Реактори з безперервно перемішаними баками, збуджені ультразвуком

Резервуарні реактори з безперервною перемішуванням (CSTR) широко застосовуються для різних хімічних реакцій, включаючи каталіз, емульсійну хімію, полімеризацію, синтез, екстракцію та кристалізацію. Кінетика повільної реакції є поширеною проблемою в CSTR, яку можна легко подолати за допомогою енергетичного ультразвуку. Інтенсивне перемішування, перемішування та сонохімічні ефекти енергетичного ультразвуку прискорюють кінетику реакції та значно покращують коефіцієнт перетворення. Ультразвукові апарати легко інтегруються в КСТР будь-якого обсягу.

Навіщо застосовувати енергетичний ультразвук до резервуарного реактора з безперервно перемішаним?

Реактор з безперервно перемішаним баком (CSTR, або просто реактор з перемішаним баком (STR)) за своїми основними характеристиками дуже схожий на реактор періодичної дії. Основна важлива відмінність полягає в тому, що для установки реактора з безперервною перемішуванням (CSTR) подача матеріалу повинна забезпечуватися безперервним потоком в реактор і з нього. Живлення реактора може здійснюватися самопливним потоком або примусово-циркуляційним потоком за допомогою насоса. CSTR іноді називають реактором зворотного змішаного потоку (BMR).
КСТР зазвичай використовуються, коли потрібне перемішування двох і більше рідин. КСТР можуть використовуватися як одиночний реактор або встановлюватися у вигляді серії конфігурацій для різних потоків концентрації та стадій реакції. Крім використання реактора з одним резервуаром, зазвичай використовується послідовна установка різних резервуарів (один за одним) або каскадна установка.
Чому ультразвук? Добре відомо, що ультразвукове змішування і перемішування, а також сонохімічні ефекти енергетичного ультразвуку сприяють ефективності хімічних реакцій. Покращене перемішування та зменшення розміру частинок за рахунок ультразвукових коливань та кавітації забезпечують значне прискорення кінетики та підвищену швидкість перетворення. Сонохімічні ефекти можуть доставляти необхідну енергію для ініціації хімічних реакцій, перемикання хімічних шляхів і давати більш високі виходи завдяки більш повній реакції.

Ультразвуково інтенсифікований CSTR може використовуватися для таких застосувань, як:

• Гетерогенні реакції рідина-рідина
• Гетерогенні реакції тверде тіло-рідина
• Однорідні реакції рідина-фаза
• Гетерогенні газорідинні реакції
• Гетерогенні реакції газ-тверде тіло-рідина

Ультразвук як високошвидкісна синтетична хімічна система

Високошвидкісна синтетична хімія - це нова техніка реакції, яка використовується для ініціації та інтенсифікації хімічного синтезу. У порівнянні з традиційними шляхами реакції, які потребують кілька годин або днів під рефлюксом, реактори синтезу, що просуваються ультразвуком, можуть мінімізувати тривалість реакції до кількох хвилин, що призводить до значної прискореної реакції синтезу. Інтенсифікація ультразвукового синтезу заснована на принципі роботи акустичної кавітації і пов'язаних з нею сил, включаючи локально обмежений перегрів. Дізнайтеся більше про ультразвук, акустичну кавітацію та сонохімію в наступному розділі.

Ультразвукова кавітація та її сонохімічні ефекти

Ультразвукова (або акустична) кавітація виникає при з'єднанні силового ультразвуку з рідинами або суспензіями. Кавітація – це перехід з рідкої фази в парову, який відбувається за рахунок падіння тиску вниз до рівня напруги пари рідини.
Ультразвукова кавітація створює дуже високі сили зсуву та струмені рідини зі швидкістю до 1000 м/с. Ці струмені рідини прискорюють частинки і викликають зіткнення між частинками, тим самим зменшуючи розмір частинок твердих речовин і крапель. Крім того – локалізується в межах і в безпосередній близькості від вибухаючого кавітаційного міхура – утворюються надзвичайно високі тиски порядку сотень атмосфер і температури порядку тисяч градусів за Кельвіном.
Although ultrasonication is a purely mechanical processing method, it can produce a locally confined extreme temperature rise. This is due to the intense forces generated within and in close proximity to the collapsing cavitation bubbles, where easily temperatures of several thousands of degrees Celsius can be reached. In the bulk solution, the temperature increase resulting from a single bubble implosion is almost negligible, but the heat dissipation from numerous cavitation bubbles as observed in cavitation hot-spots (as generated by sonication with high-power ultrasound) can finally cause a measurable temperature increases in the bulk temperature. The advantage of ultrasonication and sonochemistry lies in the controllable temperature effects during processing: Temperature control of the bulk solution can be achieved by using tanks with cooling jackets as well as pulsed sonication. Hielscher Ultrasonics’ sophisticated ultrasonicators can pause the the ultrasound when an upper temperature limit is reached and continue with the ultrasonication as soon as the lower value of a set ∆T is reached. This is especially important when heat-sensitive reactants are used.

Сонохімія покращує кінетику реакцій

Оскільки ультразвук генерує інтенсивні вібрації та кавітацію, це впливає на хімічну кінетику. Кінетика хімічної системи тісно корелює з розширенням і імплозією кавітаційної бульбашки, що значно впливає на динаміку руху бульбашки. Розчинені гази в розчині хімічної реакції впливають на характеристики сонохімічної реакції за допомогою як термічного, так і хімічного впливу. Теплові ефекти впливають на пікові температури, які досягаються при руйнуванні бульбашок в кавітаційній порожнечі; Хімічний вплив модифікує дію газів, які беруть безпосередню участь у реакції.
Гетерогенні та однорідні реакції з повільною кінетикою реакції, включаючи реакції зчеплення Сузукі, осадження, кристалізацію та емульсійну хімію, призначені для ініціювання та сприяння за допомогою енергетичного ультразвуку та його сонохімічних ефектів.
Наприклад, для синтезу ферулової кислоти низькочастотне (20 кГц) ультразвукове випромінювання на потужності 180 Вт давало 94% вихід ферулової кислоти при 60 ° С за 3 год. Ці результати Truong et al. (2018) демонструють, що використання низької частоти (рупорний тип і високопотужне опромінення) покращило коефіцієнт перетворення, що значно дало вихід вище 90%.

Хімія ультразвуково інтенсифікованої емульсії

Гетерогенні реакції, такі як хімія емульсії, значно виграють від застосування енергетичного ультразвуку. Ультразвукова кавітація зменшувала і розподіляла краплі кожної фази однорідно одна в одній, створюючи субмікронну або наноемульсію. Оскільки нанорозмірні краплі мають значно збільшену площу поверхні для взаємодії з різними краплями, масообмін і швидкість реакції значно покращуються. При ультразвуковому дослідженні реакції, відомі своєю зазвичай повільною кінетикою, демонструють значно покращений коефіцієнт конверсії, вищі врожаї, меншу кількість побічних продуктів або відходів і кращу загальну ефективність. Ультразвуково вдосконалена хімія емульсій часто використовується для полімеризації емульсій, наприклад, для виробництва полімерних сумішей, водорозчинних клеїв і спеціальних полімерів.

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

Коли ви вибираєте 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 важливими факторами впливу для успішного хімічного перетворення та економічних (експлуатаційних) витрат хімічного реактора.
Ультразвук значно покращує кінетику реакцій хімічних реакцій рідина-рідина та рідина-тверде тіло в хімічних реакторах періодичної дії та вбудованих реакційних судинах. Отже, інтеграція ультразвукових зондів у хімічний реактор може знизити витрати на реактор і підвищити загальну ефективність і якість кінцевого продукту.
Дуже часто в хімічній реакторотехніці не вистачає знань про вдосконалення процесів за допомогою ультразвуку. Без глибоких знань про вплив енергетичного ультразвуку, ультразвукового збудження, акустичної кавітації та сонохімічного впливу на роботу хімічного реактора, аналіз хімічних реакторів та загальноприйняті основи проектування можуть дати лише гірші результати. Нижче ви отримаєте огляд основних переваг ультразвуку для проектування та оптимізації хімічних реакторів.

Переваги ультразвукового інтенсифікованого бакового реактора з безперервним перемішуванням (CSTR)

• • Реактори з ультразвуковим посиленням для лабораторії та виробництва:
    Легка масштабованість: Ультразвукові процесори легко доступні для лабораторного, пілотного та великомасштабного виробництва
    Відтворюваний? повторюваний Результати завдяки точно контрольованим ультразвуковим параметрам
    Ємність і швидкість реакції: ультразвуково інтенсифіковані реакції швидші і, отже, економічніші (нижчі витрати)
  • Сонохімія застосовна як для загальних, так і для спеціальних цілей

– Гнучкості & універсальність, наприклад, гнучкі можливості встановлення та налаштування, а також міждисциплінарне використання

• Ультразвук може застосовуватися у вибухонебезпечних середовищах
  – продування (наприклад, азотною ковдрою)
  – відсутність відкритої поверхні
• Просте очищення: самоочищення (CIP – прибирати на місці)
• Виберіть бажані матеріали для будівництва
  – скло, нержавіюча сталь, титан
  – відсутність поворотних ущільнювачів
  – Широкий вибір герметиків
• Ультразвукові апарати можна використовувати в широкому діапазоні температур
• Ультразвукові апарати можна використовувати при широкому діапазоні тисків
• Синергетичний ефект з іншими технологіями, наприклад, електрохімією (соно-електрохімія), каталізом (соно-каталіз), кристалізацією (соно-кристалізація) тощо.
• Ультразвукова хвороба ідеально підходить для посилення біореакторів, наприклад, ферментації.
• Розчинення? розчинення: У процесах розчинення частинки переходять з однієї фази в іншу, наприклад, коли тверді частинки розчиняються в рідині. Встановлено, що ступінь збудження впливає на швидкість процесу. Багато дрібних кристалів при ультразвуковій кавітації розчиняються набагато швидше, ніж в реакторах періодичної дії з умовним перемішуванням. І тут причина різних швидкостей криється в різних швидкостях масопереносу на поверхнях частинок. Наприклад, ультразвук успішно застосовується для створення пересичених розчинів, наприклад, в процесах кристалізації (сонокристалізації).
• Хімічна екстракція за допомогою ультразвуку:
  – Рідко-тверда речовина, наприклад, ботанічна екстракція, хімічна екстракція
  – Рідина-рідина: коли ультразвук застосовується до системи екстракції рідина-рідина, створюється емульсія однієї з фаз в іншій. Це утворення емульсії призводить до збільшення міжфазних площ між двома фазами, що не змішуються, що призводить до посилення потоку масопереносу між фазами.

Як ультразвуковий звук покращує хімічні реакції в реакторах з перемішаними баками?

• Більша площа контактної поверхні: У реакціях між реагентами в неоднорідних фазах можуть реагувати тільки частинки, які стикаються один з одним на межі розділу. Чим більше інтерфейс, тим більше колізій може виникнути. У міру того, як рідка або тверда частина речовини розбивається на більш дрібні краплі або тверді частинки, зважені в рідині безперервної фази, площа поверхні цієї речовини збільшується. Крім того, в результаті зменшення розмірів збільшується число частинок і, отже, зменшується середня відстань між цими частинками. Це покращує вплив безперервної фази на дисперсну фазу. Тому швидкість реакції зростає зі ступенем дроблення дисперсної фази. Багато хімічних реакцій в дисперсіях або емульсіях показують різке поліпшення швидкості реакції в результаті зменшення розміру ультразвукових частинок.
• Каталіз (енергія активації): Каталізатори мають велике значення в багатьох хімічних реакціях, в лабораторних розробках і в промисловому виробництві. Часто каталізатори знаходяться в твердій або рідкій фазі і не змішуються з одним реагентом або всіма реагентами. Отже, найчастіше каталіз є неоднорідною хімічною реакцією. У виробництві найважливіших основних хімічних речовин, таких як сірчана кислота, аміак, азотна кислота, етен і метанол, каталізатори відіграють важливу роль. Великі напрямки екологічної технології базуються на каталітичних процесах. Зіткнення частинок призводить до хімічної реакції, тобто перегрупування атомів, тільки в тому випадку, якщо частинки стикаються з достатньою кінетичною енергією. Ультразвук є високоефективним засобом збільшення кінетики в хімічних реакторах. У процесі гетерогенного каталізу додавання ультразвуку до конструкції хімічного реактора може знизити потребу в каталізаторі. Це може призвести до використання меншої кількості каталізаторів або неповноцінних, менш благородних каталізаторів.
• Більш висока частота контакту? Покращена передача маси: Ультразвукове змішування та перемішування є високоефективним методом генерації найдрібніших крапель та частинок (тобто субмікронних та наночастинок), які мають вищу активну поверхню для реакцій. При додатковому інтенсивному збудженні та мікрорусі, спричиненому енергетичним ультразвуком, частота міжчастинкового контакту різко збільшується, що призводить до значного покращення коефіцієнта перетворення.
• Стиснена плазма: Для багатьох реакцій підвищення температури реактора на 10 кельвінів призводить до збільшення швидкості реакції приблизно вдвічі. Ультразвукова кавітація створює локалізовані високореактивні гарячі точки до 5000 К у рідині без значного нагрівання загального об'єму рідини в хімічному реакторі.
• Теплова енергія: Будь-яка ультразвукова енергія, яку ви додаєте в конструкцію хімічного реактора, в кінцевому рахунку буде перетворена в теплову енергію. Тому ви можете повторно використовувати енергію для хімічного процесу. Замість надходження теплової енергії нагрівальними елементами або парою ультразвук вводить процес, що активує механічну енергію за допомогою високочастотних коливань. У хімічному реакторі це виробляє ультразвукову кавітацію, яка активує хімічний процес на кількох рівнях. Нарешті, величезний ультразвуковий зсув хімічних речовин призводить до перетворення в теплову енергію, тобто тепло. Ви можете використовувати реактори періодичної дії з сорочкою або вбудовані реактори для охолодження, щоб підтримувати постійну температуру процесу для вашої хімічної реакції.

Високоефективні ультразвукові апарати для поліпшення хімічних реакцій при CSTR

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує високоефективні ультразвукові гомогенізатори та диспергатори для інтеграції в реактори з безперервною перемішуванням (CSTR). Ультразвукові апарати Hielscher використовуються в усьому світі для сприяння, посилення, прискорення і поліпшення хімічних реакцій.
Hielscher Ultrasonics’ Ультразвукові процесори доступні в будь-якому розмірі, від невеликих лабораторних пристроїв до великих промислових процесорів для додатків потокової хімії. Точне регулювання амплітуди ультразвуку (що є найважливішим параметром) дозволяє експлуатувати ультразвукові апарати Hielscher при малих і дуже високих амплітудах і точно налаштовувати амплітуду під необхідні умови ультразвукового процесу конкретної системи хімічної реакції.
Hielscher’s ultrasonic generator feature a smart software with automatic data protocolling. All important processing parameters such as ultrasonic energy, temperature, pressure and time are automatically stored onto a built-in SD-card as soon as the device is switched on.
Моніторинг процесів і запис даних важливі для безперервної стандартизації процесів і якості продукції. Отримавши доступ до автоматично записаних даних процесу, ви можете переглянути попередні прогони ультразвуку та оцінити результат.
Ще однією зручною функцією є дистанційне керування нашими цифровими ультразвуковими системами через браузер. За допомогою віддаленого керування браузером ви можете запускати, зупиняти, налаштовувати та контролювати свій ультразвуковий процесор віддалено з будь-якого місця.
Зв'яжіться з нами зараз, щоб дізнатися більше про наші високоефективні ультразвукові гомогенізатори, які можуть покращити ваш реактор з безперервно перемішаним баком (CSTR)!
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: