Безперервно перемішувані реактори з механічним перемішуванням, що працюють під дією ультразвуку

Безперервно перемішувані реактори з механічним перемішуванням (CSTR) широко застосовуються для різних хімічних реакцій, включаючи каталіз, емульсійну хімію, полімеризацію, синтез, екстракцію та кристалізацію. Повільна кінетика реакції є поширеною проблемою в CSTR, яку можна легко подолати за допомогою потужної ультразвукової обробки. Інтенсивне змішування, перемішування та сонохімічні ефекти потужного ультразвуку прискорюють кінетику реакції та значно покращують ступінь перетворення. Ультразвукові обробники можна легко інтегрувати в CSTR будь-якого об’єму.

Чому застосовувати потужний ультразвук до безперервно перемішуваного реактора з механічним перемішуванням?

Безперервно перемішуваний реактор з механічним перемішуванням (CSTR, або просто перемішуваний реактор з механічним перемішуванням (STR)) за своїми основними характеристиками досить схожий на реактор періодичної дії. Головною важливою відмінністю є те, що для установки безперервно перемішуваного реактора з механічним перемішуванням (CSTR) подача матеріалу повинна здійснюватися у вигляді безперервного потоку в реактор і з нього. Годування реактора можна досягти за допомогою гравітаційного потоку або примусової циркуляції за допомогою насоса. CSTR іноді називають реактором з повним змішуванням (BMR).
CSTR зазвичай використовуються, коли потрібне перемішування двох або більше рідин. CSTR можуть використовуватися як один реактор або встановлюватися як серія конфігурацій для різних концентраційних потоків і стадій реакції. Крім використання однокамерного реактора, зазвичай застосовуються послідовне встановлення різних ємностей (одна за одною) або каскадна установка.
Чому ультразвукова обробка? Ультразвукове змішування та перемішування, а також сонохімічні ефекти потужного ультразвуку, як відомо, сприяють ефективності хімічних реакцій. Покращене змішування та зменшення розміру частинок завдяки ультразвуковим вібраціям і кавітації забезпечують значно прискорену кінетику та підвищений ступінь перетворення. Сонохімічні ефекти можуть забезпечити необхідну енергію для ініціювання хімічних реакцій, зміни хімічних шляхів і отримання вищих виходів продуктів завдяки більш повному протіканню реакції.

Ультразвуково-інтенсифікований CSTR можна використовувати для таких застосувань, як:

• Гетерогенні рідко-рідкі реакції
• Гетерогенні твердо-рідкі реакції
• Гомогенні реакції в рідкій фазі
• Гетерогенні газо-рідкі реакції
• Гетерогенні газо-твердо-рідкі реакції

Ультразвукова обробка як високоскорісна синтетична хімічна система

Високоскорісна синтетична хімія – це нова реакційна техніка, що використовується для ініціювання та інтенсифікації хімічного синтезу. У порівнянні з традиційними шляхами реакції, які потребують кількох годин або днів при кип’ятінні зворотного холодильника, реактори синтезу, що стимулюються ультразвуком, можуть зменшити тривалість реакції до кількох хвилин, що призводить до значного прискорення реакції синтезу. Інтенсифікація ультразвукового синтезу базується на принципі дії акустичної кавітації та пов’язаних з нею силах, включаючи локально обмежене перегрівання. Дізнайтеся більше про ультразвук, акустичну кавітацію та сонохімію в наступному розділі.

Ультразвукова кавітація та її сонохімічні ефекти

Ультразвукова (або акустична) кавітація виникає, коли потужний ультразвук передається в рідини або суспензії. Кавітація – це перехід від рідкої фази до парової фази, який відбувається внаслідок падіння тиску до рівня поверхневого натягу рідини.
Ультразвукова кавітація створює дуже високі зсувні сили та рідинні струмені зі швидкістю до 1000m/s. Ці рідинні струмені прискорюють частинки та спричиняють зіткнення між частинками, зменшуючи таким чином розмір частинок твердих речовин і крапель. Крім того – локально всередині та в безпосередній близькості від імплодуючої кавітаційної бульбашки – генеруються надзвичайно високі тиски порядку сотень атмосфер і температури порядку тисяч градусів Кельвіна.
Хоча ультразвукова обробка є суто механічним методом обробки, вона може створювати локально обмежене екстремальне підвищення температури. Це пов’язано з інтенсивними силами, що виникають всередині та в безпосередній близькості від колапсуючих кавітаційних бульбашок, де легко можуть досягатися температури в кілька тисяч градусів Цельсія. У масовому розчині підвищення температури внаслідок імплозії однієї бульбашки є майже незначним, але розсіювання тепла від численних кавітаційних бульбашок, спостережуваних у гарячих точках кавітації (які генеруються при ультразвуковій обробці потужним ультразвуком), зрештою може спричинити вимірюване підвищення температури маси. Перевага ультразвукової обробки та сонохімії полягає в контрольованих температурних ефектах під час обробки: контроль температури масового розчину можна досягти, використовуючи резервуари з охолоджувальними сорочками, а також імпульсну ультразвукову обробку. Складні ультразвукові апарати Hielscher Ultrasonics можуть зупиняти ультразвук, коли досягається верхня температурна межа, і продовжувати ультразвукову обробку, щойно досягається нижнє значення заданого ∆T. Це особливо важливо, коли використовуються термочутливі реагенти.

Сонохімія покращує кінетику реакцій

Оскільки ультразвукова обробка генерує інтенсивні вібрації та кавітацію, хімічна кінетика зазнає змін. Кінетика хімічної системи тісно корелює з розширенням та імплозією кавітаційних бульбашок, що суттєво впливає на динаміку руху бульбашок. Розчинені гази в хімічному реакційному розчині впливають на характеристики сонохімічної реакції як через термічні ефекти, так і через хімічні ефекти. Термічні ефекти впливають на пікові температури, які досягаються під час колапсу бульбашки всередині кавітаційної порожнини; хімічні ефекти модифікують вплив газів, які безпосередньо беруть участь у реакції.
Гетерогенні та гомогенні реакції з повільною кінетикою, включаючи реакції Сузукі-спряження, осадження, кристалізацію та емульсійну хімію, є передвизначеними для ініціювання та стимулювання за допомогою потужного ультразвуку та його сонохімічних ефектів.
Наприклад, для синтезу ферулової кислоти низькочастотна (20kHz) ультразвукова обробка при потужності 180 W дала 94% вихід ферулової кислоти при 60°C протягом 3 h. Ці результати Truong et al. (2018) демонструють, що використання низької частоти (ріжкового типу та високопотужного опромінення) значно покращило швидкість конверсії, даючи виходи вище 90%.

Ультразвуково інтенсифікована емульсійна хімія

Гетерогенні реакції, такі як емульсійна хімія, суттєво виграють від застосування потужного ультразвуку. Ультразвукова кавітація зменшувала та розподіляла краплі кожної фази однорідно всередині однієї в іншій, створюючи субмікронну або нано-емульсію. Оскільки нано-розмірні краплі пропонують різко збільшену площу поверхні для взаємодії з різними краплями, масоперенесення та швидкість реакції значно покращуються. Під час ультразвукової обробки реакції, відомі своїми типово повільними кінетичними характеристиками, демонструють драматично покращені ступені перетворення, вищі виходи, менше побічних продуктів або відходів та кращу загальну ефективність. Ультразвуково покращена емульсійна хімія часто застосовується для полімеризації емульсій, наприклад, для вироблення полімерних сумішей, водних клейових сполук та спеціальних полімерів.

10 речей, які ви повинні знати, перш ніж купувати хімічний реактор

Коли ви обираєте хімічний реактор для хімічного процесу, існує багато факторів, які впливають на оптимальну конструкцію хімічного реактора. Якщо ваш хімічний процес включає багатофазні, гетерогенні хімічні реакції та має повільну кінетику реакції, перемішування реактора та активація процесу є суттєвими впливовими факторами для успішного хімічного перетворення та для економічних (експлуатаційних) витрат хімічного реактора.
Ультразвукова обробка значно покращує кінетику реакції рідко-рідких та рідко-твердих хімічних реакцій у хімічних реакторах періодичної дії та в потокових реакційних ємностях. Отже, інтеграція ультразвукових зондів у хімічний реактор може зменшити витрати на реактор та покращити загальну ефективність і якість кінцевого продукту.
Дуже часто інженерія хімічних реакторів не має знань про ультразвукове покращення процесу. Без глибоких знань про вплив потужного ультразвуку, ультразвукове перемішування, акустичну кавітацію та сонохімічні ефекти на продуктивність хімічного реактора, аналіз хімічного реактора та основи традиційного проектування можуть дати лише гірші результати. Нижче ви отримаєте огляд фундаментальних переваг ультразвуку для проектування та оптимізації хімічних реакторів.

Переваги ультразвуково інтенсифікованого реактора з безперервним перемішуванням (CSTR)

• • Ультразвуково покращені реактори для лабораторії та виробництва:
    Легке масштабування: Ультразвукові процесори легко доступні для лабораторного розміру, пілотного та великомасштабного виробництва
    Відтворювані / повторювані результати завдяки точно контрольованим ультразвуковим параметрам
    Продуктивність та швидкість реакції: ультразвуково інтенсифіковані реакції є швидшими і, таким чином, більш економічними (нижчі витрати)
  • Сонохімія застосовна для загальних, а також спеціальних цілей

– адаптивність та універсальність, наприклад, гнучкі варіанти встановлення та налаштування та міждисциплінарне використання

• Ультразвукову обробку можна використовувати у вибухонебезпечних середовищах
  – продування (наприклад, азотна подушка)
  – відсутність відкритої поверхні
• Просте очищення: самоочищення (CIP – очищення на місці)
• Оберіть бажані матеріали конструкції
  – скло, нержавіюча сталь, титан
  – відсутність роторних ущільнень
  – широкий вибір ущільнювальних матеріалів
• Ультразвукові обробники можна використовувати у широкому діапазоні температур
• Ультразвукові обробники можна використовувати у широкому діапазоні тисків
• Синергічний ефект з іншими технологіями, наприклад, електрохімією (соно-електрохімія), каталізом (соно-каталіз), кристалізацією (соно-кристалізація) тощо.
• Ультразвукова обробка ідеальна для покращення біореакторів, наприклад, ферментації.
• Розчинення / Розчинення: У процесах розчинення частинки переходять з однієї фази в іншу, наприклад, коли тверді частинки розчиняються в рідині. Виявлено, що ступінь перемішування впливає на швидкість процесу. Багато малих кристалів розчиняються набагато швидше під дією ультразвукової кавітації, ніж один у традиційно перемішуваних реакторах періодичної дії. Тут також причина різних швидкостей полягає в різних швидкостях масоперенесення на поверхнях частинок. Наприклад, ультразвукова обробка успішно застосовується для створення пересичених розчинів, наприклад, у процесах кристалізації (соно-кристалізація).
• Хімічна екстракція, інтенсована ультразвуком:
  – Рідина–тверде тіло, напр. ботанічна екстракція, хімічна екстракція
  – Рідина–рідина: коли ультразвук застосовують до системи рідина–рідина екстракції, створюється емульсія однієї з фаз в іншій. Це утворення емульсії призводить до збільшення міжфазних поверхонь між двома незмішуваними фазами, що забезпечує підвищений масоперенос між фазами.

Як ультразвукова обробка покращує хімічні реакції в реакторах з перемішуванням?

• Більша площа контакту: У реакціях між реагентами в гетерогенних фазах можуть реагувати лише ті частинки, які стикаються одна з одною на межі розділу фаз. Чим більша межа розділу фаз, тим більше зіткнень може відбутися. Коли рідка або тверда частина речовини розбивається на менші краплі або тверді частинки, розподілені в безперервній рідкій фазі, площа поверхні цієї речовини збільшується. Крім того, внаслідок зменшення розміру збільшується кількість частинок, і тому середня відстань між цими частинками зменшується. Це покращує експозицію безперервної фази до дисперсної фази. Тому швидкість реакції зростає зі ступенем подрібнення дисперсної фази. Багато хімічних реакцій у дисперсіях або емульсіях демонструють різке покращення швидкості реакції внаслідок ультразвукового зменшення розміру частинок.
• Каталіз (енергія активації): Каталізатори мають велике значення для багатьох хімічних реакцій, у лабораторних розробках та в промисловому виробництві. Часто каталізатори перебувають у твердій або рідкій фазі і є незмішуваними з одним реагентом або всіма реагентами. Тому каталіз найчастіше є гетерогенною хімічною реакцією. У виробництві найважливіших базових хімічних речовин, таких як сірчана кислота, аміак, азотна кислота, етен і метанол, каталізатори відіграють важливу роль. Великі галузі екологічної технології базуються на каталітичних процесах. Зіткнення частинок призводить до хімічної реакції, тобто перегрупування атомів, лише якщо частинки стикаються з достатньою кінетичною енергією. Ультразвукова обробка є високоефективним засобом для підвищення кінетики в хімічних реакторах. У процесі гетерогенного каталізу додавання ультразвуку до конструкції хімічного реактора може знизити вимоги до каталізатора. Це може призвести до використання меншої кількості каталізатора або менш дорогих, менш благородних каталізаторів.
• Вища частота контакту / Покращений масоперенос: Ультразвукове змішування та перемішування є високоефективним методом для створення дрібних крапель і частинок (тобто субмікронних і наночастинок), які забезпечують більшу активну поверхню для реакцій. Під дією додаткового інтенсивного перемішування та мікрорухів, спричинених потужним ультразвуком, частота міжчастинкового контакту різко зростає, що призводить до значного покращення ступеня перетворення.
• Стиснута плазма: Для багатьох реакцій підвищення температури реактора на 10 K призводить приблизно до подвоєння швидкості реакції. Ультразвукова кавітація створює локалізовані високореакційні гарячі точки до 5000K всередині рідини, без суттєвого нагрівання загального об’єму рідини в хімічному реакторі.
• Теплова енергія: Будь-яка ультразвукова енергія, яку ви додаєте до конструкції хімічного реактора, зрештою перетворюється на теплову енергію. Тому ви можете повторно використовувати цю енергію для хімічного процесу. Замість теплового введення енергії за допомогою нагрівальних елементів або пари, ультразвукова обробка вносить механічну енергію активації процесу за допомогою високочастотних вібрацій. У хімічному реакторі це створює ультразвукову кавітацію, яка активує хімічний процес на кількох рівнях. Зрештою, величезний ультразвуковий зсув хімічних речовин призводить до перетворення на теплову енергію, тобто тепло. Для охолодження можна використовувати реактори періодичної дії з сорочкою або проточні реактори, щоб підтримувати постійну температуру процесу для вашої хімічної реакції.

Високоефективні ультразвукові реактори для покращення хімічних реакцій у CSTR

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та постачає високоефективні ультразвукові гомогенізатори та диспергатори для інтеграції в реактори з безперервним перемішуванням (CSTR). Ультразвукові обробники Hielscher використовуються у всьому світі для стимулювання, інтенсифікації, прискорення та покращення хімічних реакцій.
Ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics доступні в будь-якому розмірі – від невеликих лабораторних приладів до великих промислових процесорів для застосувань у хімії потоку. Точне налаштування амплітуди ультразвуку (яка є найважливішим параметром) дозволяє експлуатувати ультразвукові обробники Hielscher при низьких та дуже високих амплітудах і точно налаштовувати амплітуду відповідно до необхідних умов ультразвукового процесу для конкретної системи хімічних реакцій.
Ультразвукові генератори Hielscher мають розумне програмне забезпечення з автоматичним протоколюванням даних. Усі важливі параметри обробки, такі як ультразвукова енергія, температура, тиск і час, автоматично зберігаються на вбудованій SD-картці щойно пристрій вмикається.
Моніторинг процесу та запис даних є важливими для безперервної стандартизації процесу та якості продукції. Отримуючи доступ до автоматично записаних даних процесу, ви можете переглянути попередні сеанси ультразвукової обробки та оцінити результати.
Ще однією зручною функцією є дистанційне керування через браузер наших цифрових ультразвукових систем. За допомогою дистанційного керування через браузер ви можете запускати, зупиняти, налаштовувати та моніторити ваш ультразвуковий процесор віддалено з будь-якого місця.
Зв’яжіться з нами зараз, щоб дізнатися більше про те, як наші високоефективні ультразвукові гомогенізатори можуть покращити ваш реактор з безперервним перемішуванням (CSTR)!
Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових обробників: