Lò phản ứng bể khuấy liên tục được khuấy động bằng siêu âm

Lò phản ứng bể khuấy liên tục (CSTR) được áp dụng rộng rãi cho các phản ứng hóa học khác nhau bao gồm xúc tác, hóa học nhũ tương, trùng hợp, tổng hợp, chiết xuất và kết tinh. Động học phản ứng chậm là một vấn đề phổ biến trong CSTR, có thể dễ dàng khắc phục bằng cách áp dụng siêu âm điện. Sự pha trộn mạnh mẽ, khuấy trộn và các hiệu ứng sonochemical của siêu âm điện làm tăng tốc động học phản ứng và cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển đổi. Ultrasonicators có thể dễ dàng tích hợp vào CSTRs của bất kỳ khối lượng.

Tại sao áp dụng siêu âm điện cho lò phản ứng bể khuấy liên tục?

Lò phản ứng bể khuấy liên tục (CSTR, hoặc đơn giản là lò phản ứng bể khuấy (STR)) có đặc điểm chính khá giống với lò phản ứng theo lô. Sự khác biệt quan trọng chính là, đối với thiết lập lò phản ứng bể khuấy liên tục (CSTR), nguồn cấp nguyên liệu phải được cung cấp trong dòng chảy liên tục vào và ra khỏi lò phản ứng. Việc cấp liệu cho lò phản ứng có thể đạt được bằng dòng trọng lực hoặc dòng tuần hoàn cưỡng bức bằng máy bơm. CSTR đôi khi được gọi là lò phản ứng dòng chảy hỗn hợp ngược (BMR).
CSTR thường được sử dụng khi cần khuấy trộn hai hoặc nhiều chất lỏng. CSTR có thể được sử dụng như lò phản ứng đơn lẻ hoặc được cài đặt dưới dạng một loạt các cấu hình cho các dòng nồng độ và các bước phản ứng khác nhau. Bên cạnh việc sử dụng một lò phản ứng bể chứa duy nhất, việc lắp đặt nối tiếp các bể khác nhau (lần lượt) hoặc thiết lập tầng thường được sử dụng.
Tại sao Ultrasonication? Siêu âm trộn và khuấy động cũng như các hiệu ứng sonochemical của siêu âm điện được biết đến để góp phần vào hiệu quả của các phản ứng hóa học. Việc trộn và giảm kích thước hạt được cải thiện do rung động siêu âm và xâm thực cung cấp động học tăng tốc đáng kể và tỷ lệ chuyển đổi nâng cao. Hiệu ứng Sonochemical có thể cung cấp năng lượng cần thiết để bắt đầu các phản ứng hóa học, chuyển đổi con đường hóa học và cho năng suất cao hơn do phản ứng hoàn chỉnh hơn.

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

• Phản ứng lỏng-lỏng không đồng nhất
• Phản ứng rắn-lỏng không đồng nhất
• Phản ứng pha lỏng đồng nhất
• Phản ứng khí-lỏng không đồng nhất
• Phản ứng khí-rắn-lỏng không đồng nhất

Ultrasonication như hệ thống hóa học tổng hợp tốc độ cao

Hóa học tổng hợp tốc độ cao là một kỹ thuật phản ứng mới được sử dụng để bắt đầu và tăng cường tổng hợp hóa học. So với các con đường phản ứng truyền thống, cần vài giờ hoặc vài ngày dưới trào ngược, các lò phản ứng tổng hợp được thúc đẩy siêu âm có thể giảm thiểu thời gian phản ứng xuống còn vài phút dẫn đến phản ứng tổng hợp tăng tốc đáng kể. Tăng cường tổng hợp siêu âm dựa trên nguyên tắc làm việc của xâm thực âm thanh và các lực liên quan của nó bao gồm cả quá nhiệt hạn chế cục bộ. Tìm hiểu thêm về siêu âm, cavitation âm thanh và sonochemistry trong phần tiếp theo.

Siêu âm Cavitation và hiệu ứng Sonochemical của nó

Siêu âm (hoặc âm thanh) cavitation xảy ra khi siêu âm điện được kết hợp vào chất lỏng hoặc bùn. Cavitation là sự chuyển đổi từ pha lỏng sang pha hơi, xảy ra do áp suất giảm xuống mức độ căng hơi của chất lỏng.
Siêu âm cavitation tạo ra lực cắt rất cao và máy bay phản lực lỏng với lên đến 1000m / s. Những tia chất lỏng này làm tăng tốc hạt và gây ra va chạm giữa các hạt, do đó làm giảm kích thước hạt của chất rắn và giọt. Ngoài ra – khu trú bên trong và gần bong bóng xâm thực nổ tung – Áp suất cực cao theo thứ tự hàng trăm atm và nhiệt độ theo thứ tự hàng ngàn độ Kelvin được tạo ra.
Mặc dù ultrasonication là một phương pháp xử lý hoàn toàn cơ học, nó có thể tạo ra một sự gia tăng nhiệt độ cực đoan hạn chế cục bộ. Điều này là do các lực mạnh được tạo ra bên trong và gần với các bong bóng xâm thực sụp đổ, nơi có thể dễ dàng đạt được nhiệt độ vài nghìn độ C. Trong dung dịch số lượng lớn, sự gia tăng nhiệt độ do một vụ nổ bong bóng duy nhất gần như không đáng kể, nhưng sự tản nhiệt từ nhiều bong bóng xâm thực như được quan sát thấy ở các điểm nóng xâm thực (được tạo ra bởi sonication với siêu âm công suất cao) cuối cùng có thể gây ra sự gia tăng nhiệt độ có thể đo được trong nhiệt độ khối. Ưu điểm của ultrasonication và sonochemistry nằm ở các hiệu ứng nhiệt độ có thể kiểm soát trong quá trình chế biến: Kiểm soát nhiệt độ của giải pháp số lượng lớn có thể đạt được bằng cách sử dụng xe tăng với áo khoác làm mát cũng như sonication xung. Hielscher Ultrasonics 'ultrasonicators tinh vi có thể tạm dừng siêu âm khi đạt đến giới hạn nhiệt độ trên và tiếp tục với ultrasonication ngay khi đạt được giá trị thấp hơn của một bộ ∆T. Điều này đặc biệt quan trọng khi sử dụng các chất phản ứng nhạy cảm với nhiệt.

Sonochemistry cải thiện động học phản ứng

Vì sonication tạo ra rung động mạnh và xâm thực, động học hóa học bị ảnh hưởng. Động học của một hệ thống hóa học tương quan chặt chẽ với sự giãn nở và nổ bong bóng xâm thực, theo đó tác động đáng kể đến động lực học của chuyển động bong bóng. Khí hòa tan trong dung dịch phản ứng hóa học ảnh hưởng đến các đặc tính của phản ứng sonochemical thông qua cả hai, hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng hóa học. Các hiệu ứng nhiệt ảnh hưởng đến nhiệt độ đỉnh đạt được trong quá trình sụp đổ bong bóng trong khoảng trống xâm thực; Các hiệu ứng hóa học làm thay đổi tác động của khí, có liên quan trực tiếp đến phản ứng.
Các phản ứng không đồng nhất và đồng nhất với động học phản ứng chậm bao gồm phản ứng khớp nối Suzuki, kết tủa, kết tinh và hóa học nhũ tương được định sẵn để bắt đầu và thúc đẩy thông qua siêu âm điện và các hiệu ứng sonochemical của nó.
Ví dụ, để tổng hợp axit ferulic, sonication tần số thấp (20kHz) ở công suất 180 W cho năng suất axit ferulic 94% ở 60 ° C trong 3 giờ. Những kết quả này của Truong et al. (2018) chứng minh rằng việc sử dụng tần số thấp (loại sừng và chiếu xạ công suất cao) đã cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển đổi, cho năng suất cao hơn 90%.

Hóa học nhũ tương tăng cường siêu âm

Các phản ứng không đồng nhất như hóa học nhũ tương được hưởng lợi đáng kể từ việc áp dụng siêu âm điện. Siêu âm cavitation giảm và phân phối các giọt của mỗi pha đồng nhất trong nhau tạo ra một sub-micron hoặc nano-nhũ tương. Vì các giọt có kích thước nano cung cấp diện tích bề mặt tăng đáng kể để tương tác với các giọt khác nhau, tốc độ truyền khối lượng và phản ứng được cải thiện đáng kể. Dưới sonication, các phản ứng được biết đến với động học chậm điển hình của chúng cho thấy tỷ lệ chuyển đổi được cải thiện đáng kể, năng suất cao hơn, ít sản phẩm phụ hoặc chất thải hơn và hiệu quả tổng thể tốt hơn. Hóa học nhũ tương cải thiện ultrasonically thường được áp dụng cho trùng hợp nhũ tương, ví dụ, để sản xuất hỗn hợp polymer, chất kết dính gốc nước và polyme đặc biệt.

10 điều bạn nên biết, trước khi mua lò phản ứng hóa học

Khi bạn chọn một lò phản ứng hóa học cho một quá trình hóa học, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế lò phản ứng hóa học tối ưu. Nếu quá trình hóa học của bạn liên quan đến các phản ứng hóa học nhiều pha, không đồng nhất và có động học phản ứng chậm, khuấy trộn lò phản ứng và kích hoạt quá trình là những yếu tố ảnh hưởng thiết yếu để chuyển đổi hóa học thành công và cho chi phí kinh tế (vận hành) của lò phản ứng hóa học.
Ultrasonication cải thiện động học phản ứng của các phản ứng hóa học lỏng-lỏng và lỏng-rắn trong lò phản ứng lô hóa học và tàu phản ứng nội tuyến đáng kể. Do đó, việc tích hợp các đầu dò siêu âm trong lò phản ứng hóa học có thể làm giảm chi phí lò phản ứng và cải thiện hiệu quả tổng thể và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
Rất thường xuyên, kỹ thuật lò phản ứng hóa học thiếu kiến thức về tăng cường quá trình hỗ trợ siêu âm. Nếu không có kiến thức sâu sắc về ảnh hưởng của siêu âm điện, kích động siêu âm, xâm thực âm thanh và hiệu ứng sonochemical đến hiệu suất lò phản ứng hóa học, phân tích lò phản ứng hóa học và các nguyên tắc cơ bản thiết kế thông thường chỉ có thể tạo ra kết quả kém hơn. Dưới đây, bạn sẽ có được một cái nhìn tổng quan về những lợi ích cơ bản của siêu âm cho thiết kế lò phản ứng hóa học và tối ưu hóa.

Ưu điểm của lò phản ứng bể khuấy liên tục tăng cường siêu âm (CSTR)

• • Lò phản ứng tăng cường siêu âm cho phòng thí nghiệm và sản xuất:
    Khả năng mở rộng dễ dàng: Bộ vi xử lý siêu âm có sẵn cho kích thước phòng thí nghiệm, thí điểm và sản xuất quy mô lớn
    Có thể tái tạo / lặp lại kết quả do các thông số siêu âm có thể kiểm soát chính xác
    Công suất và tốc độ phản ứng: phản ứng tăng cường siêu âm nhanh hơn và do đó kinh tế hơn (chi phí thấp hơn)
  • Sonochemistry được áp dụng cho các mục đích chung cũng như đặc biệt

– khả năng thích ứng & Tính linh hoạt, ví dụ: các tùy chọn cài đặt và thiết lập linh hoạt và sử dụng liên ngành

• Ultrasonication có thể được sử dụng trong môi trường nổ
  – thanh lọc (ví dụ: chăn nitơ)
  – không có bề mặt mở
• Làm sạch đơn giản: tự làm sạch (CIP – dọn dẹp tại chỗ)
• Chọn vật liệu xây dựng ưa thích của bạn
  – thủy tinh, thép không gỉ, titan
  – không có con dấu quay
  – nhiều lựa chọn chất bịt kín
• Ultrasonicators có thể được sử dụng trong một phạm vi rộng của nhiệt độ
• Ultrasonicators có thể được sử dụng ở một loạt các áp lực
• Hiệu ứng hiệp đồng với các công nghệ khác, ví dụ: điện hóa học (sono-điện hóa học), xúc tác (xúc tác sono), kết tinh (kết tinh sono), v.v.
• Sonication là lý tưởng để tăng cường lò phản ứng sinh học, ví dụ, lên men.
• Hòa tan / Hòa tan: Trong các quá trình hòa tan, các hạt truyền từ pha này sang pha khác, ví dụ như khi các hạt rắn hòa tan trong chất lỏng. Nó được tìm thấy rằng mức độ kích động ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình. Nhiều tinh thể nhỏ hòa tan nhanh hơn nhiều dưới cavitation siêu âm so với một trong các lò phản ứng hàng loạt khuấy thông thường. Ở đây cũng vậy, lý do cho các tốc độ khác nhau nằm ở tốc độ truyền khối lượng khác nhau ở các bề mặt hạt. Ví dụ, ultrasonication được áp dụng thành công để tạo ra các giải pháp siêu bão hòa, ví dụ, trong quá trình kết tinh (sono-kết tinh).
• Ultrasonically thúc đẩy khai thác hóa học:
  – Chất lỏng-rắn, ví dụ như chiết xuất thực vật, chiết xuất hóa học
  – Chất lỏng-lỏng: Khi siêu âm được áp dụng cho một hệ thống chiết xuất chất lỏng-lỏng, một nhũ tương của một trong các pha khác được tạo ra. Sự hình thành nhũ tương này dẫn đến tăng diện tích giao thoa giữa hai pha không thể trộn lẫn dẫn đến tăng cường thông lượng truyền khối lượng giữa các pha.

Làm thế nào để sonication cải thiện phản ứng hóa học trong lò phản ứng bể khuấy?

• Diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn: Trong các phản ứng giữa các chất phản ứng trong các pha không đồng nhất, chỉ các hạt va chạm với nhau tại giao diện mới có thể phản ứng. Giao diện càng lớn, càng có nhiều va chạm có thể xảy ra. Khi một phần chất lỏng hoặc rắn của một chất được chia thành các giọt nhỏ hơn hoặc các hạt rắn lơ lửng trong chất lỏng pha liên tục, diện tích bề mặt của chất này tăng lên. Hơn nữa, do giảm kích thước, số lượng hạt tăng lên và do đó khoảng cách trung bình giữa các hạt này giảm. Điều này cải thiện sự tiếp xúc của pha liên tục với pha phân tán. Do đó, tốc độ phản ứng tăng theo mức độ phân mảnh của pha phân tán. Nhiều phản ứng hóa học trong phân tán hoặc nhũ tương cho thấy sự cải thiện mạnh mẽ về tốc độ phản ứng do giảm kích thước hạt siêu âm.
• Xúc tác (Năng lượng kích hoạt): Chất xúc tác có tầm quan trọng lớn trong nhiều phản ứng hóa học, trong phát triển phòng thí nghiệm và trong sản xuất công nghiệp. Thông thường các chất xúc tác ở pha rắn hoặc lỏng và không thể trộn lẫn với một chất phản ứng hoặc tất cả các chất phản ứng. Do đó, thường xuyên hơn không, xúc tác là một phản ứng hóa học không đồng nhất. Trong sản xuất các hóa chất cơ bản quan trọng nhất như axit sulfuric, amoniac, axit nitric, ethene và metanol, chất xúc tác đóng một vai trò quan trọng. Các lĩnh vực rộng lớn của công nghệ môi trường dựa trên các quá trình xúc tác. Sự va chạm của các hạt dẫn đến phản ứng hóa học, tức là tập hợp lại các nguyên tử, chỉ khi các hạt va chạm với động năng đủ. Ultrasonication là một phương tiện hiệu quả cao để tăng động học trong lò phản ứng hóa học. Trong một quá trình xúc tác không đồng nhất, việc bổ sung siêu âm vào thiết kế lò phản ứng hóa học có thể làm giảm yêu cầu về chất xúc tác. Điều này có thể dẫn đến việc sử dụng ít chất xúc tác hơn hoặc các chất xúc tác kém chất độc hơn, ít cao quý hơn.
• Tần suất tiếp xúc cao hơn / Cải thiện chuyển khối lượng: Trộn siêu âm và khuấy trộn là một phương pháp có hiệu quả cao để tạo ra các giọt và hạt nhỏ (tức là các hạt phụ micron và nano), cung cấp bề mặt hoạt động cao hơn cho các phản ứng. Dưới sự khuấy động dữ dội bổ sung và chuyển động vi mô gây ra bởi siêu âm điện, tần số tiếp xúc giữa các hạt được tăng mạnh dẫn đến tỷ lệ chuyển đổi được cải thiện đáng kể.
• Plasma nén: Đối với nhiều phản ứng, nhiệt độ lò phản ứng tăng 10 Kelvin làm cho tốc độ phản ứng tăng gần gấp đôi. Siêu âm cavitation tạo ra các điểm nóng phản ứng cao cục bộ lên đến 5000K trong chất lỏng, mà không làm nóng đáng kể khối lượng chất lỏng tổng thể trong lò phản ứng hóa học.
• Năng lượng nhiệt: Bất kỳ năng lượng siêu âm mà bạn thêm vào một thiết kế lò phản ứng hóa học, cuối cùng sẽ được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt. Do đó, bạn có thể tái sử dụng năng lượng cho quá trình hóa học. Thay vì một đầu vào năng lượng nhiệt bằng các yếu tố làm nóng hoặc hơi nước, siêu âm giới thiệu một quá trình kích hoạt năng lượng cơ học bằng phương tiện rung động tần số cao. Trong lò phản ứng hóa học, điều này tạo ra cavitation siêu âm kích hoạt quá trình hóa học trên nhiều cấp độ. Cuối cùng, sự cắt siêu âm to lớn của các hóa chất dẫn đến việc chuyển đổi thành năng lượng nhiệt, tức là nhiệt. Bạn có thể sử dụng lò phản ứng hàng loạt có vỏ bọc hoặc lò phản ứng nội tuyến để làm mát để duy trì nhiệt độ quá trình không đổi cho phản ứng hóa học của bạn.

Ultrasonicators hiệu suất cao để cải thiện phản ứng hóa học trong CSTR

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối homogenizers siêu âm hiệu suất cao và dispersers cho sự tích hợp vào liên tục khuấy bể phản ứng (CSTR). Hielscher ultrasonicators được sử dụng trên toàn thế giới để thúc đẩy, tăng cường, tăng tốc và cải thiện các phản ứng hóa học.
Hielscher Siêu âm’ Bộ vi xử lý siêu âm có sẵn ở bất kỳ kích thước nào từ các thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ đến bộ xử lý công nghiệp lớn cho các ứng dụng hóa học dòng chảy. Điều chỉnh chính xác biên độ siêu âm (là thông số quan trọng nhất) cho phép vận hành siêu âm Hielscher ở biên độ thấp đến rất cao và tinh chỉnh biên độ chính xác theo điều kiện quá trình siêu âm cần thiết của hệ thống phản ứng hóa học cụ thể.
Máy phát siêu âm của Hielscher có một phần mềm thông minh với giao thức dữ liệu tự động. Tất cả các thông số xử lý quan trọng như năng lượng siêu âm, nhiệt độ, áp suất và thời gian được tự động lưu trữ vào thẻ SD tích hợp ngay khi thiết bị được bật.
Giám sát quá trình và ghi dữ liệu rất quan trọng để tiêu chuẩn hóa quy trình liên tục và chất lượng sản phẩm. Bằng cách truy cập dữ liệu quá trình được ghi lại tự động, bạn có thể sửa đổi các lần chạy sonication trước đó và đánh giá kết quả.
Một tính năng thân thiện với người dùng khác là điều khiển từ xa trình duyệt của các hệ thống siêu âm kỹ thuật số của chúng tôi. Thông qua điều khiển trình duyệt từ xa, bạn có thể bắt đầu, dừng, điều chỉnh và giám sát bộ xử lý siêu âm của bạn từ xa từ bất cứ đâu.
Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ để tìm hiểu thêm về máy đồng nhất siêu âm hiệu suất cao của chúng tôi có thể cải thiện lò phản ứng bể khuấy liên tục (CSTR) của bạn!
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: