מגיבים טנקיים רצופים (CSTRs) הם ציוד בסיסי בעיבוד כימי, ייצור תרופות וביוטכנולוגיה.יעילות של ערבוב בתוך כלי אלה משפיע ישירות על שיעורי התגובה, התשואה ואיכות המוצר.לעור מכני מסורתי יש מגבלות, כולל אזורי מת, צריכת אנרגיה גבוהה, וחוסר יכולת להשיג שילוב מולקולרית של מערכות הפעלה אינטראקטיבית מציעה גישה משלימה או חלופית באמצעות גלים אנתרופולוגיה גבוהה כדי ליצור קביעות ומיקרואקטיביות, אשר יכול לבחון באופן משמעותי של בעיות תקשורתיות, שיפור של תכונות מכניות, אשר יכול לשפר את התגובה של מערכת ההפעלה של תפקוד קוגניטיבית.

עקרונות של הדבקה אולטרה-סאונד

זעזוע לא חוקי מבוסס על התפשטות גלי הקול בתדרים בדרך כלל בין 20 kHz ו 2 MHz באמצעות מדיום נוזלי.מחזורי דחיסה משתנה ו נדיר של דחיסה ליצור אזורים של לחץ נמוך שבו גזים ו vapor יכולים ליצור בועות זעירות. כאשר בועות אלה ניסיון מחזור דחיסה נוזלי, הם מתפוררים באלימות, תופעה ידועה בשם קריסה אקוסטית, זה מייצר טמפרטורות עד 1000 ק"מ"מ, במיוחד, ואפקטים גבוהים יותר, 000, במיוחד, 000, 000, 000, 000 זעזועים גבוהים יותר, 000, 000, 000, 000, 000 זעזועים אינטנסיביים, במיוחד, 000 פיזור אווירומים גבוה יותר, 000.

מידת השיפור של ערבוב תלויה במספר פרמטרים, כולל תדירות קול, צפיפות כוח, ואת המאפיינים הפיזיים של נוזל (ביקור, מתח פני השטח, לחץ פנוי) בתדרים נמוכים (20–40 kHz) לייצר בועות גדולות יותר, אנרגטיות יותר המתאימות לפיזור כבד, בעוד תדרים גבוהים יותר (200-160 kHz) לייצר בועות קטנות יותר כי הם יעילים עבור micromixing בסדר וניקוי.

הדבקה אולטרה סאונד לעומת מכני Stirring CSTRs

מעוררי מכונות (ממריצים, טורבינות, ברים מגנטיים) היו סטנדרטיים במשך עשרות שנים. הם מסתמכים על תנועה נוזלית גדולה להפיץ מגיבים, אבל הם מציגים חסרונות ידועים ליד קירות הספינה, פינות בדלי, או משטח נוזלי יכול ללכוד מינים בלתי מוכרים. in High מול נוזל מולטי מולטי או לא ניוטוני, מעוררי מוח מכניים לעתים קרובות לא מצליחים להגיע לתערובת אחידה ללא כוח מופרז, חומרים מכניים, או חומרים רגישים יותר, היא עלולה להיות מסוכנת יותר, חומרים מכניים.

תסיסה אולטרה סאונד מתייחס פערים אלה על ידי שילוב בקנה מידה מיקרוסקופי. Cavitation יוצר אדיים מקומיים ומיקרו-זרם שפורט אזורים בלתי נגישים לזרימה גדולה.זה יכול להפחית או לחסל אזורים מתים ללא צורך במהירויות סיבוביות גבוהות. במקרים רבים, אנרגיית קול יכולה להיות מיושם לצד כוח מעורר מכני מופחת, חיתוך צריכת אנרגיה הכוללת תוך שמירה או שיפור של ההומוגניות.

יתרונות מרכזיים של הדבקה ב- CSTRs

הגדלת העברת המונים ושיעורי תגובה

ההתמוטטות אלימה של בועות ה cavitation יוצרת גלי מיקרו-דיונים טורחים אשר מגדילים באופן דרמטי את ה-Coefficient של העברת המסה המקומית.עבור תגובות דלות גז, כגון מימן או חמצון, תסיסה קולית יכולה להגביר את צריכת הגז על ידי פקודות של גודל עקב שיפור אזור בין-גזעי. במערכות נוזליות-ידי, ערבוב פעמים יכול להיות מופחת מ דקות שניות, ומאפשר תגובה מהירה יותר ויותר על ידי תהליכים של נזיקין.

שיפור אחידות ההפריה

זעזוע אולטרה סאונד מייצר הזרמת אקוסטית - תנועה נוזלית קבועה המושרה על ידי ספיגת אנרגיה קול.זרמה זו תורמת להעברה חום אחיד בתוך הכור, עוזר לנתק חום שנוצר על ידי תגובות אקסותרמית בשילוב עם cavitation, את מקדם העברת החום הכולל יכול להגדיל על ידי 20–50% בהשוואה לסיעור מכני סטנדרטי בתנאים דומים.

צריכת אנרגיה מופחתת

למרות שטרנפורטורים קוליים דורשים חשמל, צריכת האנרגיה הכוללת להשגת חובה כוללת היא לעתים קרובות נמוכה יותר מאשר זו של הרגיז מונע מנוע.עבור נוזלי מולקווס או כלי קוטר גדולים, מעורר מכני יכול לדרוש כמה קילווואט, בעוד מערכת סאונד מונחה כראוי יכול להשתמש רק כמה מאות וואט כדי להשיג תוצאות דומות.

מיניזציה של אזורי מתים

זעזועים מכניים בדרך כלל מייצרים תבנית מחזורית עם זרמי מערבה וצדיים מרכזיים, אבל אזורים ליד החלק התחתון של ראש מאויש או מתחת ל baffle יכולים להישאר סטריאנטים. ⁇ אולטרה סגול ממוקמים אסטרטגית - לדוגמה, בראש התחתון או לאורך הצדדיות - אזורי cavitation גמישים המגיעים פינות אלה.

דיספרסיון ו Degassing

זעזוע לא חוקי יכול גם לשרת פונקציות משניות מועילות לתפעול CSTR. לדוגמה, זה יכול degas נוזלי על ידי קידום בועות פחמיית ועלייה; זה יקר בתהליכים שבהם גזים מומסים יש להסיר לפני התגובה. versely, זה יכול לגוון שלבים בלתי אפשריים כדי ליצור גדלים טיפות בסדר, המאפשר תגובות כי יהיה צורך גולשים או Shear גבוה.

יישום ב-CSTR Systems

סוגי Transducer והדרכת אפשרויות

שתי הגישות העיקריות להצגת אולטרסאונד לתוך CSTR הן טרנסנפורמטי (מעודכן) ו- מסוג אמבטיות מסוג טרנסנפורמט (בחיצוני) בדיקות מואצות לספק אינטנסיביות גבוהה ישירות לתוך נפח התגובה והם מתאימים לכלי שיט קטנים יותר (<100 L) או כאשר נוזל יש לו נטייה גבוהה.

עבור גדול CSTRs, מספר טרנספורים מסודרים לעתים קרובות במערך כדי להפיץ אנרגיה. ⁇ ⁇ הם הנפוצים ביותר, המציע יעילות ועמידות. הבחירה בין קרן נוקשה בעל משקל חזק לעומת עובר membrane גמיש תלוי צפיפות הכוח הרצוי וטווח התדר. כמה עיצובים חדשים יותר להשתמש טבעות אדזואלקטריות עם דחיפה כדי להגביר את הפחתת עבור יישומים גבוהים.

המונחים: Reactor Geometry

גיאומטריה וסרחת השפעה חזקה על הפצת אנרגיה קולית.כלי צילינדי עם מעורר מכני מרכזי עשוי להיות שונה על ידי הוספת transducers אודיו על הקיר בצד בגבהים שונים.ראש התחתון הוא מקום מועדף עבור בדיקה כי בועות cavitation נוטים לקריסה ליד פני השטח ולהפיץ למעלה.נוכחות של baffles יכול לחסום את היווצרות גלאזציה צבע צבע, זהיר CFD (כלי) הוא נוטה לנבאת מודלים אופטימליים של נוזל כדי לזהות את המיקום הנכון.

חומר הבנייה חייב לעמוד בפני שחיקה של קיווינציה. ⁇ פלדה סטטינים (316L, 304) נפוצים; עם זאת, כיור חוזר יכול לגרום לבור מעל הזמן.במקרים מסוימים, ציפוי מגן (למשל, פוליאורה או קרמיקה) מוחל על פני השטח של קול-הפני.עבור בדיקות ⁇ , חומר בדיקה (טיtanium או פלדה קשיחה) חייב להיות נבחר לשחיקה וכימיה.

אפשרויות ל-Frontulation, Power, and Duty Cycle

בחירת תדירות מונעת על ידי המאפיינים התגובה.לפיזור מוצקות או מזהמים מול שמן מולקווס, 20-40 kHz (תדירות נמוכה) מספק קוויטציה חזקה.לשלב נוזלים לא אכילים או קידום פירוק, 80-200 k (תדירות בינוני) עשוי מספיק.

צפיפות כוח (W/L) היא פרמטר בקנה מידה קריטי של פרמטר גודל.עבור מעבדה CSTRs, צפיפות כוח של 10-100 W / L הם אופייניים.עבור כלי תעשייתי (100-10,000 L), שמירה על קבינט אחיד על פני כל נפח הופך לאתגר בשל אינטנסיביות אקוסטית. Power חייב להיות מוגברת באופן יחסי, אבל יעילות מעל סף מסוים עקב מגן קטיפה (הקרוב לשדה רחוק יותר מפולת) הוא מאפשר שימוש עמוק בין בועות מהירות (a) להתפרצות של שימוש ברקמות (כלומר, לעומת שימוש עמוק).

מערכות בקרה צריכות לקשר כוח קולי עם מהירות הריגוש והזנה של קצב זרימת ה- A PID יכול לשנות את amplitude בהתבסס על מדידות בזמן אמת מחיישנים, בדיקות טמפרטורה, או אפילו ספקטרום אקוסטי שמפקח על רעש cavitation. הלולאות משוב כאלה למקסם את האיכות תוך צריכת האנרגיה המינימלית.

אתגרים ומגבלות

המונחים: Erosion

בועה חוזרת התמוטטות ליד משטחים מוצקים מחסנים מחסנים, bales ו-Transducer טיפים.זה יכול להוביל לזיהום חלקיקים מתכת וקיצור חיי חיים. Solutions כוללים שימוש בחומרים עמידים לשחיקה, החל לוחיות הקרביות, או צמצום עוצמת קול על הקיר באמצעות טרנסדוקנטים חיצוניים עם הפיכה רגילה.

קשיים בקנה מידה

בעוד שהפגנות מעבדה של אוקט CSTRs משכנעות, דרוג בקנה מידה פיילוט וייצור נשאר משמעותי הנדסה hurdle. אנרגיה אקוסטית אטמוסאטים עם מרחק; בספינת קוטר אחד, העוצמה במרכז עשויה להיות רק 10% מזה בפנים טרנסנפורמטיביות, אבל זה לא שווה הפצה זו יוצרת כתמים חמים ואזורים קרים, תבוסת המטרה של תערובת אחידה.

אנרגיה בקנה מידה גדול

צריכת חשמל עולה בערך באופן יחסי נפח כלי, אבל היתרון התערובת לוואט יורדת מעבר לגודל מסוים.ב- CSTRs גדול מאוד, רכיב קולי עשוי לשמש כמשלים לריגוש מכני ולא תחליף.חלק מהמפעילים מדווחים כי באמצעות מערכת היברידית (מסובך במהירות נמוכה בתוספת אולטרסאונד) נותן את האיזון הטוב ביותר של שימוש באנרגיה ושילוב איכות.

השפעות פוטנציאליות על חומרים ביולוגיים רגישים

עבור תרבויות תאים, תגובות zymatic, או ביטוי חלבון, התנאים הקיצוניים של cavitation יכול לגרום lysis תאים, אנזים decorrtion, או נזק מבני.כוונון זהיר של תדירות וכוח, יחד עם מרווחי חשיפה קצרים, יכול להפחית את הסיכון הזה. חלק התהליכים משתמשים בכוונה אולטרסאונד עבור הפרעה תאים או מיצוי חלבון, אבל עבור ייצור CSTRs, מצבי קול מתון (low, תדירות גבוהה) חייב לשמש כדי למנוע הפחתת המוצר.

יישומים תעשייתיים ומחקרי מקרים

Biodiesel הפקה

זעזוע לא חוקי נחקר באופן נרחב על סינתזת ביודיוזל משמן צמחי.תגובת ההעברה היא העברה המונית - מוגבלת בשל אי-ההתאמה של שמן ומנומול. החל אולטרסאונד (20 kHz, 0.5 קילוואט / L) מופחת זמן תגובה מ 60 דקות עד 5 דקות תוך השגת > 95% המרה ב 50 LTR.

תגובות לפולימריזציה

בתמצית פולימריזציה, ערבוב קולי מסייע ליצור טיפות מונומר אחיד וייצוב חלקיקים לטקס. a פיילוט מחקר באמצעות 200 L נירוסטה פלדה CSTR עם בדיקה קולית בעל תחתית תחתית הציג עלייה של 30% בעקביות משקל מולקולרית ו-15% בזמן אצווה, המיוחס לפיזור אינסטיטור טוב יותר.

תרופות Crystallization

(FLT:0) ריגושים ארומטיים (Ultrasonic ruion) 1FLT:1 יכול לשלוט על צומת גבישים וצמיחה ב CSTRs. עבור חצץ פרצמולליזציה, החל 40 kHz אולטרסאונד ב 50 W /L הפיק גבישים קטנים יותר, אחידים יותר עם צורה פולימורפית עקבית עקבית.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

הדור הבא של מערכות בקרה חכמות של אודיו CSTRs יהיה כנראה לשלב מערכות בקרה חכמות שמתאימות לתדירות וכוח בהתבסס על מדידות בולטות ודחיסות מקוונות. אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לחזות פרמטרים קוליים אופטימליים מהנתונים של תהליך היסטורי, שיפור העוצמה.אזור מבטיח אחר הוא השימוש באולטרסאונד דו- ⁇ : במקביל החל תדר נמוך עבור קוויטציה חזקה ותדירות גבוהה עבור מיקרו-זרם להשגת שילוב רב ומקומי.

פיתוח של קרמיקה עתירה גבוהה, קרמיקה אדזואלקטרית בעלות נמוכה (למשל, חלופות ללא מוביל כמו אשלגן נתרן נתמפטפטפט) יפחית את עלויות הציוד ולשפר את הקיימות.בנוסף, שילוב של אולטרסאונד עם טכנולוגיות אחרות של העצמה תהליכים, כגון מיקרוגל או פוטוכימיה, יכול ליצור עיצובים חדשים כור אשר להשיג שיעורי תגובה חסרי תקדים.

מנקודת מבט חומרה, ייצור תוספים (3D הדפסה) יכול לייצר דיור transducer מותאם אישית וזרימה אגורה כי למקסם את ההפיכה אקוסטית. ההתקדמות הזו עשויה בסופו של דבר לאפשר החלפת מלאה של מגרים מכניים ביישומים CSTR מסוימים, לפשט את הגאומטריה ואת פרוטוקולי ניקוי.

מסקנה

ריגוש לא חוקי מציע שיטה עוצמתית לשיפור שילוב ב CSTRs על ידי מינוף של cavitation אקוסטי ומיקרו-זרם.הטכנולוגיה מספקת העברה המונית משופרת, יותר התפלגות טמפרטורה אחידה, צריכת אנרגיה מופחתת, ועקביות מוצר מעולה בהשוואה לשילוב מכני קונבנציונלי בלבד.התשום דורש מבחר זהיר של תדירות, כוח, מיקום טרנסדוקר, וחומרים כדי להתגבר על אתגרים כגון שחיקה, עלייה בקנה מידה בקנה מידה, כמו תהליכים מכניים, כמו קומפקטיים, כמו קיבולת גבוהה, כמו , וכן סטנדרט, כמו סטנדרט, כמו תחליפית, כמו קומפקטית, כמו קיבולת גבוהה , כמו קיבולת גבוהה תחליפית, כמו תחליפית, כמו תחליפית, כמו , כמו תחליפית, כמו קוסמטיקה רבים, כמו תחליפית, כמו קיבולת גבוהה קיבולת גבוהה , כמו קיבולת גבוהה תחליפית, כמו קוסמטיקה, כמו , כמו , כמו תחליפית, כמו תחליפית, כמו קוסמטיקה, כמו תחליפית, כמו קיבולת גבוהה קיבולת גבוהה קיבולת גבוהה קוסמטיקה, כמו קוסמטיקה, כמו תחליפית, כמו קיבולת גבוהה קיבולת גבוהה קיבולת גבוהה קיבולת קיבולת גבוהה תחליפית

קריאה נוספת ומשאבים חיצוניים

  • (ב) [13] ויקיפדיה: תגובה מתמדת Stirred-TankeurFLT:1 - סקירה של קרן של עיצוב ותפעול.
  • (ב) [15] ויקיפדיה: אולטרסאונד 1 (סעיפים 1) - עקרונות יישום אולטרסאונד בנוזלים.
  • (ב) ⁇ :0 מדע-המנהל: ⁇ אולטרה סגולה 1:1 , מנגנונים מפורטים ודוגמאות תעשייתיות של משיכה.
  • מחקר כימיה:0 (ACS Industrial & Engineering Chemistry Research: Intensification in Chemical ReactorsuaFLT:1 - מחקר נבדק על שיקולים בקנה מידה גדול.