Ultrason ile Çalkalanan Sürekli Karıştırılan Tank Reaktörleri

Sürekli karıştırılan tank reaktörleri (CSTR), kataliz, emülsiyon kimyası, polimerizasyon, sentez, ekstraksiyon ve kristalizasyon dahil olmak üzere çeşitli kimyasal reaksiyonlar için yaygın olarak uygulanır. Yavaş reaksiyon kinetiği, CSTR'de yaygın bir problemdir ve güç ultrasonikasyonu uygulamasıyla kolayca üstesinden gelinebilir. Güç ultrasonunun yoğun karıştırma, ajitasyon ve sonokimyasal etkileri, reaksiyon kinetiğini hızlandırır ve dönüşüm oranını önemli ölçüde artırır. Ultrasonikatörler, herhangi bir hacimdeki CSTR'lere kolayca entegre edilebilir.

Sürekli Karıştırılan Bir Tank Reaktörüne Neden Güç Ultrasonu Uygulanmalıdır?

Sürekli Karıştırılan Tank Reaktörü (CSTR veya basitçe karıştırılan tank reaktörü (STR)), temel özelliklerinde kesikli reaktöre oldukça benzer. En önemli fark, sürekli karıştırılmış tank reaktörü (CSTR) kurulumu için malzeme beslemesinin reaktörün içine ve dışına sürekli akış halinde sağlanması gerektiğidir. Reaktörün beslenmesi, bir pompa kullanılarak yerçekimi akışı veya zorunlu sirkülasyon akışı ile sağlanabilir. CSTR bazen geri karışımlı akış reaktörü (BMR) olarak adlandırılır.
CSTR'ler, iki veya daha fazla sıvının çalkalanması gerektiğinde yaygın olarak kullanılır. CSTR'ler tek reaktör olarak kullanılabilir veya farklı konsantrasyon akışları ve reaksiyon adımları için bir dizi konfigürasyon olarak kurulabilir. Tek tanklı bir reaktörün kullanımının yanı sıra, çeşitli tankların seri kurulumu (birbiri ardına) veya kaskad kurulumu yaygın olarak kullanılmaktadır.
Neden Ultrasonication? Ultrasonik karıştırma ve ajitasyonun yanı sıra güç ultrasonunun sonokimyasal etkilerinin kimyasal reaksiyonların verimliliğine katkıda bulunduğu iyi bilinmektedir. Ultrasonik titreşimler ve kavitasyon nedeniyle geliştirilmiş karıştırma ve partikül boyutunun küçültülmesi, önemli ölçüde hızlandırılmış bir kinetik ve gelişmiş dönüşüm oranı sağlar. Sonokimyasal etkiler, kimyasal reaksiyonları başlatmak, kimyasal yolları değiştirmek ve daha eksiksiz bir reaksiyon nedeniyle daha yüksek verim vermek için gerekli enerjiyi sağlayabilir.

Ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış CSTR, aşağıdaki gibi uygulamalar için 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 Kimyasal Sistem Olarak Ultrasonication

Yüksek hızlı sentetik kimya, kimyasal sentezi başlatmak ve yoğunlaştırmak için kullanılan yeni bir reaksiyon tekniğidir. Geri akış altında birkaç saat veya güne ihtiyaç duyan geleneksel reaksiyon yollarıyla karşılaştırıldığında, ultrasonik olarak teşvik edilen sentez reaktörleri, reaksiyon süresini birkaç dakikaya indirerek önemli bir hızlandırılmış sentez reaksiyonu ile sonuçlanabilir. Ultrasonik sentez yoğunlaştırma, akustik kavitasyonun çalışma prensibine ve yerel olarak sınırlı aşırı ısınma dahil olmak üzere ilgili kuvvetlerine 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 bağlandığında meydana gelir. Kavitasyon, sıvının buhar gerilimi seviyesine kadar bir basınç düşüşü nedeniyle meydana gelen sıvı bir fazdan bir buhar fazına geçiştir.
Ultrasonik kavitasyon, 1000m / s'ye kadar çok yüksek kesme kuvvetleri ve sıvı jetleri oluşturur. Bu sıvı jetleri parçacığı hızlandırır ve parçacıklar arası çarpışmalara neden olur, böylece katıların ve damlacıkların parçacık boyutunu azaltır. Ayrıca – patlayan kavitasyon kabarcığının içinde ve yakınında lokalize – Yüzlerce atmosfer mertebesinde son derece yüksek basınçlar ve binlerce derece Kelvin mertebesinde sıcaklıklar üretilir.
Ultrasonication tamamen mekanik bir işleme yöntemi olmasına rağmen, yerel olarak sınırlı bir aşırı sıcaklık artışı üretebilir. Bunun nedeni, birkaç bin santigrat derece sıcaklığa kolayca ulaşılabilen, çöken kavitasyon kabarcıklarının içinde ve yakınında üretilen yoğun kuvvetlerdir. Toplu çözeltide, tek bir kabarcık patlamasından kaynaklanan sıcaklık artışı neredeyse ihmal edilebilir düzeydedir, ancak kavitasyon sıcak noktalarında (yüksek güçlü ultrason ile sonikasyon ile üretildiği gibi) gözlemlenen çok sayıda kavitasyon kabarcığından ısı dağılımı nihayet toplu sıcaklıkta ölçülebilir bir sıcaklık artışına neden olabilir. Ultrasonication ve sonochemistry'nin avantajı, işleme sırasında kontrol edilebilir sıcaklık etkilerinde yatmaktadır: Toplu çözeltinin sıcaklık kontrolü, soğutma ceketleri ve darbeli sonikasyon ile tanklar kullanılarak elde edilebilir. Hielscher Ultrasonics'in sofistike ultrasonicators, bir üst sıcaklık sınırına ulaşıldığında ultrasonu duraklatabilir ve bir set ∆T'nin alt değerine ulaşıldığı anda ultrasonikasyona devam edebilir. Bu, özellikle ısıya duyarlı reaktanlar kullanıldığında önemlidir.

Sonokimya Reaksiyon Kinetiğini Geliştirir

Sonikasyon yoğun titreşimler ve kavitasyon oluşturduğundan, kimyasal kinetik etkilenir. Bir kimyasal sistemin kinetiği, kavitasyon kabarcığı genişlemesi ve patlaması ile yakından ilişkilidir, bu sayede kabarcık hareketinin dinamiklerini önemli ölçüde etkiler. Kimyasal reaksiyon çözeltisindeki çözünmüş gazlar, hem termal etkiler hem de kimyasal etkiler yoluyla bir sonokimyasal reaksiyonun özelliklerini etkiler. Termal etkiler, kavitasyon boşluğu içinde kabarcık çökmesi sırasında ulaşılan en yüksek sıcaklıkları etkiler; Kimyasal etkiler, bir reaksiyonda doğrudan yer alan gazların etkilerini değiştirir.
Suzuki birleştirme reaksiyonları, çökeltme, kristalleşme ve emülsiyon kimyası dahil olmak üzere yavaş reaksiyon kinetiği ile heterojen ve homojen reaksiyonların, güç ultrasonu ve sonokimyasal etkileri yoluyla başlatılması ve teşvik edilmesi önceden belirlenmiştir.
Örneğin, ferulik asit sentezi için, 180 W'lık bir güçte düşük frekanslı (20kHz) sonikasyon, 3 saatte 60 ° C'de% 94'lük bir ferulik asit verimi verdi. Truong ve ark. (2018), düşük frekans (boynuz tipi ve yüksek güçlü ışınlama) kullanımının dönüşüm oranını önemli ölçüde iyileştirdiğini ve �'dan daha yüksek verim sağladığını göstermektedir.

Ultrasonik Yoğunlaştırılmış Emülsiyon Kimyası

Emülsiyon kimyası gibi heterojen reaksiyonlar, güç ultrasonunun uygulanmasından önemli ölçüde yararlanır. Ultrasonik kavitasyon, her fazın damlacıklarını birbiri içinde homojen bir şekilde azalttı ve dağıttı, bu da bir mikron altı veya nano emülsiyon oluşturdu. Nano boyutlu damlacıklar, farklı damlacıklarla etkileşime girmek için büyük ölçüde artırılmış bir yüzey alanı sunduğundan, kütle transferi ve reaksiyon hızı önemli ölçüde iyileştirilir. Sonikasyon altında, tipik olarak yavaş kinetikleri ile bilinen reaksiyonlar, önemli ölçüde geliştirilmiş dönüşüm oranları, daha yüksek verim, daha az yan ürün veya atık ve daha iyi genel verimlilik gösterir. Ultrasonik olarak geliştirilmiş emülsiyon kimyası genellikle emülsiyon polimerizasyonu için, örneğin polimer karışımları, su bazlı yapıştırıcılar ve özel polimerler üretmek için uygulanır.

Kimyasal Reaktör Satın Almadan Önce Bilmeniz Gereken 10 Şey

Kimyasal bir proses için bir kimyasal reaktör seçtiğinizde, optimum kimyasal reaktör tasarımını etkileyen birçok faktör vardır. Kimyasal prosesiniz çok fazlı, heterojen kimyasal reaksiyonlar içeriyorsa ve yavaş reaksiyon kinetiğine sahipse, reaktör çalkalama ve proses aktivasyonu, başarılı kimyasal dönüşüm ve kimyasal reaktörün ekonomik (işletmel) maliyetleri için önemli etkileyen faktörlerdir.
Ultrasonikasyon, kimyasal kesikli reaktörlerde ve inline reaksiyon kaplarında sıvı-sıvı ve sıvı-katı kimyasal reaksiyonların reaksiyon kinetiğini önemli ölçüde geliştirir. Bu nedenle, ultrasonik probların bir kimyasal reaktöre entegrasyonu, reaktör maliyetlerini azaltabilir ve genel verimliliği ve nihai ürünün kalitesini artırabilir.
Çoğu zaman, kimyasal reaktör mühendisliği, ultrasonik destekli proses geliştirme hakkında bilgiden yoksundur. Güç ultrasonu, ultrasonik ajitasyon, akustik kavitasyon ve sonokimyasal etkilerin kimyasal reaktör performansı üzerindeki etkisi hakkında derin bilgi olmadan, kimyasal reaktör analizi ve geleneksel tasarım temelleri yalnızca daha düşük sonuçlar verebilir. Aşağıda, kimyasal reaktör tasarımı ve optimizasyonu için ultrasoniklerin temel faydaları hakkında bir genel bakış elde edeceksiniz.

Ultrasonik Olarak Yoğunlaştırılmış Sürekli Karıştırılmış Tank Reaktörünün (CSTR) Avantajları

• • Laboratuvar ve üretim için ultrasonik olarak geliştirilmiş reaktörler:
    Kolay ölçeklenebilirlik: Ultrasonik işlemciler laboratuvar boyutu, pilot ve büyük ölçekli üretim için hazırdır
    Tekrarlanabilir / tekrarlanabilir Hassas bir şekilde kontrol edilebilen ultrasonik parametreler sayesinde sonuçlar
    Kapasite ve reaksiyon hızı: ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış reaksiyonlar daha hızlıdır ve dolayısıyla daha ekonomiktir (daha düşük maliyetler)
  • Sonokimya hem genel hem de özel amaçlar için geçerlidir

– Adaptasyon & çok yönlülük, örneğin esnek kurulum ve kurulum seçenekleri ve disiplinler arası kullanım

• Ultrasonikasyon patlayıcı ortamlarda kullanılabilir
  – temizleme (örneğin, nitrojen örtüsü)
  – açık yüzey yok
• Basit temizlik: kendi kendini temizleme (CIP – yerinde temizlik)
• Tercih ettiğiniz inşaat malzemelerini seçin
  – cam, paslanmaz çelik, titanyum
  – Döner conta yok
  – Geniş sızdırmazlık maddesi seçenekleri
• Ultrasonikatörler geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilir
• Ultrasonikatörler çok çeşitli basınçlarda kullanılabilir
• Elektrokimya (sono-elektrokimya), kataliz (sono-kataliz), kristalizasyon (sono-kristalizasyon) vb. gibi diğer teknolojilerle sinerjik etki.
• Sonikasyon, biyoreaktörleri, örneğin fermantasyonu geliştirmek için idealdir.
• Çözünme / Çözünme: Çözünme işlemlerinde, parçacıklar bir fazdan diğerine geçer, örneğin katı parçacıklar bir sıvı içinde çözündüğünde. Ajitasyon derecesinin işlemin hızını etkilediği bulunmuştur. Birçok küçük kristal, ultrasonik kavitasyon altında, geleneksel olarak karıştırılan kesikli reaktörlerdekinden çok daha hızlı çözünür. Burada da farklı hızların nedeni, parçacık yüzeylerindeki farklı kütle transfer hızlarında yatmaktadır. Örneğin, ultrasonikasyon, örneğin kristalizasyon işlemlerinde (sono-kristalizasyon) aşırı doymuş çözeltiler oluşturmak için başarıyla uygulanır.
• Ultrasonik olarak teşvik edilen kimyasal Ekstraksiyon:
  – Sıvı-Katı, örneğin botanik ekstraksiyon, kimyasal ekstraksiyon
  – Sıvı-Sıvı: Bir sıvı-sıvı ekstraksiyon sistemine ultrason uygulandığında, fazlardan birinin diğerinde bir emülsiyonu oluşturulur. Bu emülsiyon oluşumu, iki karışmayan faz arasındaki arayüzey alanlarının artmasına yol açar ve bu da fazlar arasında gelişmiş bir kütle transfer akısı ile sonuçlanır.

Sonikasyon, Karıştırılmış Tank Reaktörlerinde Kimyasal Reaksiyonları Nasıl İyileştirir?

• Daha Büyük Temas Yüzey Alanı: Heterojen fazlardaki reaktanlar arasındaki reaksiyonlarda, sadece arayüzde birbiriyle çarpışan parçacıklar reaksiyona girebilir. Arayüz ne kadar büyük olursa, o kadar fazla çarpışma meydana gelebilir. Bir maddenin sıvı veya katı bir kısmı, sürekli fazlı bir sıvı içinde asılı kalan daha küçük damlacıklara veya katı parçacıklara ayrıldıkça, bu maddenin yüzey alanı artar. Ayrıca, boyut küçültmenin bir sonucu olarak, parçacıkların sayısı artar ve dolayısıyla bu parçacıklar arasındaki ortalama mesafe azalır. Bu, sürekli fazın dağınık faza maruz kalmasını iyileştirir. Bu nedenle, reaksiyon hızı, dispers fazın parçalanma derecesi ile artar. Dispersiyonlardaki veya emülsiyonlardaki birçok kimyasal reaksiyon, ultrasonik partikül boyutunun küçültülmesinin bir sonucu olarak reaksiyon hızında ciddi iyileşmeler gösterir.
• Kataliz (Aktivasyon Enerjisi): Katalizörler birçok kimyasal reaksiyonda, laboratuvar geliştirmede ve endüstriyel üretimde büyük önem taşımaktadır. Genellikle katalizörler katı veya sıvı fazdadır ve bir reaktan veya tüm reaktanlarla karışmaz. Bu nedenle, çoğu zaman kataliz heterojen bir kimyasal reaksiyondur. Sülfürik asit, amonyak, nitrik asit, eten ve metanol gibi en önemli temel kimyasalların üretiminde katalizörler önemli rol oynamaktadır. Çevre teknolojisinin geniş alanları katalitik süreçlere dayanmaktadır. Parçacıkların çarpışması, yalnızca parçacıklar yeterli kinetik enerji ile çarpışırsa, kimyasal bir reaksiyona, yani atomların yeniden gruplanmasına yol açar. Ultrasonikasyon, kimyasal reaktörlerde kinetiği artırmak için oldukça verimli bir araçtır. Heterojen bir kataliz işleminde, ultrasonik bir kimyasal reaktör tasarımına eklenmesi, bir katalizör gereksinimini azaltabilir. Bu, daha az katalizör veya daha düşük, daha az asil katalizörlerin kullanılmasına neden olabilir.
• Daha yüksek temas frekansı / Geliştirilmiş kütle transferi: Ultrasonik karıştırma ve çalkalama, reaksiyonlar için daha yüksek bir aktif yüzey sunan dakika damlacıkları ve parçacıklar (yani mikron altı ve nano parçacıklar) üretmek için oldukça etkili bir yöntemdir. Güç ultrasonunun neden olduğu ek yoğun ajitasyon ve mikro hareket altında, parçacıklar arası temas frekansı büyük ölçüde artar ve bu da önemli ölçüde iyileştirilmiş bir dönüşüm oranı ile sonuçlanır.
• Sıkıştırılmış plazma: Birçok reaksiyon için, reaktör sıcaklığındaki 10 Kelvin'lik bir artış, reaksiyon hızının kabaca iki katına çıkmasına neden olur. Ultrasonik kavitasyon, kimyasal reaktördeki toplam sıvı hacminin önemli ölçüde ısınması olmadan, sıvı içinde 5000K'ya kadar lokalize yüksek reaktif sıcak noktalar üretir.
• Termal enerji: Kimyasal reaktör tasarımına eklediğiniz herhangi bir ultrasonik enerji, sonunda termal enerjiye dönüştürülecektir. Bu nedenle, enerjiyi kimyasal işlem için yeniden kullanabilirsiniz. Isıtma elemanları veya buhar tarafından bir termal enerji girişi yerine, ultrasonication, yüksek frekanslı titreşimler aracılığıyla mekanik enerjiyi aktive eden bir süreç sunar. Kimyasal reaktörde bu, kimyasal işlemi birden fazla seviyede aktive eden ultrasonik kavitasyon üretir. Son olarak, kimyasalların muazzam ultrasonik kesilmesi, 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'de Gelişmiş Kimyasal Reaksiyonlar için Yüksek Performanslı Ultrasonikatörler

Hielscher Ultrasonics, sürekli karıştırılmış tank reaktörlerine (CSTR) entegrasyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler ve dağıtıcılar tasarlar, üretir ve dağıtır. Hielscher ultrasonicators kimyasal reaksiyonları teşvik etmek, yoğunlaştırmak, hızlandırmak ve geliştirmek için dünya çapında kullanılır.
Hielscher Ultrasonics’ Ultrasonik işlemciler, akış kimyası uygulamaları için küçük laboratuvar cihazlarından büyük endüstriyel işlemcilere kadar her boyutta mevcuttur. Ultrasonik genliğin (en önemli parametre olan) hassas bir şekilde ayarlanması, Hielscher ultrasonicators'ı düşük ila çok yüksek genliklerde çalıştırmaya ve genliği tam olarak spesifik kimyasal reaksiyon sisteminin gerekli ultrasonik işlem koşullarına ince ayar yapmaya izin verir.
Hielscher'ın ultrasonik jeneratörü, otomatik veri protokolüne sahip akıllı bir yazılıma sahiptir. Ultrasonik enerji, sıcaklık, basınç ve zaman gibi tüm önemli işlem parametreleri, cihaz açılır açılmaz otomatik olarak dahili bir SD karta kaydedilir.
Proses izleme ve veri kaydı, sürekli proses standardizasyonu ve ürün kalitesi için önemlidir. Otomatik olarak kaydedilen işlem verilerine erişerek, önceki sonikasyon çalışmalarını gözden geçirebilir ve sonucu değerlendirebilirsiniz.
Bir diğer kullanıcı dostu özellik, dijital ultrasonik sistemlerimizin tarayıcıdan uzaktan kontrol edilmesidir. Uzaktan tarayıcı kontrolü ile ultrasonik işlemcinizi her yerden uzaktan başlatabilir, durdurabilir, ayarlayabilir ve izleyebilirsiniz.
Yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörlerimiz hakkında daha fazla bilgi edinmek için şimdi bizimle iletişime geçin, sürekli karıştırılan tank reaktörünüzü (CSTR) iyileştirebilir!
Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir: