تحسين كفاءة المفاعل الكيميائي عن طريق الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة

ومن المعروف جيدا الموجات فوق الصوتية لتكثيف و / أو بدء التفاعلات الكيميائية. لذلك ، يعتبر دمج الموجات فوق الصوتية عالية الأداء أداة موثوقة لتعزيز المفاعلات الكيميائية لتحسين نتائج التفاعل. Hielscher الفوق صوتيات يقدم حلول مفاعل مختلفة لقرص العملية الكيميائية الخاصة بك. تعلم كيف يمكن للموجات فوق الصوتية تحسين مفاعلك الكيميائي!

كيف تعمل الموجات فوق الصوتية على تحسين المفاعلات الكيميائية؟

يسمح دمج واحد أو أكثر من مجسات الموجات فوق الصوتية (sonotrodes) بإقران موجات الموجات فوق الصوتية القوية في المفاعل الكيميائي. الموجات فوق الصوتية المكثفة للسوائل والملاط لا تخلق فقط اضطرابات قوية بسبب الاهتزاز الصوتي ولكنها معروفة بتأثيرات متعددة ، والتي يتم تعريفها تحت مصطلح "سونوكيمياء".

ما هي سونوكيمياء؟ كيف يعزز ردود الفعل؟

High-intensity ultrasound / high-power ultrasound is applied to chemical systems in order to initiate and/or promote reactions, improve conversion rate and yields or to switch reaction pathways. The physical phenomenon responsible for sonochemical effects is acoustic cavitation. When high-intensity ultrasound waves are coupled into a liquid medium, the waves travel through the liquid creating alternating low pressure (rarefaction) and high pressure (compression) cycles. During the low pressure / rarefaction, minute vacuum bubbles arise in the liquid, which grow over several pressure cycles until the vacuum bubble reaches a point where it cannot absorb any further energy. At the point of maximum bubble growth, the bubble implodes violently during a high pressure cycle. During the implosive bubble collapse, the phenomenon of cavitation can be observed. Ultrasonic cavitation creates so called “hot spots,” which are characterized by extreme conditions such as temperature of up to ∼5000 K with very high heating/cooling rates of > 1000 K s^-1، ضغوط تصل إلى ∼1000 بار بالإضافة إلى فروق درجة الحرارة والضغط ذات الصلة. يتم تحريك السائل أو الملاط بشدة بواسطة النفاثات السائلة وقوى القص.

يتم تطبيق التأثيرات الكيميائية (على سبيل المثال ، تكوين الأنواع الجذرية ، وثني الجزيئات وما إلى ذلك) والتأثيرات الفيزيائية / الفيزيائية والميكانيكية للكيمياء الصوتية بنجاح على العديد من التفاعلات الكيميائية مثل التحفيز العضوي ، التفاعلات التحفيزية العضوية, تفاعلات نقل الطور, تخليق الجسيمات النانوية, الترسيب / التبلور, تفاعلات سول جل, سوزوكي اقتران, تفاعلات ديلز-ألدر, ردود فعل مانيتش, إضافة مايكل، اقتران من نوع Wurtz وغيرها الكثير. غالبا ما تظهر التفاعلات التي يتم الترويج لها بالموجات فوق الصوتية زيادة كبيرة في معدل التحويل ، وإنتاجية أعلى ، وتفاعل متسارع ، وتفاعل أكثر اكتمالا ، ويمكن استخدامها مع مذيبات أكثر اعتدالا في ظل الظروف المحيطة ، وإنشاء منتجات ثانوية أقل غير مرغوب فيها والمساهمة بسبب كفاءتها العالية في الكيمياء الخضراء.

مفاعلات الدفعات الكيميائية التي تعمل بالموجات فوق الصوتية

يعد دمج الموجات فوق الصوتية في مفاعلات الدفعات المفتوحة أو المغلقة تقنية شائعة التطبيق لتسريع التفاعلات في المختبرات والمصانع التجريبية ومرافق الإنتاج. اعتمادا على حجم الوعاء والهندسة ونظام التفاعل الكيميائي ، يمكن دمج سونوتروديس واحد أو عدة سونوترويدات في مفاعل الدفعات. وغالبا ما تستخدم الموجات فوق الصوتية لتحسين المفاعلات التي يتم تحريكها باستمرار (CSTR).

مفاعلات نصف دفعة بالموجات فوق الصوتية: بالطبع ، يمكن أيضا دمج صوتنة في مفاعلات شبه دفعة. بالنسبة للأنظمة شبه الدفعية ، يتم تحميل مادة كيميائية واحدة في المفاعل ، بينما تتم إضافة مادة كيميائية ثانية بمعدل تدفق مستمر (على سبيل المثال ، عند تغذية بطيئة لمنع التفاعلات الجانبية) يتم دمجها في النقطة الساخنة بالموجات فوق الصوتية. بدلا من ذلك ، يتم إزالة منتج التفاعل الكيميائي ، الذي ينتج عن التفاعل في المفاعل باستمرار ، على سبيل المثال ، الرواسب أو البلورات المركبة ، أو وسيط من المنتج النهائي الذي يمكن إزالته بسبب فصل الطور.

مفاعل التدفق الكيميائي المهتاج بالموجات فوق الصوتية

في مفاعل التدفق ، المعروف أيضا باسم خلية التدفق أو المفاعل المضمن ، يتم تغذية المواد المتفاعلة من خلال منفذ تغذية واحد أو عدة منافذ إلى غرفة التفاعل ، حيث يحدث التفاعل الكيميائي. بعد وقت احتفاظ معين مطلوب لحدوث تفاعل معين ، يتم تفريغ الوسط باستمرار من المفاعل. تسمح خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية والمفاعلات المضمنة بإنتاج المنتج دون انقطاع ، والذي يعتمد فقط على الإمداد المستمر للكواشف.

توضح الصورة الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT مع مفاعل دفعي (يسار) ومع مفاعل خلية التدفق للمعالجة المضمنة (يمين).

مفاعلات سونو الكيميائية عالية الأداء

Hielscher Ultrasonics هي الشركة المصنعة الموثوق بها للمفاعلات الكيميائية سونو ومعدات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي يمكن أن تحسن بشكل موثوق التفاعل الكيميائي الخاص بك. وتشمل مجموعة منتجات Hielscher Ultrasonics أنواع وفئات مختلفة من المختبرات والصناعية على نطاق واسع sonoreactors للدفعة ووضع التدفق. مع Hielscher عالية الأداء مسبار نوع الموجات فوق الصوتية، والتقدم متعددة – مثل تحسين معدل التفاعل ، وتحويل أكثر اكتمالا ، وعوائد أعلى ، وتحكم دقيق في التفاعل ، وكفاءة شاملة ممتازة – يتم تحقيقها بشكل موثوق في مفاعلات الدفعات والتدفق. مصممة للأداء العالي والمتانة، Hielscher الموجات فوق الصوتية ومفاعلات سونو يمكن تركيبها للاستخدام مع المواد الكيميائية القاسية، في البيئات الصعبة والتطبيقات الشاقة.
تم تصميم مفاعلات الموجات فوق الصوتية Hielscher مع التركيز على تشعيع بالموجات فوق الصوتية موحدة من الوسط بحيث يمكن توسيع مجال الضغط الصوتي بالتساوي. تلبية هذا المطلب يحسن الكفاءة الكلية للتفاعل الكيميائي الصوتي لأن الموجات فوق الصوتية تحقق أعلى تكثيف للعملية.

عرض تخطيطي للظواهر التي تحدث في مفاعل سونوكيميائي.
صورة ودراسة: ©داهلم وآخرون ، 1999.

تغطي مجموعة المنتجات الموجات فوق الصوتية المختبرية المدمجة ل R&D ، أنظمة الموجات فوق الصوتية القوية على مقاعد البدلاء والتجريبية بالإضافة إلى معدات الصف الصناعية بالكامل لإنتاج كميات كبيرة. وهذا يسمح باختبار الجدوى الخالية من المخاطر على نطاق صغير والتوسع الخطي الكامل اللاحق إلى أحجام أكبر.

التحكم الدقيق في الصوتنة

تسمح الشاشة الرقمية الملونة والبرنامج الذكي المزود بالتحكم في المتصفح عن بعد وبروتوكول البيانات التلقائي على بطاقة SD مدمجة بإعداد ومراقبة متطورة للمعلمات فوق الصوتية في مفاعل سونو كيميائي.
يكمن جمال التفاعلات المدفوعة بالموجات فوق الصوتية في الكفاءة التي يمكن تحقيقها بشكل موثوق من خلال تحسين العملية. يمكن تحديد السعة المثلى بالموجات فوق الصوتية ومدخلات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ودرجة الحرارة والضغط لكل تفاعل معين. هذا يسمح للعثور على معلمات صوتنة مثالية بحيث يتم تحقيق نتائج التفاعل الأمثل والكفاءة.

التحكم في درجة الحرارة

تم تجهيز جميع الموجات فوق الصوتية الرقمية لدينا مع جهاز استشعار درجة الحرارة للتوصيل لمراقبة درجة الحرارة المستمرة ، والتي يمكن إدخالها في السائل لقياس ثابت لدرجة الحرارة السائبة. يسمح البرنامج المتطور بتحديد نطاق درجة الحرارة. عندما يتم تجاوز حد درجة الحرارة ، يتوقف جهاز الموجات فوق الصوتية تلقائيا حتى تنخفض درجة الحرارة في السائل إلى نقطة ضبط معينة ويبدأ تلقائيا في الصوتنة مرة أخرى. يتم تسجيل جميع قياسات درجة الحرارة بالإضافة إلى بيانات العملية بالموجات فوق الصوتية المهمة الأخرى تلقائيا على بطاقة SD مدمجة ويمكن مراجعتها بسهولة للتحكم في العملية.
مفاعلات Sonochemical من Hielscher متوفرة مع سترات التبريد. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن توصيل المبادلات الحرارية ووحدات التبريد لضمان درجة حرارة العملية المطلوبة.

مكونات متاحة بسهولة لتجميع المفاعل الكيميائي المثالي

مجموعة كبيرة من أجهزة الموجات فوق الصوتية المتاحة بسهولة ، وتحقيقات (sonotrodes) ، وقرون التعزيز ، ومفاعلات الدفعات وخلايا التدفق بالإضافة إلى العديد من الملحقات الإضافية تسمح بتكوين المفاعل الكيميائي بالموجات فوق الصوتية المثالي (مفاعل سونو) لعمليتك المحددة.
تم تحسين جميع المعدات بالفعل للتوزيع الموحد للتجويف الصوتي وأنماط التدفق المستقرة ، والتي تعد أهم جوانب التصميم للحصول على نتائج متجانسة وموثوقة في مفاعل كيميائي مهتاج بالموجات فوق الصوتية.
يمكن تجنب الأكسدة غير المرغوب فيها عن طريق تطهير المفاعل بغاز خامل ، مثل بطانية النيتروجين.

حلول مخصصة لمفاعلك الكيميائي

بينما تقدم Hielscher العديد من حلول المفاعلات المجمعة والمضمنة بأحجام وأشكال هندسية مختلفة ، مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الزجاج ، يسعدنا تصنيع وعاء المفاعل الكيميائي الخاص بك مع الأخذ في الاعتبار أساسيات التحليل والتصميم لمتطلبات العملية المحددة الخاصة بك. مع فريق من ذوي الخبرة الطويلة من المهندسين والمطورين التقنيين ، نقوم بتصميم مفاعلك الكيميائي لتلبية متطلباتك. على سبيل المثال ، يمكن تصميم الحجم والمواد والهندسة ومنافذ التغذية والتفريغ وعدد المجسات فوق الصوتية وما إلى ذلك من أجل جعل المفاعل الكيميائي المثالي الذي يتم الترويج له بالموجات فوق الصوتية لعمليتك الكيميائية.

يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا: