter och vätskestrålar med hastigheter på upp till 1000m/s. Dessa vätskestrålar accelererar partiklar och orsakar kollisioner mellan partiklarna, vilket minskar storleken på fasta partiklar och droppar. Dessutom genereras – lokalt inuti och i omedelbar närhet av den imploderande kavitationsbubblan – extremt höga tryck i storleksordningen hundratals atmosfärer och temperaturer i storleksordningen tusentals kelvingrader.
Även om ultraljudsbehandling är en rent mekanisk bearbetningsmetod kan den ge en lokalt begränsad, extrem temperaturökning. Detta beror på de intensiva krafter som genereras inuti och i omedelbar närhet av de kollapsande kavitationsbubblorna, där temperaturer på flera tusen grader Celsius lätt kan uppnås. I lösningens huvudvolym är temperaturökningen från en enskild bubbelimplosion nästan försumbar, men värmeavgivningen från ett stort antal kavitationsbubblor, som observeras i kavitationens heta punkter (vilka genereras vid behandling med högeffektsultraljud), kan till slut orsaka en mätbar ökning av temperaturen i huvudvolymen. Fördelen med ultraljudsbehandling och sonokemi ligger i de kontrollerbara temperatureffekterna under bearbetningen: Temperaturen i lösningens huvudvolym kan regleras med hjälp av tankar med kylmantlar samt pulsad ultraljudsbehandling. Hielscher Ultrasonics avancerade ultraljudsapparater kan pausa ultraljudet när en övre temperaturgräns nås och fortsätta ultraljudsbehandlingen så snart det lägre värdet för ett inställt ∆T nås. Detta är särskilt viktigt när värmekänsliga reaktanter används.

Sonokemi förbättrar reaktionskinetiken

Eftersom ultraljudsbehandling genererar intensiva vibrationer och kavitation påverkas den kemiska kinetiken. Kinetiken i ett kemiskt system är nära kopplad till kavitationsbubblans expansion och implosion, vilket avsevärt påverkar dynamiken i bubblans rörelse. Lösta gaser i den kemiska reaktionslösningen påverkar egenskaperna hos en sonokemisk reaktion genom både termiska och kemiska effekter. De termiska effekterna påverkar de topptemperaturer som uppnås inne i kavitationshålrummet när bubblan kollapsar; de kemiska effekterna modifierar effekterna av gaser som är direkt involverade i en reaktion.
Heterogena och homogena reaktioner med långsam reaktionskinetik, däribland Suzuki-kopplingsreaktioner, utfällning, kristallisation och emulsionskemi, är särskilt lämpade att initieras och främjas med högeffektsultraljud och dess sonokemiska effekter.
Vid syntes av ferulasyra gav exempelvis lågfrekvent ultraljudsbehandling (20kHz) med en effekt på 180 W ett ferulasyrautbyte på 94% vid 60°C på 3 h. Dessa resultat från Truong et al. (2018) visar att användningen av låg frekvens (sonotrod av horntyp och bestrålning med hög effekt) förbättrade omsättningsgraden avsevärt och gav utbyten högre än 90%.

Ultraljudsintensifierad emulsionskemi

Heterogena reaktioner såsom emulsionskemiska reaktioner gynnas avsevärt av användningen av högeffektsultraljud. Ultraljudskavitation minskade droppstorleken och fördelade dropparna från respektive fas homogent i varandra, vilket skapade en submikron- eller nanoemulsion. Eftersom de nanostora dropparna erbjuder en drastiskt ökad yta för interaktion med andra droppar förbättras massöverföringen och reaktionshastigheten avsevärt. Vid ultraljudsbehandling uppvisar reaktioner som är kända för sin vanligtvis långsamma kinetik dramatiskt förbättrade omsättningsgrader, högre utbyten, mindre mängder biprodukter eller avfall och bättre total effektivitet. Ultraljudsförbättrad emulsionskemi används ofta för emulsionspolymerisation, till exempel för att framställa polymerblandningar, vattenbaserade 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 utformningen av reaktorn. Om din kemiska process omfattar heterogena kemiska reaktioner i flera faser och har långsam reaktionskinetik är omrörning i reaktorn och processaktivering avgörande faktorer för framgångsrik kemisk omsättning och ekonomiska (drifts)kostnader för den kemiska reaktorn.
Ultraljudsbehandling förbättrar avsevärt reaktionskinetiken för kemiska vätska–vätska- och vätska–fastfasreaktioner i kemiska satsreaktorer och inline-reaktionskärl. Därför kan integrering av ultraljudssonder i en kemisk reaktor minska reaktorkostnaderna och förbättra den totala effektiviteten och slutproduktens kvalitet.
Inom konstruktion av kemiska reaktorer saknas mycket ofta kunskap om ultraljudsassisterad processförbättring. Utan ingående kunskap om hur högeffektsultraljud, ultraljudsomrörning, akustisk kavitation och sonokemiska effekter påverkar kemiska reaktorers prestanda kan analys av kemiska reaktorer och konventionella konstruktionsprinciper endast ge undermåliga resultat. Nedan får du en översikt över de grundläggande fördelarna med ultraljud vid utformning och optimering av kemiska reaktorer.

Fördelarna med en ultraljudsintensifierad kontinuerlig omrörd tankreaktor (CSTR)

• • Ultraljudsförbättrade reaktorer för laboratorium och produktion:
    Enkel skalbarhet: Ultraljudsprocessorer finns lätt tillgängliga för laboratorieskala, pilotskala och storskalig produktion
    Reproducerbara / upprepbara resultat tack vare exakt styrbara ultraljudsparametrar
    Kapacitet och reaktionshastighet: ultraljudsintensifierade reaktioner är snabbare och därmed mer ekonomiska (lägre kostnader)
  • Sonokemi kan användas för såväl allmänna som särskilda ändamål

– anpassningsbarhet och mångsidighet, till exempel flexibla installations- och konfigurationsalternativ och tvärvetenskaplig användning

• Ultraljudsbehandling kan användas i explosionsfarliga miljöer
  – spolning med gas (till exempel kvävgastäcke)
  – ingen öppen yta
• Enkel rengöring: självrengöring (CIP – rengöring på plats)
• Välj de konstruktionsmaterial du föredrar
  – glas, rostfritt stål, titan
  – inga roterande tätningar
  – stort urval av tätningsmedel
• Ultraljudsapparater kan användas inom ett brett temperaturområde
• Ultraljudsapparater kan användas inom ett brett tryckområde
• Synergieffekt med andra tekniker, till exempel elektrokemi (sonoelektrokemi), katalys (sonokatalys), kristallisation (sonokristallisation) etc.
• Ultraljudsbehandling är idealisk för att förbättra bioreaktorer, till exempel vid fermentering.
• Upplösning / att lösa upp: I upplösningsprocesser övergår partiklar från en fas till en annan, till exempel när fasta partiklar löses upp i en vätska. Man har funnit att graden av omrörning påverkar processens hastighet. Många små kristaller löses upp mycket snabbare vid ultraljudskavitation än en enda i konventionellt omrörda satsreaktorer. Även här ligger orsaken till de olika hastigheterna i de olika massöverföringshastigheterna vid partikelytorna. Ultraljudsbehandling används till exempel framgångsrikt för att skapa övermättade lösningar, bland annat i kristallisationsprocesser (sonokristallisation).
• Ultraljudsfrämjad kemisk extraktion:
  – Vätska–fast ämne, t.ex. botanisk extraktion, kemisk extraktion
  – Vätska–vätska: När ultraljud används i ett extraktionssystem av typen vätska–vätska bildas en emulsion av den ena fasen i den andra. Denna emulsionsbildning leder till större gränsytor mellan de två oblandbara faserna, vilket resulterar i ett ökat massöverföringsflöde mellan faserna.

Hur förbättrar ultraljudsbehandling kemiska reaktioner i omrörda tankreaktorer?

• Större kontaktyta: Vid reaktioner mellan reaktanter i heterogena faser kan endast de partiklar som kolliderar med varandra vid gränsytan reagera. Ju större gränsytan är, desto fler kollisioner kan inträffa. När en flytande eller fast del av ett ämne sönderdelas till mindre droppar eller fasta partiklar som är suspenderade i en vätska som utgör den kontinuerliga fasen, ökar ämnets yta. Dessutom ökar antalet partiklar till följd av storleksminskningen, och därmed minskar det genomsnittliga avståndet mellan dessa partiklar. Detta ökar den kontinuerliga fasens exponering för den dispergerade fasen. Därför ökar reaktionshastigheten med den dispergerade fasens fragmenteringsgrad. Många kemiska reaktioner i dispersioner eller emulsioner uppvisar drastiska förbättringar av reaktionshastigheten till följd av partikelstorleksminskning med ultraljud.
• Katalys (aktiveringsenergi): Katalysatorer har stor betydelse i många kemiska reaktioner, vid utvecklingsarbete i laboratorier och inom industriell produktion. Katalysatorer befinner sig ofta i fast eller flytande fas och är oblandbara med en reaktant eller med samtliga reaktanter. Därför är katalys oftast en heterogen kemisk reaktion. Vid framställning av de viktigaste baskemikalierna, såsom 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. Ultraljudsbehandling är ett mycket effektivt sätt att öka reaktionskinetiken i kemiska reaktorer. I en heterogen katalysprocess kan integrering av ultraljud i konstruktionen av en kemisk reaktor minska behovet av katalysator. Detta kan göra det möjligt att använda mindre mängd katalysator eller sämre, mindre ädla katalysatorer.
• Högre kontaktfrekvens / Förbättrad massöverföring: Blandning och omrörning med ultraljud är en mycket effektiv metod för att generera mycket små droppar och partiklar (dvs. submikrometer- och nanopartiklar), som erbjuder en större aktiv yta för reaktioner. Genom den ytterligare intensiva omrörningen och mikrorörelsen som orsakas av effektultraljud ökar frekvensen av kontakter mellan partiklar drastiskt, vilket resulterar i en avsevärt förbättrad omsättningsgrad.
• Komprimerad plasma: För många reaktioner medför en ökning av reaktortemperaturen med 10 kelvin att reaktionshastigheten ungefär fördubblas. Ultraljudskavitation skapar lokala, mycket reaktiva hetzoner med temperaturer på upp till 5000K i vätskan, utan någon betydande uppvärmning av den totala vätskevolymen i den kemiska reaktorn.
• Termisk energi: All ultraljudsenergi som du tillför en kemisk reaktorkonstruktion omvandlas till slut till termisk energi. Därför kan du återanvända energin för den kemiska processen. I stället för att tillföra termisk energi med värmeelement eller ånga tillför ultraljudsbehandling mekanisk energi som aktiverar processen genom högfrekventa vibrationer. I den kemiska reaktorn skapar detta ultraljudskavitation som aktiverar den kemiska processen på flera nivåer. Till slut leder den mycket kraftiga skjuvningen av kemikalierna genom ultraljud till omvandling till termisk energi, dvs. värme. Du kan använda mantlade satsreaktorer eller inline-reaktorer för kylning för att hålla en konstant processtemperatur för din kemiska reaktion.

Högpresterande ultraljudsapparater för förbättrade kemiska reaktioner i CSTR

Hielscher Ultrasonics konstruerar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudshomogenisatorer och dispergeringsapparater för integrering i kontinuerliga omrörda tankreaktorer (CSTR). Hielschers ultraljudsapparater används över hela världen för att främja, intensifiera, påskynda och förbättra kemiska reaktioner.
Ultraljudsprocessorer från Hielscher Ultrasonics finns i alla storlekar, från små laboratorieapparater till stora industriella processorer för flödeskemi. Exakt inställning av ultraljudsamplituden (som är den viktigaste parametern) gör det möjligt att använda Hielschers ultraljudsapparater vid låga till mycket höga amplituder och att finjustera amplituden exakt efter de ultraljudsprocessbetingelser som krävs för det specifika kemiska reaktionssystemet.
Hielschers ultraljudsgenerator har en smart programvara med automatisk dataloggning. Alla viktiga processparametrar såsom ultraljudsenergi, temperatur, tryck och tid lagras automatiskt på ett inbyggt SD-kort så snart apparaten slås på.
Processövervakning och dataregistrering är viktiga för fortlöpande standardisering av processen och för produktkvaliteten. Genom att öppna de automatiskt registrerade processdata kan du granska tidigare ultraljudsbehandlingar och utvärdera resultaten.
En annan användarvänlig funktion är fjärrstyrningen av våra digitala ultraljudssystem via webbläsare. Via fjärrstyrning i webbläsaren kan du starta, stoppa, justera och övervaka din ultraljudsprocessor på distans, var du än befinner dig.
Kontakta oss nu för att få veta mer om hur våra högpresterande ultraljudshomogenisatorer kan förbättra din kontinuerliga omrörda tankreaktor (CSTR)!
Tabellen nedan ger dig en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: