Ultrason ile Tedirgin Sürekli Karıştırılmış Tank Reaktörleri
Sürekli karıştırılan tank reaktörleri (CSTR), kataliz, emülsiyon kimyası, polimerizasyon, sentez, ekstraksiyon ve kristalizasyon dahil olmak üzere çeşitli kimyasal reaksiyonlar için yaygın olarak uygulanmaktadır. Yavaş reaksiyon kinetiği, güç ultrasonication uygulaması ile kolayca üstesinden gelinebilen CSTR'de yaygın bir sorundur. Güç-ultrasonun yoğun karıştırma, ajitasyon ve sonokimyasal etkileri reaksiyon kinetiğini hızlandırır ve dönüşüm oranını önemli ölçüde artırır. Ultrasonicators kolayca herhangi bir hacim CSTR entegre edilebilir.
Sürekli Karıştırılan Bir Tank Reaktörüne Neden Güç Ultrasonu Uygulanıyor?
Sürekli Karıştırılmış Tank Reaktörü (CSTR veya sadece karıştırılmış tank reaktörü (STR)), ana özelliklerinde parti reaktörüne oldukça benzer. En önemli fark, sürekli karıştırılmış tank reaktörü (CSTR) kurulumu için malzemenin akışının reaktöre sürekli akışta ve reaktörden dışarı doğru sağlanması gerektiğidir. Reaktörün beslenmesi, yerçekimi akışı veya bir pompa kullanılarak zorunlu dolaşım akışı ile elde edilebilir. CSTR bazen arkadan karışık akış reaktörü (BMR) olarak adlandırılır.
CSTR'ler genellikle iki veya daha fazla sıvının ajitasyonu gerektiğinde kullanılır. CSTR'ler tek reaktör olarak kullanılabilir veya farklı konsantrasyon akışları ve reaksiyon adımları için bir dizi konfigürasyon olarak monte edilebilir. Tek bir tank reaktörünün kullanılmasının yanı sıra, çeşitli tankların seri montajı (birbiri ardına) veya basamaklı kurulum yaygın olarak kullanılır.
Neden Ultrasonication? Ultrasonik karıştırma ve ajitasyon yanı sıra güç ultrason sonokimyasal etkileri kimyasal reaksiyonların verimliliğine katkıda bulunmak için iyi bilinmektedir. Ultrasonik titreşimler ve kavitasyon nedeniyle geliştirilmiş karıştırma ve parçacık boyutu azaltma önemli ölçüde hızlandırılmış 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 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. Reflü altında birkaç saat veya gün gerektiren geleneksel reaksiyon yollarına kıyasla, ultrasonik olarak teşvik edilen sentez reaktörleri reaksiyon süresini birkaç dakikaya kadar en aza indirebilir ve bu da önemli bir hızlandırılmış sentez reaksiyona neden olabilir. Ultrasonik sentez yoğunlaştırma akustik kavitasyon çalışma prensibi ve yerel olarak sınırlı süper ısıtma da dahil olmak üzere ilgili kuvvetlerine dayanmaktadır. Bir sonraki bölümde ultrason, akustik kavitasyon ve sonokemistry hakkında daha fazla bilgi edinin.
Ultrasonik Kavitasyon ve Sonokimyasal Etkileri
Ultrasonik (veya akustik) kavitasyon, güç ultrason sıvılar veya bulamaçlar halinde birleştiğinde oluşur. Kavitasyon, sıvı fazından, sıvının buhar gerilimi seviyesine kadar bir basınç düşüşü nedeniyle meydana gelen buhar fazına geçiştir.
Ultrasonik kavitasyon 1000m / s kadar çok yüksek kesme kuvvetleri ve sıvı jetler oluşturur. Bu sıvı jetler partikülleri hızlandırır ve parçacıklar arası çarpışmalara neden olur, böylece katıların ve damlacıkların parçacık boyutunu azaltır. Ayrıca – iç çökelti kavitasyon balonunun içinde ve yakınında lokalize – yüzlerce atmosfer ve sıcaklık sırası üzerinde binlerce derece Kelvin sırasına göre son derece yüksek basınçlar üretilir.
Ultrasonication tamamen mekanik bir işleme yöntemi olmasına rağmen, yerel olarak sınırlı bir aşırı sıcaklık artışı üretebilir. Bunun nedeni, binlerce santigrat derecelik sıcaklıklara kolayca ulaşılabilen çöken kavitasyon kabarcıklarının içinde ve yakınında üretilen yoğun kuvvetlerdir. Toplu çözeltide, tek bir kabarcık patlamasından kaynaklanan sıcaklık artışı neredeyse ihmal edilebilir, ancak kavitasyon sıcak noktalarında (yüksek güçlü ultrason ile sonication tarafından üretildiği gibi) gözlendiği gibi çok sayıda kavitasyon kabarcıklarından ısı dağılımı nihayet toplu sıcaklıkta ölçülebilir bir sıcaklık artışlarına neden olabilir. Ultrasonication ve sonochemistry avantajı işleme sırasında kontrol edilebilir sıcaklık etkileri yatmaktadır: Toplu çözeltinin sıcaklık kontrolü, soğutma ceketli tankların yanı sıra darbeli sonikasyon kullanılarak elde edilebilir. Hielscher Ultrasonics'in sofistike ultrasonicators bir üst sıcaklık sınırına ulaşıldığında ultrason duraklatabilir ve bir set ∆T'nin alt değerine ulaşılır ulaşılmaz ultrasonication ile devam edebilir. Bu özellikle ısıya duyarlı reasepantlar kullanıldığında önemlidir.
Sonochemistry Reaksiyon Kinetiğini Geliştirir
Sonication yoğun titreşimler ve kavitasyon ürettiğinden, kimyasal kinetik etkilenir. Kimyasal bir sistemin kinetiği kavitasyon kabarcık genişlemesi ve patlaması ile yakından ilişkilidir, böylece kabarcık hareketinin dinamiklerini önemli ölçüde etkiler. Kimyasal reaksiyon çözeltislerindeki çözünmüş gazlar, hem termal etkiler hem de kimyasal etkiler yoluyla sonokimyasal reaksiyonun özelliklerini etkiler. Termal etkiler kavitasyon boşluğu içinde kabarcık çökmesi sırasında ulaşılan tepe sıcaklıklarını etkiler; kimyasal etkiler, doğrudan bir reaksiyona karışan gazların etkilerini değiştirir.
Suzuki kavrama reaksiyonları, çökeltme, kristalizasyon ve emülsiyon kimyası dahil olmak üzere yavaş reaksiyon kinetiği ile heterojen ve homojen reaksiyonların güç-ultrason ve sonokimyasal etkileri ile başlatılması ve teşvik edilmesi önceden belirlenmiştir.
Örneğin, ferulik asit sentezi için, 180 W gücünde düşük frekanslı (20kHz) sonication, 3 saat içinde 60 ° C'de% 94 ferulik asit verimi verdi. Truong ve ark. (2018) tarafından elde edilen bu sonuçlar, düşük frekans (boynuz tipi ve yüksek güçlü ışınlama) kullanımının dönüşüm oranını önemli ölçüde artırdığını ve % 90'dan daha yüksek verim verdiğini göstermektedir.
Ultrasonik Olarak Yoğunlaştırılmış Emülsiyon Kimyası
Emülsiyon kimyası gibi heterojen reaksiyonlar, güç ultrasonunun uygulanmasından önemli ölçüde fayda sağlar. Ultrasonik kavitasyon azaldı ve bir alt mikron veya nano emülsiyon oluşturarak her fazın damlacıklarını homojen bir şekilde birbirleri içinde dağıttı. Nano boyutlu damlacıklar, farklı damlacıklarla etkileşime girmek için büyük ölçüde artmış bir yüzey alanı sunduğundan, kütle transferi ve reaksiyon oranı önemli ölçüde geliştirilmiştir. Sonication altında, tipik olarak yavaş kinetikleri ile bilinen reaksiyonlar, dönüşüm oranlarının önemli ölçüde arttığını, daha yüksek verim, daha az yan ürün veya atık ve daha iyi genel verimlilik göstermektedir. Ultrasonik olarak geliştirilmiş emülsiyon kimyası genellikle emülsiyon polimerizasyonu için uygulanır, örneğin polimer karışımları, su kaynaklı yapıştırıcılar ve özel polimerler üretmek için.
Kimyasal reaktör satın almadan önce bilmeniz gereken 10 şey
Kimyasal bir işlem için bir kimyasal reaktör seçtiğinizde, optimum kimyasal reaktör tasarımını etkileyen birçok faktör vardır. Kimyasal prosesiniz çok fazlı, heterojen kimyasal reaksiyonlar içeriyorsa ve yavaş reaksiyon kinetiği varsa, reaktör ajitasyonu ve proses aktivasyonu, başarılı kimyasal dönüşüm ve kimyasal reaktörün ekonomik (operasyonel) maliyetleri için önemli faktörlerdir.
Ultrasonication, kimyasal parti reaktörlerde ve satır içi reaksiyon gemilerinde sıvı-sıvı ve sıvı-katı kimyasal reaksiyonların reaksiyon kinetiğini önemli ölçüde geliştirir. Bu nedenle, ultrasonik probların kimyasal bir reaktöre entegrasyonu reaktör maliyetlerini azaltabilir ve genel verimliliği ve nihai ürünün kalitesini artırabilir.
Çok sık, kimyasal reaktör mühendisliği ultrasonik destekli süreç geliştirme hakkında bilgi eksikliği. Güç ultrason etkisi hakkında derin bilgi olmadan, ultrasonik ajitasyon, akustik kavitasyon ve kimyasal reaktör performansı, kimyasal reaktör analizi ve geleneksel tasarım temelleri üzerinde sonokimyasal etkileri sadece düşük sonuçlar üretebilir. Aşağıda, ultrasonik kimyasal reaktör tasarımı ve optimizasyonu için temel yararları hakkında genel bir bakış alacaksınız.
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 hazır
Tekrarlanabilir / tekrarlanabilir kesin olarak kontrol edilebilir ultrasonik parametreler nedeniyle sonuçlar
Kapasite ve reaksiyon hızı: ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış reaksiyonlar daha hızlı ve böylece daha ekonomiktir (daha düşük maliyetler)
- Sonokemistry genel ve özel amaçlar için geçerlidir
- Laboratuvar ve üretim için ultrasonik olarak geliştirilmiş reaktörler:
– Adaptasyon & çok yönlülük, örneğin esnek kurulum ve kurulum seçenekleri ve disiplinler arası kullanım
- Ultrasonication patlayıcı ortamlarda kullanılabilir
– temizleme (örneğin, azot battaniyesi)
– açık yüzey yok
- Basit temizlik: kendi kendini temizleme (CIP – yerinde temizlik)
- Tercih ettiğin inşaat malzemelerini seç
– cam, paslanmaz çelik, titanyum
– döner conta yok
– geniş sızdırmazlık odası seçenekleri
- Ultrasonicators sıcaklık geniş bir yelpazede kullanılabilir
- Ultrasonicators basınç geniş bir yelpazede kullanılabilir
- Elektrokimya (sono-elektrokimya), kataliz (sono-kataliz), kristalizasyon (sono-kristalizasyon) vb.
- Sonication, örneğin fermantasyon gibi biyoreaktörleri geliştirmek için idealdir.
- Çözünme / Çözülme: Çözünme işlemlerinde, parçacıklar bir fazdan diğerine geçer, örneğin katı parçacıklar bir sıvıda çözündüğünde. Ajitasyon derecesinin sürecin hızını etkilediği bulunmuştur. Birçok küçük kristal, ultrasonik kavitasyon altında geleneksel olarak karıştırılmış parti reaktörlerindekinden çok daha hızlı çözülür. Burada da, farklı hızların nedeni parçacık yüzeylerindeki farklı kütle transfer hızlarında yatmaktadır. Örneğin, ultrasonication başarıyla aşırı doymamış çözümler oluşturmak için uygulanır, örneğin, kristalizasyon süreçlerinde (sono-kristalizasyon).
- Ultrasonik olarak teşvik edilen kimyasal Ekstraksiyon:
– Sıvı-Katı, örneğin botanik ekstraksiyon, kimyasal ekstraksiyon
– Sıvı-Sıvı: Ultrason bir sıvı-sıvı ekstraksiyon sistemine uygulandığında, diğer fazlardan birinin emülsiyonu oluşturulur. Bu emülsiyon oluşumu, iki immiscible faz arasındaki interfasiyal alanların artmasına neden olarak fazlar arasında gelişmiş bir kütle transferi akışına neden oldu.
Sonication, Karıştırılmış Tank Reaktörlerindeki Kimyasal Reaksiyonları Nasıl İyileştirir?
- Daha Büyük Temas Yüzey Alanı: Heterojen fazlardaki reaktanlar arasındaki reaksiyonlarda, sadece arayüzde birbiriyle çarpışan parçacıklar tepki verebilir. Arayüz ne kadar büyük olursa, o kadar fazla çarpışma meydana gelebilir. Bir maddenin sıvı veya katı bir kısmı daha küçük damlacıklara veya sürekli fazlı bir sıvıda asılı katı parçacıklara bölündükçe, bu maddenin yüzey alanı artar. Ayrıca, boyut küçültme sonucunda partikül sayısı artar ve bu nedenle bu parçacıklar arasındaki ortalama mesafe azalır. Bu, sürekli fazın dağınık faza maruz kalmasını iyileştirir. Bu nedenle, reaksiyon hızı dağılma fazının parçalanma derecesi ile artar. Dispersiyonlarda veya emülsiyonlarda birçok kimyasal reaksiyon, ultrasonik parçacık boyutunun azaltılmasının bir sonucu olarak reaksiyon hızında büyük gelişmeler gösterir.
- Kataliz (Aktivasyon Enerjisi): Katalizörler birçok kimyasal reaksiyonda, laboratuvar geliştirmede ve endüstriyel üretimde büyük önem taşımaktadır. Genellikle katalizörler katı veya sıvı fazdadır ve bir reasürör veya tüm reaseptiflerle immiscible. Bu nedenle, çoğu zaman, kataliz heterojen bir kimyasal reaksiyondur. Sülfürik asit, amonyak, nitrik asit, ethene ve metanol gibi en önemli temel kimyasalların üretiminde katalizörler önemli bir rol oynar. Çevre teknolojisinin geniş alanları katalitik süreçlere dayanmaktadır. Parçacıkların çarpışması kimyasal bir reaksiyona, yani atomların yeniden toplanmasına yol açar, ancak parçacıklar yeterli kinetik enerji ile çarpışırsa. Ultrasonication kimyasal reaktörlerde kinetik artırmak için son derece verimli bir araçtır. Heterojen bir kataliz sürecinde, ultrasoniklerin kimyasal bir reaktör tasarımına eklenmesi bir katalizör gereksinimini azaltabilir. Bu, daha az katalizör veya daha düşük, daha az asil katalizörlerin kullanılmasına neden olabilir.
- Daha yüksek temas sıklığı / Geliştirilmiş kütle transferi: Ultrasonik karıştırma ve ajitasyon, reaksiyonlar için daha yüksek bir aktif yüzey sunan dakika damlacıkları ve parçacıkları (yani mikron altı ve nano parçacıklar) üretmek için son derece etkili bir yöntemdir. Güç ultrasonunun neden olduğu ek yoğun ajitasyon ve mikro hareket altında, parçacıklar arası temas sıklığı önemli ölçüde artar ve bu da önemli ölçüde geliştirilmiş bir dönüşüm oranına neden olur.
- Sıkıştırılmış plazma: Birçok reaksiyon için, reaktör sıcaklığındaki 10 Kelvin artışı reaksiyon hızının kabaca iki katına çıkmasına neden olur. Ultrasonik kavitasyon, kimyasal reaktördeki genel 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, kimyasal işlem için enerjiyi yeniden kullanabilirsiniz. Isıtma elemanları veya buhar ile termal enerji girişi yerine, ultrasonication yüksek frekanslı titreşimler yoluyla mekanik enerji aktive bir süreç tanıtır. Kimyasal reaktörde, bu, kimyasal işlemi birden fazla seviyede aktive eden ultrasonik kavitasyon üretir. Son olarak kimyasalların muazzam ultrasonik yamyamı termal enerjiye, yani ısıya dönüşümle sonuçlanır. Kimyasal reaksiyonunuz için sabit bir proses sıcaklığını korumak için soğutma için ceketli parti reaktörleri veya sıralı reaktörler kullanabilirsiniz.
CSTR'de Geliştirilmiş Kimyasal Reaksiyonlar için Yüksek Performanslı Ultrasonicators
Hielscher Ultrasonics, sürekli karıştırılmış tank reaktörlerine (CSTR) entegrasyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler ve dağıtıcılar tasarlar, üretir ve dağıtır. Hielscher ultrasonicators tanıtmak, yoğunlaştırmak, hızlandırmak ve kimyasal reaksiyonları geliştirmek için dünya çapında kullanılır.
Hielscher Ultrasonics’ ultrasonik işlemciler, akış kimyası uygulamaları için küçük laboratuvar cihazlarından büyük endüstriyel işlemcilere kadar her boyutta mevcuttur. Ultrasonik genlik hassas ayarlama (en önemli parametredir) düşük ila çok yüksek genliklerde Hielscher ultrasonicators çalıştırmak ve tam olarak belirli kimyasal reaksiyon sisteminin gerekli ultrasonik işlem koşullarına genlik ince ayar sağlar.
Hielscher ultrasonik jeneratör otomatik veri protokolü ile akıllı bir yazılım özelliği. Ultrasonik enerji, sıcaklık, basınç ve zaman gibi tüm önemli işleme parametreleri, cihaz açılır açılmaz otomatik olarak yerleşik bir SD karta depolanır.
Süreç izleme ve veri kaydı, sürekli proses standardizasyonu ve ürün kalitesi için önemlidir. Otomatik olarak kaydedilen işlem verilerine erişerek, önceki sonication çalıştırmalarını gözden geçirip sonucu değerlendirebilirsiniz.
Başka bir kullanıcı dostu özellik, dijital ultrasonik sistemlerimizin tarayıcı uzaktan kumandasıdır. Uzaktan tarayıcı kontrolü ile ultrasonik işlemcinizi her yerden uzaktan başlatabilir, durdurabilir, ayarlayabilir ve izleyebilirsiniz.
Yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörlerimiz hakkında daha fazla bilgi edinmek için sürekli karıştırılan tank reaktörünüzü (CSTR) geliştirebilir!
Aşağıdaki tablo size bizim ultrasonicators yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesidir:
|Numune Hacmi||Akış Oranı||Önerilen Cihaz|
|1 - 500mL||10 - 200mL/min||UP100H|
|10 - 2000mL||20 - 400mL/min||UP200Ht, UP400St|
|0,1 - 20L||0,2 - 4L/min||UIP2000hdT|
|10 - 100L||2 - 10L/min||Uıp4000hdt|
|n.a.||10 - 100L/min||UIP16000|
|n.a.||daha büyük||grubu UIP16000|
Bizimle iletişime geçin! / Bize sor!
Edebiyat / Referanslar
- Suslick, Kenneth S.; Didenko, Yuri ; Fang, Ming M.; Hyeon, Taeghwan; Kolbeck, Kenneth J.; McNamara, William B.; Mdleleni, Millan M.; Wong, Mike (1999): Acoustic cavitation and its chemical consequences. In: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences Vol. 357, No. 1751, 1999. 335-353.
- Hoa Thi Truong, Manh Van Do, Long Duc Huynh, Linh Thi Nguyen, Anh Tuan Do, Thao Thanh Xuan Le, Hung Phuoc Duong, Norimichi Takenaka, Kiyoshi Imamura, Yasuaki Maeda (2018): Ultrasound-Assisted, Base-Catalyzed, Homogeneous Reaction for Ferulic Acid Production from γ-Oryzanol. Journal of Chemistry, Vol. 2018.
- Pollet, Bruno (2019): The Use of Power Ultrasound and Sonochemistry for the Production of Energy Materials. Ultrasonics Sonochemistry 64, 2019.
- Ádám, Adél; Szabados, Márton; Varga, Gábor; Papp, Ádám; Musza, Katalin; Kónya, Zoltán; Kukovecz, A.; Sipos, Pál; Palinko, Istvan (2020): Ultrasound-Assisted Hydrazine Reduction Method for the Preparation of Nickel Nanoparticles, Physicochemical Characterization and Catalytic Application in Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reaction. Nanomaterials 2020.
Bilinmesi Gereken Gerçekler
Kimyasal reaktörlerdeki ultrasonik ajitasyon, geleneksel sürekli karıştırılmış tank reaktöründen veya batchmix reaktöründen daha iyi sonuçlar üretir. Ultrasonik ajitasyon, reaktör tankında veya akış reaktöründe daha iyi sıvı karıştırma ve işleme nedeniyle jet karıştırılmış reaktörlerden daha fazla kesme ve daha tekrarlanabilir sonuçlar üretir.
Çalışma prensibi, uygulamaları ve ultrasonik homojenizatörlerin ölçeklendirilmesi hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!