Оптимизирана ефективност на химичните реактори чрез ултразвукова обработка с висока мощност

Ултразвуковата обработка е добре известна със способността си да интензифицира и/или да инициира химични реакции. Затова интегрирането на високоефективен ултразвук се счита за надежден инструмент за подобряване на работата на химичните реактори и постигане на по-добри резултати от реакциите. Hielscher Ultrasonics предлага различни реакторни решения за усъвършенстване на вашия химичен процес. Научете как ултразвукът може да подобри вашия химичен реактор!

Как мощният ултразвук подобрява химичните реактори?

Интегрирането на една или повече ултразвукови сонди (сонотроди) позволява предаването на мощни ултразвукови вълни в химичния реактор. Интензивната ултразвукова обработка на течности и суспензии не само създава силна турбулентност вследствие на акустичните вибрации, но е известна и с множество ефекти, обединени под термина „сонохимия“.

Какво представлява сонохимията? Как подпомага реакциите?

Високоинтензивен ултразвук / ултразвук с висока мощност се прилага към химични системи, за да инициира и/или подпомага реакции, да подобрява степента на превръщане и добивите или да променя реакционните пътища. Физичното явление, отговорно за сонохимичните ефекти, е акустичната кавитация. Когато високоинтензивни ултразвукови вълни се предават в течна среда, те се разпространяват през течността, създавайки редуващи се цикли на ниско налягане (разреждане) и високо налягане (сгъстяване). По време на ниското налягане / разреждането в течността възникват миниатюрни вакуумни мехурчета, които нарастват в продължение на няколко цикъла на налягане, докато вакуумното мехурче достигне момент, в който вече не може да поглъща повече енергия. При максималното си нарастване мехурчето имплодира бурно по време на цикъл на високо налягане. При имплозивното свиване на мехурчето може да се наблюдава явлението кавитация. Ултразвуковата кавитация създава така наречените „горещи точки“, които се характеризират с екстремни условия, като температура до ∼5000 K при много високи скорости на нагряване/охлаждане от > 1000 K s^-1, налягания до ∼1000 bar, както и съответните температурни разлики и разлики в налягането. Течността или суспензията се разбърква интензивно от течни струи и сили на срязване.

Химичните ефекти (напр. образуването на радикални частици, деформирането на молекули и др.) и физичните / физико-механичните ефекти на сонохимията се прилагат успешно при множество химични реакции, като органична катализа, органокаталитични реакции, реакции с фазов пренос, синтез на наночастици, утаяване / кристализация, зол-гел реакции, свързване по Suzuki, реакции на Diels-Alder, реакции на Mannich, присъединяване по Michael, свързване от тип Wurtz и много други. Реакциите, подпомагани сонохимично, често показват значително повишена степен на превръщане, по-високи добиви, ускорено и по-пълно протичане, могат да се провеждат с по-меки разтворители при условията на околната среда, образуват по-малко нежелани странични продукти и благодарение на високата си ефективност допринасят за зелената химия.

Химични реактори с периодично действие, задвижвани чрез ултразвук

Интегрирането на ултразвукови устройства в отворени или затворени реактори с периодично действие е широко прилагана техника за ускоряване на реакциите в лаборатории, пилотни инсталации и производствени съоръжения. В зависимост от размера и геометрията на съда и от химичната реакционна система в реактора с периодично действие могат да се интегрират един или няколко сонотрода. Ултразвуковата обработка често се използва и за подобряване на работата на реактори с непрекъснато разбъркване (CSTR).

Ултразвукови реактори с полупериодично действие: Разбира се, ултразвуковата обработка може да се интегрира и в реактори с полупериодично действие. При системите с полупериодично действие един химичен реагент се зарежда в реактора, докато второ химично вещество се добавя с постоянен дебит (например чрез бавно подаване за предотвратяване на странични реакции), като двете се смесват в ултразвуковата гореща точка. Като алтернатива, продукт от химичната реакция, протичаща в реактора, се извежда непрекъснато, например синтезирани утайки или кристали, или междинно вещество при образуването на крайния продукт, което може да се отстрани чрез разделяне на фазите.

Проточен химичен реактор с ултразвуково разбъркване

В проточен реактор, известен също като проточна клетка или реактор в линия, реагентите се подават през един или няколко входни отвора в реакционната камера, където протича химичната реакция. След определено време на престой, необходимо за протичането на конкретната реакция, средата се извежда непрекъснато от реактора. Ултразвуковите проточни клетки и реакторите в линия позволяват непрекъснато производство на продукт, което зависи единствено от непрекъснатото подаване на реагентите.

Изображението показва ултразвуковото устройство UIP1000hdT с реактор с периодично действие (вляво) и с реактор с проточна клетка за обработка в линия (вдясно).

Високоефективни химични сонореактори

Hielscher Ultrasonics е вашият доверен производител на сонохимични реактори и високоефективно ултразвуково оборудване, което може надеждно да подобри вашата химична реакция. Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics включва различни типове и класове лабораторни и широкомащабни промишлени сонореактори за периодичен и проточен режим. С високоефективната ултразвукова обработка със сонди на Hielscher в реакторите с периодично действие и проточните реактори надеждно се постигат множество подобрения – като повишена скорост на реакцията, по-пълно превръщане, по-високи добиви, прецизен контрол на реакцията и отлична обща ефективност. Проектирани за висока ефективност и здравина, ултразвуковите устройства и сонореакторите на Hielscher могат да се инсталират за работа с агресивни химикали, в тежки условия и при приложения с интензивно натоварване.
Ултразвуковите реактори на Hielscher са проектирани с акцент върху равномерното ултразвуково облъчване на средата, така че полето на акустичното налягане да може да се разпространява равномерно. Изпълнението на това изискване подобрява общата ефективност на сонохимичната реакция, тъй като ултразвукът постига най-високата интензификация на процеса.

Схематично представяне на явленията, протичащи в сонохимичен реактор.
Изображение и изследване: ©Dahlem et al., 1999.

Продуктовата гама обхваща компактни лабораторни ултразвукови устройства за научноизследователска и развойна дейност, мощни настолни и пилотни ултразвукови системи, както и оборудване от изцяло промишлен клас за производство в големи обеми. Това позволява изпитване на осъществимостта в малък мащаб без риск и последващо напълно линейно увеличаване на мащаба до по-големи обеми.

Прецизен контрол на ултразвуковата обработка

Цифровият цветен дисплей и интелигентният софтуер с дистанционно управление през браузър и автоматично записване на данните върху вградена SD карта позволяват усъвършенствано настройване и наблюдение на ултразвуковите параметри в сонохимичния реактор.
Привлекателността на сонохимично задвижваните реакции се крие в ефективността, която може надеждно да се постигне чрез оптимизация на процеса. За всяка конкретна реакция могат да се определят оптималната ултразвукова амплитуда, подаваната ултразвукова мощност, температурата и налягането. Това позволява да се намерят идеалните параметри на ултразвуковата обработка, така че да се постигнат оптимални резултати от реакцията и оптимална ефективност.

Контрол на температурата

Всички наши цифрови ултразвукови устройства са оборудвани с включваем температурен сензор за непрекъснато наблюдение на температурата, който може да се потопи в течността за постоянно измерване на температурата в нейния обем. Усъвършенстваният софтуер позволява задаване на температурен диапазон. Когато температурната граница бъде превишена, ултразвуковото устройство автоматично преустановява работата си, докато температурата в течността спадне до определена зададена стойност, и след това автоматично възобновява ултразвуковата обработка. Всички измервания на температурата, както и други важни данни за ултразвуковия процес, се записват автоматично върху вградена SD карта и могат лесно да се преглеждат за контрол на процеса.
Сонохимичните реактори на Hielscher се предлагат с охлаждащи ризи. Допълнително могат да се свържат топлообменници и охладителни агрегати, за да се осигури желаната температура на процеса.

Леснодостъпни компоненти за изграждане на идеалния химичен реактор

Богатото портфолио от леснодостъпни ултразвукови устройства, сонди (сонотроди), усилващи рупори, реактори с периодично действие и проточни клетки, както и множество допълнителни принадлежности, позволява конфигурирането на идеалния ултразвуков химичен реактор (сонореактор) за вашия конкретен процес.
Цялото оборудване вече е оптимизирано за равномерно разпределение на акустичната кавитация и стабилни режими на потока, които са най-важните конструктивни аспекти за получаване на еднородни, надеждни резултати в химичен реактор с ултразвуково разбъркване.
Нежеланото окисление може да се избегне чрез продухване на реактора с инертен газ, например чрез създаване на азотна газова възглавница.

Индивидуални решения за вашия химичен реактор

Hielscher предлага различни решения за реактори с периодично действие и реактори в линия с различни размери и геометрия, изработени от неръждаема стомана или стъкло, и с удоволствие ще изработим вашия специален съд за химичен реактор, като вземем предвид анализа и основните принципи на проектирането според специфичните изисквания на вашия процес. С екип от инженери и технически разработчици с дългогодишен опит проектираме вашия химичен реактор така, че да отговаря на изискванията ви. Например размерът, материалът, геометрията, отворите за подаване и извеждане, броят на ултразвуковите сонди и др. могат да се проектират така, че да се създаде идеалният химичен реактор с ултразвуково подпомагане за вашия химичен процес.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства: