Thiết bị phản ứng dạng bồn khuấy liên tục được khuấy trộn bằng siêu âm

Thiết bị phản ứng dạng bồn khuấy liên tục (CSTR) được ứng dụng rộng rãi cho nhiều phản ứng hóa học, bao gồm xúc tác, hóa học nhũ tương, trùng hợp, tổng hợp, chiết xuất và kết tinh. Động học phản ứng chậm là vấn đề thường gặp trong CSTR, có thể dễ dàng khắc phục bằng cách áp dụng xử lý siêu âm công suất cao. Sự trộn và khuấy mạnh cùng các hiệu ứng hóa siêu âm của siêu âm công suất cao giúp tăng tốc động học phản ứng và cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển hóa. Có thể dễ dàng tích hợp các thiết bị siêu âm vào CSTR có thể tích bất kỳ.

Tại sao nên áp dụng siêu âm công suất cao cho thiết bị phản ứng dạng bồn khuấy liên tục?

Thiết bị phản ứng dạng bồn khuấy liên tục (CSTR, hoặc gọi đơn giản là thiết bị phản ứng dạng bồn khuấy (STR)) có các đặc điểm chính khá giống với thiết bị phản ứng theo mẻ. Điểm khác biệt quan trọng nhất là trong cấu hình thiết bị phản ứng dạng bồn khuấy liên tục (CSTR), vật liệu phải được cấp vào và đưa ra khỏi thiết bị phản ứng theo dòng liên tục. Có thể cấp liệu cho thiết bị phản ứng bằng dòng chảy do trọng lực hoặc dòng tuần hoàn cưỡng bức sử dụng bơm. CSTR đôi khi được gọi là thiết bị phản ứng dòng chảy trộn ngược (BMR).
CSTR thường được sử dụng khi cần khuấy trộn hai hoặc nhiều chất lỏng. CSTR có thể được sử dụng như một thiết bị phản ứng đơn lẻ hoặc được lắp đặt thành chuỗi theo các cấu hình dành cho các dòng có nồng độ khác nhau và các bước phản ứng khác nhau. Ngoài việc sử dụng một thiết bị phản ứng dạng bồn đơn lẻ, việc lắp đặt nhiều bồn nối tiếp (bồn này sau bồn kia) hoặc bố trí theo kiểu bậc thang cũng thường được áp dụng.
Tại sao nên xử lý bằng siêu âm? Sự trộn và khuấy bằng siêu âm cũng như các hiệu ứng hóa siêu âm của siêu âm công suất cao được biết đến rộng rãi là có đóng góp vào hiệu quả của các phản ứng hóa học. Việc cải thiện khả năng trộn và giảm kích thước hạt nhờ dao động siêu âm và hiện tượng xâm thực giúp tăng tốc đáng kể động học phản ứng và nâng cao tỷ lệ chuyển hóa. Các hiệu ứng hóa siêu âm có thể cung cấp năng lượng cần thiết để khởi phát phản ứng hóa học, thay đổi con đường phản ứng và mang lại hiệu suất cao hơn nhờ phản ứng diễn ra hoàn toàn hơn.

CSTR được tăng cường bằng siêu âm có thể được sử dụng cho các ứng dụng như:

• Phản ứng dị thể lỏng–lỏng
• Phản ứng dị thể rắn–lỏng
• Phản ứng đồng thể trong pha lỏng
• Phản ứng dị thể khí–lỏng
• Phản ứng dị thể khí–rắn–lỏng

Xử lý siêu âm như một hệ thống tổng hợp hóa học tốc độ cao

Hóa học tổng hợp tốc độ cao là một kỹ thuật phản ứng mới được sử dụng để khởi phát và tăng cường quá trình tổng hợp hóa học. So với các con đường phản ứng truyền thống cần vài giờ hoặc vài ngày trong điều kiện đun hồi lưu, các thiết bị phản ứng tổng hợp được thúc đẩy bằng siêu âm có thể rút ngắn thời gian phản ứng xuống còn vài phút, nhờ đó tăng tốc đáng kể phản ứng tổng hợp. Việc tăng cường tổng hợp bằng siêu âm dựa trên nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực âm và các lực liên quan, bao gồm hiện tượng quá nhiệt cục bộ. Tìm hiểu thêm về siêu âm, hiện tượng xâm thực âm và hóa siêu âm trong phần tiếp theo.

Hiện tượng xâm thực siêu âm và các hiệu ứng hóa siêu âm của nó

Hiện tượng xâm thực siêu âm (hay xâm thực âm học) xảy ra khi năng lượng siêu âm công suất được truyền vào chất lỏng hoặc huyền phù. Xâm thực là sự chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, xảy ra do áp suất giảm xuống đến mức áp suất hơi của chất lưu.
Xâm thực siêu âm tạo ra lực cắt rất lớn và các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 1000m/s. Những tia chất lỏng này làm các hạt tăng tốc và gây ra va chạm giữa các hạt, qua đó làm giảm kích thước của các hạt rắn và giọt lỏng. Ngoài ra, ngay bên trong và sát các bong bóng xâm thực đang sụp đổ, áp suất cực cao ở mức hàng trăm át-mốt-phe và nhiệt độ ở mức hàng nghìn độ Kelvin được tạo ra.
Mặc dù xử lý siêu âm là một phương pháp xử lý hoàn toàn cơ học, phương pháp này có thể tạo ra sự gia tăng nhiệt độ cực lớn trong một vùng cục bộ. Điều này là do các lực mạnh được tạo ra bên trong và sát các bong bóng xâm thực đang sụp đổ, nơi nhiệt độ có thể dễ dàng đạt tới vài nghìn độ C. Trong toàn khối dung dịch, mức tăng nhiệt độ do một bong bóng đơn lẻ sụp đổ gần như không đáng kể, nhưng nhiệt tỏa ra từ nhiều bong bóng xâm thực, như quan sát thấy tại các điểm nóng xâm thực (được tạo ra khi xử lý bằng siêu âm công suất cao), cuối cùng có thể làm nhiệt độ toàn khối tăng đến mức đo được. Ưu điểm của xử lý siêu âm và hóa học siêu âm nằm ở khả năng kiểm soát các hiệu ứng nhiệt độ trong quá trình xử lý: Có thể kiểm soát nhiệt độ toàn khối dung dịch bằng cách sử dụng bồn có áo làm mát cũng như xử lý siêu âm dạng xung. Các thiết bị siêu âm tiên tiến của Hielscher Ultrasonics có thể tạm dừng phát siêu âm khi đạt giới hạn nhiệt độ trên và tiếp tục xử lý siêu âm ngay khi đạt giá trị dưới của khoảng ∆T đã cài đặt. Điều này đặc biệt quan trọng khi sử dụng các chất phản ứng nhạy nhiệt.

Hóa học siêu âm cải thiện động học phản ứng

Do xử lý siêu âm tạo ra dao động mạnh và hiện tượng xâm thực, động học hóa học bị ảnh hưởng. Động học của một hệ hóa học có mối tương quan chặt chẽ với sự giãn nở và sụp đổ của bong bóng xâm thực, qua đó tác động đáng kể đến động lực học chuyển động của bong bóng. Các khí hòa tan trong dung dịch phản ứng hóa học ảnh hưởng đến đặc tính của phản ứng hóa học siêu âm thông qua cả hiệu ứng nhiệt lẫn hiệu ứng hóa học. Các hiệu ứng nhiệt ảnh hưởng đến nhiệt độ đỉnh đạt được trong quá trình bong bóng sụp đổ bên trong khoang xâm thực; các hiệu ứng hóa học làm thay đổi tác động của những khí trực tiếp tham gia phản ứng.
Các phản ứng dị thể và đồng thể có động học phản ứng chậm, bao gồm phản ứng ghép cặp Suzuki, kết tủa, kết tinh và các phản ứng hóa học nhũ tương, đặc biệt thích hợp để được khơi mào và thúc đẩy bằng siêu âm công suất cùng các hiệu ứng hóa học siêu âm của nó.
Ví dụ, trong quá trình tổng hợp axit ferulic, xử lý siêu âm tần số thấp (20kHz) ở công suất 180 W cho hiệu suất thu axit ferulic là 94% ở 60°C trong 3 h. Những kết quả này của Truong và cộng sự (2018) cho thấy việc sử dụng tần số thấp (đầu phát dạng sừng và chiếu siêu âm công suất cao) đã cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển hóa, cho hiệu suất cao hơn 90%.

Hóa học nhũ tương được tăng cường bằng siêu âm

Các phản ứng dị thể như các phản ứng trong hóa học nhũ tương được cải thiện đáng kể khi áp dụng siêu âm công suất cao. Hiện tượng xâm thực siêu âm làm giảm kích thước và phân bố đồng đều các giọt của mỗi pha trong pha còn lại, tạo thành nhũ tương dưới micromet hoặc nhũ tương nano. Do các giọt có kích thước nano cung cấp diện tích bề mặt tăng mạnh để tương tác với các giọt khác, quá trình truyền khối và tốc độ phản ứng được cải thiện đáng kể. Khi xử lý bằng siêu âm, các phản ứng vốn có động học chậm cho thấy mức độ chuyển hóa được cải thiện rõ rệt, hiệu suất thu sản phẩm cao hơn, ít sản phẩm phụ hoặc chất thải hơn và hiệu quả tổng thể tốt hơn. Hóa học nhũ tương được cải thiện bằng siêu âm thường được áp dụng trong quá trình trùng hợp nhũ tương, ví dụ để sản xuất hỗn hợp polyme, chất kết dính gốc nước và polyme chuyên dụng.

10 điều bạn nên biết trước khi mua thiết bị phản ứng hóa học

Khi bạn lựa chọn thiết bị phản ứng hóa học cho một quá trình hóa học, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế tối ưu của thiết bị. Nếu quá trình hóa học của bạn bao gồm các phản ứng hóa học dị thể, đa pha và có động học phản ứng chậm, việc khuấy trộn trong thiết bị phản ứng và hoạt hóa quá trình là những yếu tố ảnh hưởng thiết yếu để đạt được sự chuyển hóa hóa học thành công và chi phí (vận hành) hợp lý của thiết bị phản ứng hóa học.
Xử lý bằng siêu âm cải thiện đáng kể động học của các phản ứng hóa học lỏng–lỏng và lỏng–rắn trong thiết bị phản ứng hóa học theo mẻ và thiết bị phản ứng trên đường ống. Do đó, việc tích hợp đầu dò siêu âm vào thiết bị phản ứng hóa học có thể giảm chi phí thiết bị phản ứng, cải thiện hiệu quả tổng thể và chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Trong lĩnh vực kỹ thuật thiết bị phản ứng hóa học, kiến thức về tăng cường quá trình có hỗ trợ siêu âm rất thường còn thiếu. Nếu không có kiến thức chuyên sâu về ảnh hưởng của siêu âm công suất cao, khuấy trộn bằng siêu âm, xâm thực âm và các hiệu ứng hóa siêu âm đối với hiệu năng của thiết bị phản ứng hóa học, việc phân tích thiết bị phản ứng hóa học và các nguyên lý thiết kế thông thường chỉ có thể mang lại kết quả kém hơn. Dưới đây là tổng quan về những lợi ích cơ bản của siêu âm đối với thiết kế và tối ưu hóa thiết bị phản ứng hóa học.

Ưu điểm của thiết bị phản ứng bồn khuấy liên tục (CSTR) được tăng cường bằng siêu âm

• • Thiết bị phản ứng được tăng cường bằng siêu âm cho phòng thí nghiệm và sản xuất:
    Dễ dàng mở rộng quy mô: Thiết bị xử lý siêu âm có sẵn cho quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và sản xuất quy mô lớn
    Kết quả có thể tái lập / lặp lại nhờ các thông số siêu âm có thể được kiểm soát chính xác
    Năng suất và tốc độ phản ứng: các phản ứng được tăng cường bằng siêu âm diễn ra nhanh hơn và do đó tiết kiệm hơn (chi phí thấp hơn)
  • Hóa siêu âm có thể được áp dụng cho các mục đích thông thường cũng như chuyên biệt

– khả năng thích ứng và tính đa dụng, ví dụ: các tùy chọn lắp đặt và bố trí linh hoạt cùng khả năng sử dụng liên ngành

• Có thể sử dụng phương pháp xử lý bằng siêu âm trong môi trường dễ nổ
  – đuổi khí (ví dụ: phủ khí nitơ)
  – không có bề mặt hở
• Vệ sinh đơn giản: tự làm sạch (CIP – vệ sinh tại chỗ)
• Chọn vật liệu chế tạo theo nhu cầu của bạn
  – thủy tinh, thép không gỉ, titan
  – không có phớt làm kín trục quay
  – nhiều lựa chọn về vật liệu làm kín
• Thiết bị siêu âm có thể được sử dụng trong một dải nhiệt độ rộng
• Thiết bị siêu âm có thể được sử dụng trong một dải áp suất rộng
• Hiệu ứng hiệp đồng với các công nghệ khác, ví dụ: điện hóa (điện hóa siêu âm), xúc tác (xúc tác siêu âm), kết tinh (kết tinh siêu âm), v.v.
• Xử lý bằng siêu âm là phương pháp lý tưởng để tăng cường hiệu quả của thiết bị phản ứng sinh học, ví dụ trong quá trình lên men.
• Sự hòa tan / Hòa tan: Trong các quá trình hòa tan, các hạt chuyển từ pha này sang pha khác, ví dụ khi các hạt rắn hòa tan trong chất lỏng. Người ta nhận thấy mức độ khuấy trộn ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình. Nhiều tinh thể nhỏ hòa tan dưới tác động của xâm thực siêu âm nhanh hơn nhiều so với một tinh thể trong thiết bị phản ứng theo mẻ được khuấy trộn thông thường. Ở đây cũng vậy, nguyên nhân dẫn đến tốc độ khác nhau nằm ở tốc độ truyền khối khác nhau tại bề mặt các hạt. Ví dụ, xử lý bằng siêu âm được áp dụng thành công để tạo ra các dung dịch quá bão hòa, chẳng hạn trong các quá trình kết tinh (kết tinh siêu âm).
• Chiết xuất hóa học được thúc đẩy bằng siêu âm:
  – Lỏng–rắn, ví dụ: chiết xuất thực vật, chiết xuất hóa học
  – Lỏng–lỏng: Khi siêu âm được áp dụng cho hệ chiết lỏng–lỏng, một pha sẽ tạo thành nhũ tương trong pha còn lại. Sự hình thành nhũ tương này làm tăng diện tích bề mặt phân cách giữa hai pha không hòa lẫn, từ đó tăng thông lượng truyền khối giữa các pha.

Xử lý siêu âm cải thiện các phản ứng hóa học trong thiết bị phản ứng bồn khuấy như thế nào?

• Diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn: Trong các phản ứng giữa các chất phản ứng thuộc các pha khác nhau, chỉ những hạt va chạm với nhau tại bề mặt phân cách mới có thể phản ứng. Bề mặt phân cách càng lớn thì càng có thể xảy ra nhiều va chạm. Khi một phần chất ở thể lỏng hoặc rắn bị chia nhỏ thành các giọt nhỏ hơn hoặc các hạt rắn lơ lửng trong chất lỏng tạo thành pha liên tục, diện tích bề mặt của chất này tăng lên. Hơn nữa, do kích thước giảm, số lượng hạt tăng lên và do đó khoảng cách trung bình giữa các hạt này giảm xuống. Điều này cải thiện sự tiếp xúc của pha liên tục với pha phân tán. Vì vậy, tốc độ phản ứng tăng theo mức độ phân mảnh của pha phân tán. Nhiều phản ứng hóa học trong hệ phân tán hoặc nhũ tương cho thấy tốc độ phản ứng được cải thiện mạnh mẽ nhờ việc giảm kích thước hạt bằng siêu âm.
• Xúc tác (Năng lượng hoạt hóa): Chất xúc tác có vai trò rất quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học, trong hoạt động nghiên cứu phát triển ở phòng thí nghiệm và trong sản xuất công nghiệp. Chất xúc tác thường ở pha rắn hoặc lỏng và không hòa lẫn với một hoặc tất cả các chất phản ứng. Do đó, trong phần lớn trường hợp, phản ứng xúc tác là phản ứng hóa học dị thể. Trong sản xuất các hóa chất cơ bản quan trọng nhất như axit sulfuric, amoniac, axit nitric, etilen và metanol, chất xúc tác đóng vai trò quan trọng. Nhiều lĩnh vực rộng lớn của công nghệ môi trường dựa trên các quá trình xúc tác. Sự va chạm giữa các hạt chỉ dẫn đến phản ứng hóa học, tức là sự sắp xếp lại các nguyên tử, khi các hạt va chạm với động năng đủ lớn. Xử lý siêu âm là một phương pháp có hiệu quả rất cao để tăng tốc động học phản ứng trong các thiết bị phản ứng hóa học. Trong quá trình xúc tác dị thể, việc tích hợp siêu âm vào thiết kế thiết bị phản ứng hóa học có thể làm giảm yêu cầu về chất xúc tác. Điều này có thể cho phép sử dụng ít chất xúc tác hơn hoặc sử dụng các chất xúc tác có chất lượng thấp hơn, ít quý hơn.
• Tần suất tiếp xúc cao hơn / Truyền khối được cải thiện: Trộn và khuấy bằng siêu âm là phương pháp có hiệu quả rất cao để tạo ra các giọt và hạt cực nhỏ (tức là các hạt dưới micromet và hạt nano), mang lại diện tích bề mặt hoạt động lớn hơn cho các phản ứng. Dưới tác động bổ sung của sự khuấy trộn mạnh và chuyển động vi mô do siêu âm công suất gây ra, tần suất tiếp xúc giữa các hạt tăng mạnh, giúp cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển hóa.
• Plasma nén: Đối với nhiều phản ứng, khi nhiệt độ trong thiết bị phản ứng tăng thêm 10 kelvin, tốc độ phản ứng tăng lên khoảng gấp đôi. Hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các điểm nóng cục bộ có khả năng phản ứng cao với nhiệt độ lên đến 5000K trong chất lỏng, mà không làm nóng đáng kể toàn bộ thể tích chất lỏng trong thiết bị phản ứng hóa học.
• Nhiệt năng: Bất kỳ năng lượng siêu âm nào được đưa vào thiết bị phản ứng hóa học theo thiết kế cuối cùng đều sẽ chuyển thành nhiệt năng. Do đó, bạn có thể tái sử dụng năng lượng này cho quá trình hóa học. Thay vì cung cấp nhiệt năng bằng các bộ phận gia nhiệt hoặc hơi nước, xử lý siêu âm đưa vào cơ năng có tác dụng hoạt hóa quá trình thông qua các dao động tần số cao. Trong thiết bị phản ứng hóa học, điều này tạo ra hiện tượng xâm thực siêu âm, hoạt hóa quá trình hóa học ở nhiều cấp độ. Cuối cùng, tác động cắt cực mạnh của siêu âm lên các hóa chất dẫn đến sự chuyển đổi thành nhiệt năng, tức là nhiệt. Bạn có thể sử dụng thiết bị phản ứng theo mẻ có áo trao đổi nhiệt hoặc thiết bị phản ứng trên đường ống để làm mát nhằm duy trì nhiệt độ quá trình không đổi cho phản ứng hóa học của mình.

Thiết bị siêu âm hiệu suất cao giúp cải thiện các phản ứng hóa học trong CSTR

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối các máy đồng hóa và máy phân tán siêu âm hiệu suất cao để tích hợp vào các thiết bị phản ứng bồn khuấy liên tục (CSTR). Các máy siêu âm Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới để thúc đẩy, tăng cường, đẩy nhanh và cải thiện các phản ứng hóa học.
Các thiết bị xử lý siêu âm của Hielscher Ultrasonics có đủ mọi kích cỡ, từ các thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ đến các thiết bị xử lý công nghiệp lớn dành cho các ứng dụng hóa học dòng chảy. Việc điều chỉnh chính xác biên độ siêu âm (thông số quan trọng nhất) cho phép vận hành máy siêu âm Hielscher ở các biên độ từ thấp đến rất cao và tinh chỉnh biên độ để đáp ứng chính xác các điều kiện xử lý siêu âm cần thiết của hệ phản ứng hóa học cụ thể.
Bộ phát siêu âm của Hielscher có phần mềm thông minh với chức năng tự động ghi dữ liệu. Tất cả các thông số xử lý quan trọng như năng lượng siêu âm, nhiệt độ, áp suất và thời gian đều được tự động lưu vào thẻ SD tích hợp ngay khi thiết bị được bật.
Giám sát quá trình và ghi dữ liệu rất quan trọng đối với việc tiêu chuẩn hóa quá trình liên tục và chất lượng sản phẩm. Bằng cách truy cập dữ liệu quá trình được ghi tự động, bạn có thể xem xét lại các lần xử lý siêu âm trước đó và đánh giá kết quả.
Một tính năng thân thiện với người dùng khác là khả năng điều khiển từ xa qua trình duyệt của các hệ thống siêu âm kỹ thuật số của chúng tôi. Thông qua chức năng điều khiển từ xa qua trình duyệt, bạn có thể khởi động, dừng, điều chỉnh và giám sát thiết bị xử lý siêu âm từ xa ở bất kỳ đâu.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để tìm hiểu thêm về cách các máy đồng hóa siêu âm hiệu suất cao của chúng tôi có thể cải thiện thiết bị phản ứng bồn khuấy liên tục (CSTR) của bạn!
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi: