Ultrasonla Karıştırılan Sürekli Karıştırmalı Tank Reaktörleri

Sürekli karıştırmalı tank reaktörleri (CSTR), kataliz, emülsiyon kimyası, polimerizasyon, sentez, ekstraksiyon ve kristalizasyon dahil olmak üzere çeşitli kimyasal reaksiyonlarda yaygın olarak kullanılır. Yavaş reaksiyon kinetiği, CSTR sistemlerinde sık karşılaşılan ve güç ultrasonikasyonu uygulanarak kolayca aşılabilen bir sorundur. Güç ultrasonunun yoğun karıştırma, çalkalama ve sonokimyasal etkileri, reaksiyon kinetiğini hızlandırır ve dönüşüm oranını önemli ölçüde artırır. Sonikatörler, her hacimdeki CSTR sistemlerine kolayca entegre edilebilir.

Sürekli Karıştırmalı Tank Reaktörüne Neden Güç Ultrasonu Uygulanmalı?

Sürekli karıştırmalı tank reaktörü (CSTR veya kısaca karıştırmalı tank reaktörü (STR)), temel özellikleri bakımından kesikli reaktöre oldukça benzerdir. En önemli fark, sürekli karıştırmalı tank reaktörü (CSTR) düzeninde malzemenin reaktöre girişinin ve reaktörden çıkışının sürekli akışla sağlanması gerektiğidir. Reaktörün beslenmesi, yerçekimiyle akış yoluyla veya bir pompa kullanılarak zorlanmış sirkülasyon akışıyla sağlanabilir. CSTR, bazen geri karışımlı akış reaktörü (BMR) olarak adlandırılır.
CSTR sistemleri, iki veya daha fazla sıvının karıştırılması gerektiğinde yaygın olarak kullanılır. CSTR sistemleri tek reaktör olarak kullanılabilir veya farklı konsantrasyonlardaki akımlar ve reaksiyon aşamaları için bir dizi düzenleme halinde kurulabilir. Tek bir tank reaktörünün kullanımının yanı sıra, çeşitli tankların seri kurulumu (birbiri ardına) veya kaskad düzeni de yaygın olarak kullanılır.
Neden Ultrasonikasyon? Ultrasonik karıştırma ve çalkalamanın yanı sıra güç ultrasonunun sonokimyasal etkilerinin de kimyasal reaksiyonların verimliliğine katkıda bulunduğu iyi bilinmektedir. Ultrasonik titreşimler ve kavitasyon sayesinde iyileşen karıştırma ve küçülen parçacık boyutu, kinetiği önemli ölçüde hızlandırır ve dönüşüm oranını artırır. Sonokimyasal etkiler, kimyasal reaksiyonları başlatmak ve kimyasal reaksiyon yollarını değiştirmek için gereken enerjiyi sağlayabilir ve reaksiyonun daha eksiksiz gerçekleşmesi sayesinde daha yüksek verimler elde edilmesini mümkün kılabilir.

Ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış CSTR sistemleri, aşağıdaki gibi uygulamalarda kullanılabilir:

• Heterojen sıvı–sıvı reaksiyonları
• Heterojen katı–sıvı reaksiyonları
• Homojen sıvı faz reaksiyonları
• Heterojen gaz–sıvı reaksiyonları
• Heterojen gaz–katı–sıvı reaksiyonları

Yüksek Hızlı Sentetik Kimya Sistemi Olarak Ultrasonikasyon

Yüksek hızlı sentetik kimya, kimyasal sentezi başlatmak ve yoğunlaştırmak için kullanılan yeni bir reaksiyon tekniğidir. Reflüks altında birkaç saat veya gün gerektiren geleneksel reaksiyon yollarıyla karşılaştırıldığında, ultrasonik olarak desteklenen sentez reaktörleri reaksiyon süresini birkaç dakikaya indirebilir ve böylece sentez reaksiyonunu önemli ölçüde hızlandırabilir. Ultrasonik sentez yoğunlaştırma, akustik kavitasyonun çalışma prensibine ve bölgesel olarak sınırlı aşırı ısınma dahil olmak üzere bununla ilişkili kuvvetlere dayanır. Bir sonraki bölümde ultrason, akustik kavitasyon ve sonokimya hakkında daha fazla bilgi edinin.

Ultrasonik Kavitasyon ve Sonokimyasal Etkileri

Ultrasonik (veya akustik) kavitasyon, güç ultrasonu sıvılara veya bulamaçlara aktarıldığında meydana gelir. Kavitasyon, basıncın akışkanın buhar basıncı düzeyine düşmesi nedeniyle sıvı fazdan buhar fazına geçiştir.
Ultrasonik kavitasyon, çok yüksek kesme kuvvetleri ve hızı 1000m/s değerine kadar ulaşan sıvı jetleri oluşturur. Bu sıvı jetleri parçacıkları hızlandırır ve parçacıklar arası çarpışmalara neden olarak katıların ve damlacıkların parçacık boyutunu küçültür. Ayrıca – içe doğru çöken kavitasyon kabarcığının içinde ve hemen yakınında bölgesel olarak – yüzlerce atmosfer mertebesinde son derece yüksek basınçlar ve binlerce Kelvin derece mertebesinde sıcaklıklar oluşur.
Ultrasonikasyon tamamen mekanik bir işleme yöntemi olmasına rağmen, bölgesel olarak sınırlı aşırı bir sıcaklık artışı oluşturabilir. Bu durum, çöken kavitasyon kabarcıklarının içinde ve hemen yakınında oluşan yoğun kuvvetlerden kaynaklanır; bu bölgelerde birkaç bin santigrat derecelik sıcaklıklara kolayca ulaşılabilir. Çözeltinin genelinde, tek bir kabarcığın içe doğru çökmesinden kaynaklanan sıcaklık artışı neredeyse ihmal edilebilir düzeydedir; ancak kavitasyon sıcak noktalarında gözlemlendiği gibi (yüksek güçlü ultrasonla sonikasyon sonucunda oluşan), çok sayıda kavitasyon kabarcığından yayılan ısı, sonunda çözeltinin genel sıcaklığında ölçülebilir bir artışa neden olabilir. Ultrasonikasyon ve sonokimyanın avantajı, işleme sırasında kontrol edilebilen sıcaklık etkilerinde yatar: Çözeltinin genel sıcaklığı, soğutma ceketli tanklar ve darbeli sonikasyon kullanılarak kontrol edilebilir. Hielscher Ultrasonics şirketinin gelişmiş sonikatörleri, bir üst sıcaklık sınırına ulaşıldığında ultrasonu duraklatabilir ve ayarlanan bir ∆T değerinin alt değerine ulaşılır ulaşılmaz ultrasonikasyona devam edebilir. Bu, özellikle ısıya duyarlı reaktanlar kullanıldığında önemlidir.

Sonokimya Reaksiyon Kinetiğini İyileştirir

Sonikasyon yoğun titreşimler ve kavitasyon oluşturduğundan, kimyasal kinetik etkilenir. Bir kimyasal sistemin kinetiği, kavitasyon kabarcığının genişlemesi ve içe doğru çökmesiyle yakından ilişkilidir ve böylece kabarcık hareketinin dinamiklerini önemli ölçüde etkiler. Kimyasal reaksiyon çözeltisindeki çözünmüş gazlar, hem termal hem de kimyasal etkiler yoluyla bir sonokimyasal reaksiyonun özelliklerini etkiler. Termal etkiler, kavitasyon boşluğu içindeki kabarcık çökmesi sırasında ulaşılan tepe sıcaklıklarını etkiler; kimyasal etkiler ise reaksiyona doğrudan katılan gazların etkilerini değiştirir.
Suzuki eşleşme reaksiyonları, çöktürme, kristalizasyon ve emülsiyon kimyası dahil olmak üzere yavaş reaksiyon kinetiğine sahip heterojen ve homojen reaksiyonlar, güç ultrasonu ve bunun sonokimyasal etkileri yoluyla başlatılmaya ve desteklenmeye son derece uygundur.
Örneğin, ferulik asit sentezinde 180 W güçte düşük frekanslı (20kHz) sonikasyon, 60°C sıcaklıkta 3 h içinde %94 ferulik asit verimi sağlamıştır. Truong et al. (2018) tarafından elde edilen bu sonuçlar, düşük frekans kullanımının (horn tipi ve yüksek güçlü ışınlama) dönüşüm oranını önemli ölçüde artırarak %90 üzerinde verimler sağladığını göstermektedir.

Ultrasonik Olarak Yoğunlaştırılmış Emülsiyon Kimyası

Emülsiyon kimyası gibi heterojen reaksiyonlar, güç ultrasonu uygulamasından önemli ölçüde yararlanır. Ultrasonik kavitasyon, her fazın damlacıklarını küçültmüş ve birbirlerinin içinde homojen olarak dağıtarak mikron altı bir emülsiyon veya nanoemülsiyon oluşturmuştur. Nano boyutlu damlacıklar, farklı damlacıklarla etkileşim için büyük ölçüde artırılmış bir yüzey alanı sunduğundan, kütle aktarımı ve reaksiyon hızı önemli ölçüde iyileşir. Sonikasyon altında, tipik olarak yavaş kinetikleriyle bilinen reaksiyonlar, büyük ölçüde iyileşmiş dönüşüm oranları, daha yüksek verimler, daha az yan ürün veya atık ve daha iyi genel verimlilik sergiler. Ultrasonik olarak iyileştirilmiş emülsiyon kimyası, örneğin polimer karışımları, su bazlı yapıştırıcılar ve özel polimerler üretmek için emülsiyon polimerizasyonunda sıklıkla uygulanır.

Bir Kimyasal Reaktör Satın Almadan Önce Bilmeniz Gereken 10 Şey

Bir kimyasal proses için kimyasal reaktör seçerken, optimum kimyasal reaktör tasarımını etkileyen birçok faktör vardır. Kimyasal prosesiniz çok fazlı, heterojen kimyasal reaksiyonlar içeriyorsa ve yavaş reaksiyon kinetiğine sahipse, reaktörde karıştırma ve proses aktivasyonu, başarılı kimyasal dönüşüm ve kimyasal reaktörün ekonomik (işletme) maliyetleri açısından temel etkenlerdir.
Ultrasonikasyon, kimyasal kesikli reaktörlerde ve hat içi reaksiyon kaplarında sıvı–sıvı ve sıvı–katı kimyasal reaksiyonların kinetiğini önemli ölçüde iyileştirir. Bu nedenle, bir kimyasal reaktöre ultrasonik probların entegrasyonu, reaktör maliyetlerini azaltabilir ve genel verimliliği ve nihai ürünün kalitesini artırabilir.
Kimyasal reaktör mühendisliğinde, ultrason destekli proses iyileştirmesine ilişkin bilgi çoğu zaman eksiktir. Güç ultrasonunun, ultrasonik karıştırmanın, akustik kavitasyonun ve sonokimyasal etkilerin kimyasal reaktör performansı üzerindeki etkisine ilişkin derinlemesine bilgi olmadan, kimyasal reaktör analizi ve geleneksel tasarım esasları yalnızca daha düşük nitelikli sonuçlar üretebilir. Aşağıda, kimyasal reaktör tasarımı ve optimizasyonu için ultrasonik teknolojinin temel avantajlarına genel bir bakış bulacaksınız.

Ultrasonik Olarak Yoğunlaştırılmış Sürekli Karıştırmalı Tank Reaktörünün (CSTR) Avantajları

• • Laboratuvar ve üretim için ultrasonik olarak geliştirilmiş reaktörler:
    Kolay ölçeklendirme: Ultrasonik işlemciler, laboratuvar ölçeği, pilot üretim ve büyük ölçekli üretim için kolayca temin edilebilir
    Yeniden üretilebilir / tekrarlanabilir sonuçlar – hassas biçimde kontrol edilebilen ultrasonik parametreler sayesinde
    Kapasite ve reaksiyon hızı: ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış reaksiyonlar daha hızlıdır ve bu nedenle daha ekonomiktir (daha düşük maliyetler)
  • Sonokimya, hem genel hem de özel amaçlar için uygulanabilir

– uyarlanabilirlik ve çok yönlülük, örneğin esnek kurulum ve düzenleme seçenekleri ve disiplinler arası kullanım

• Ultrasonikasyon, patlayıcı ortamlarda kullanılabilir
  – gazla süpürme (örneğin azot örtüsü)
  – açık yüzey bulunmaması
• Basit temizlik: kendi kendini temizleme (CIP – yerinde temizleme)
• Tercih ettiğiniz yapı malzemelerini seçin
  – cam, paslanmaz çelik, titanyum
  – döner salmastra bulunmaması
  – geniş sızdırmazlık malzemesi seçenekleri
• Sonikatörler geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilir
• Sonikatörler geniş bir basınç aralığında kullanılabilir
• Diğer teknolojilerle sinerjik etki, örneğin elektrokimya (sonoelektrokimya), kataliz (sonokataliz), kristalizasyon (sonokristalizasyon) vb.
• Sonikasyon, biyoreaktörleri, örneğin fermantasyonu geliştirmek için idealdir.
• Çözünme / Çözündürme: Çözünme proseslerinde parçacıklar bir fazdan diğerine geçer; örneğin katı parçacıklar bir sıvıda çözündüğünde. Karıştırma derecesinin prosesin hızını etkilediği görülmektedir. Çok sayıda küçük kristal, ultrasonik kavitasyon altında, geleneksel olarak karıştırılan kesikli reaktörlerdeki tek bir kristalden çok daha hızlı çözünür. Burada da farklı hızların nedeni, parçacık yüzeylerindeki farklı kütle aktarım hızlarıdır. Örneğin, ultrasonikasyon, kristalizasyon proseslerinde (sonokristalizasyon) aşırı doymuş çözeltiler oluşturmak için başarıyla uygulanır.
• Ultrasonik Olarak Desteklenen Kimyasal Ekstraksiyon:
  – Sıvı–Katı, örneğin bitkisel ekstraksiyon, kimyasal ekstraksiyon
  – Sıvı–Sıvı: Bir sıvı–sıvı ekstraksiyon sistemine ultrason uygulandığında, fazlardan birinin diğer faz içinde bir emülsiyonu oluşturulur. Bu emülsiyon oluşumu, birbiriyle karışmayan iki faz arasındaki arayüz alanlarının artmasına yol açarak fazlar arasındaki kütle aktarım akısını artırır.

Sonikasyon, Karıştırmalı Tank Reaktörlerinde Kimyasal Reaksiyonları Nasıl İyileştirir?

• Daha Büyük Temas Yüzey Alanı: Heterojen fazlardaki reaktanlar arasındaki reaksiyonlarda, yalnızca arayüzde birbirleriyle çarpışan parçacıklar reaksiyona girebilir. Arayüz ne kadar büyükse, o kadar fazla çarpışma meydana gelebilir. Bir maddenin sıvı veya katı bir kısmı, sürekli fazı oluşturan bir sıvıda asılı duran daha küçük damlacıklara veya katı parçacıklara bölündükçe, bu maddenin yüzey alanı artar. Ayrıca, boyut küçülmesinin sonucunda parçacık sayısı artar ve dolayısıyla bu parçacıklar arasındaki ortalama mesafe azalır. Bu, sürekli fazın dağılmış fazla temasını artırır. Dolayısıyla reaksiyon hızı, dağılmış fazın parçalanma derecesiyle birlikte artar. Dispersiyonlarda veya emülsiyonlarda gerçekleşen birçok kimyasal reaksiyon, ultrasonik parçacık boyutu küçültme sonucunda reaksiyon hızında büyük artışlar gösterir.
• Kataliz (Aktivasyon Enerjisi): Katalizörler, birçok kimyasal reaksiyonda, laboratuvar geliştirme çalışmalarında ve endüstriyel üretimde büyük önem taşır. Katalizörler çoğu zaman katı veya sıvı fazdadır ve bir reaktanla veya tüm reaktanlarla karışmaz. Bu nedenle kataliz, çoğunlukla heterojen bir kimyasal reaksiyondur. Sülfürik asit, amonyak, nitrik asit, eten ve metanol gibi en önemli temel kimyasalların üretiminde katalizörler önemli bir rol oynar. Çevre teknolojisinin geniş alanları katalitik proseslere dayanır. Parçacıkların çarpışması, ancak parçacıklar yeterli kinetik enerjiyle çarpışırsa kimyasal reaksiyona, yani atomların yeniden düzenlenmesine yol açar. Ultrasonikasyon, kimyasal reaktörlerde kinetiği artırmak için oldukça verimli bir yöntemdir. Heterojen bir kataliz prosesinde, kimyasal reaktör tasarımına ultrasonik teknolojinin eklenmesi, katalizör ihtiyacını azaltabilir. Bu, daha az katalizör veya daha düşük nitelikli, daha az soy katalizörlerin kullanılmasıyla sonuçlanabilir.
• Daha Yüksek Temas Sıklığı / İyileştirilmiş Kütle Aktarımı: Ultrasonik karıştırma ve çalkalama, reaksiyonlar için daha yüksek aktif yüzey alanı sunan çok küçük damlacıklar ve parçacıklar (yani mikron altı parçacıklar ve nanoparçacıklar) oluşturmak için son derece etkili bir yöntemdir. Güç ultrasonunun neden olduğu ek yoğun karıştırma ve mikro hareket altında, parçacıklar arası temas sıklığı büyük ölçüde artar ve bunun sonucunda dönüşüm oranı önemli ölçüde iyileşir.
• Sıkıştırılmış plazma: Birçok reaksiyonda, reaktör sıcaklığındaki 10 Kelvinlik artış, reaksiyon hızının yaklaşık iki katına çıkmasına neden olur. Ultrasonik kavitasyon, kimyasal reaktördeki toplam sıvı hacmini önemli ölçüde ısıtmadan, sıvı içinde sıcaklığı 5000K değerine kadar ulaşan bölgesel, yüksek reaktiviteli sıcak noktalar oluşturur.
• Termal enerji: Bir kimyasal reaktör tasarımına eklediğiniz tüm ultrasonik enerji, sonunda termal enerjiye dönüşür. Bu nedenle enerjiyi kimyasal proses için yeniden kullanabilirsiniz. Ultrasonikasyon, ısıtma elemanları veya buhar aracılığıyla termal enerji girdisi sağlamak yerine, yüksek frekanslı titreşimler aracılığıyla prosesi aktive eden mekanik enerji sağlar. Kimyasal reaktörde bu, kimyasal prosesi birden fazla düzeyde aktive eden ultrasonik kavitasyon oluşturur. Sonunda, kimyasallar üzerindeki çok yoğun ultrasonik kesme, termal enerjiye, yani ısıya dönüşümle sonuçlanır. Kimyasal reaksiyonunuz için sabit bir proses sıcaklığını korumak amacıyla, soğutma için ceketli kesikli reaktörler veya hat içi reaktörler kullanabilirsiniz.

CSTR Sistemlerinde İyileştirilmiş Kimyasal Reaksiyonlar İçin Yüksek Performanslı Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, sürekli karıştırmalı tank reaktörlerine (CSTR) entegrasyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler ve disperserler tasarlar, üretir ve dağıtır. Hielscher sonikatörleri, kimyasal reaksiyonları desteklemek, yoğunlaştırmak, hızlandırmak ve iyileştirmek için dünya çapında kullanılır.
Hielscher Ultrasonics ultrasonik işlemcileri, akış kimyası uygulamaları için küçük laboratuvar cihazlarından büyük endüstriyel işlemcilere kadar her boyutta mevcuttur. Ultrasonik genliğin (en önemli parametre) hassas biçimde ayarlanması, Hielscher sonikatörlerinin düşük genliklerden çok yüksek genliklere kadar çalıştırılmasına ve genliğin, belirli kimyasal reaksiyon sisteminin gerektirdiği ultrasonik proses koşullarına tam olarak uyacak şekilde hassas biçimde ayarlanmasına olanak tanır.
Hielscher ultrasonik jeneratörü, otomatik veri kaydı özelliğine sahip akıllı bir yazılım içerir. Ultrasonik enerji, sıcaklık, basınç ve süre gibi tüm önemli işleme parametreleri, cihaz açılır açılmaz dahili bir SD karta otomatik olarak kaydedilir.
Proses izleme ve veri kaydı, sürekli proses standardizasyonu ve ürün kalitesi açısından önemlidir. Otomatik olarak kaydedilen proses verilerine erişerek önceki sonikasyon işlemlerini gözden geçirebilir ve sonuçlarını değerlendirebilirsiniz.
Bir diğer kullanıcı dostu özellik, dijital ultrasonik sistemlerimizin tarayıcı üzerinden uzaktan kontrolüdür. Tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol aracılığıyla, ultrasonik işlemcinizi herhangi bir yerden uzaktan başlatabilir, durdurabilir, ayarlayabilir ve izleyebilirsiniz.
Yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörlerimizin sürekli karıştırmalı tank reaktörünüzü (CSTR) nasıl iyileştirebileceği hakkında daha fazla bilgi edinmek için hemen bizimle iletişime geçin!
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir: