Optimizirana efikasnost hemijskog reaktora ultrazvukom velike snage

Poznato je da ultrazvuk pojačava i/ili pokreće hemijske reakcije. Stoga se integracija ultrazvuka visokih performansi smatra pouzdanim alatom za promoviranje kemijskih reaktora za poboljšane rezultate reakcije. Hielscher Ultrasonics nudi razna rješenja za reaktore za podešavanje vašeg kemijskog procesa. Saznajte kako ultrazvuk može poboljšati vaš hemijski reaktor!

Kako moćni ultrazvuk poboljšava hemijske reaktore?

Integracija jedne ili više ultrazvučnih sondi (sonotroda) omogućava spajanje moćnih ultrazvučnih valova u kemijski reaktor. Intenzivna ultrazvučna obrada tekućina i kaša ne samo da stvara jake turbulencije zbog akustične vibracije, već je poznata po višestrukim efektima koji se definiraju pod pojmom "sonohemija".

Šta je sonohemija? Kako podstiče reakcije?

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, pritisci do ∼1000 bara kao i odgovarajuće razlike temperature i pritiska. Tečnost ili kaša se jako mešaju mlazovima tečnosti i silama smicanja.

Hemijski efekti (npr. formiranje radikalnih vrsta, savijanje molekula itd.) i fizički/fizičko-mehanički efekti sonohemije uspješno se primjenjuju na brojne kemijske reakcije kao što su organska kataliza, organokatalitičke reakcije, reakcije prenosa faze, sinteza nanočestica, taloženje / kristalizacija, sol-gel reakcije, Suzuki spojnica, Diels-Alderove reakcije, Mannichove reakcije, Michael Addition, Wurtz-tip spojnice i mnoge druge. Sonohemijski promovisane reakcije često pokazuju značajno povećanu stopu konverzije, veće prinose, ubrzanu reakciju, potpuniju reakciju, mogu se koristiti sa blažim rastvaračima u ambijentalnim uslovima, stvaraju manje neželjenih nusproizvoda i doprinose zbog svoje visoke efikasnosti zelenoj hemiji.

Hemijski reaktori na bazi ultrazvuka

Integracija ultrasonikatora u otvorene ili zatvorene šaržne reaktore je uobičajena tehnika za ubrzavanje reakcija u laboratorijama, pilot postrojenjima i proizvodnim pogonima. U zavisnosti od veličine posude, geometrije i sistema hemijske reakcije, jedna ili više sonotroda mogu biti integrisane u šaržni reaktor. Ultrasonication se također često koristi za poboljšanje reaktori sa kontinuiranim mešanjem (CSTR).

Ultrazvučni poluserijski reaktori: Naravno, sonikacija se također može integrirati u poluserijske reaktore. Za poluserijske sisteme, jedan hemijski reaktant se ubacuje u reaktor, dok se druga hemikalija dodaje kontinuiranim protokom (na primer, pri sporom dovodu da bi se sprečile nuspojave) kombinujući se u ultrazvučnoj vrućoj tački. Alternativno, proizvod kemijske reakcije, koji je rezultat reakcije u reaktoru, kontinuirano se uklanja, npr. sintetizirani precipitati ili kristali, ili međuprodukt krajnjeg proizvoda koji se može ukloniti zbog odvajanja faza.

Ultrazvučno agitirani hemijski protočni reaktor

U protočnom reaktoru, također poznatom kao protočna ćelija ili inline reaktor, reaktanti se unose kroz jedan ili više ulaza za napajanje u reakcionu komoru, gdje se odvija hemijska reakcija. Nakon određenog vremena zadržavanja koje je potrebno da bi nastupila određena reakcija, medij se kontinuirano ispušta iz reaktora. Ultrazvučne protočne ćelije i inline reaktori omogućavaju neprekidnu proizvodnju proizvoda, koja ovisi samo o kontinuiranoj opskrbi reagensima.

Na slici je prikazano ultrasonikator UIP1000hdT sa šaržnim reaktorom (lijevo) i sa reaktorom protočne ćelije za inline obradu (desno).

Hemijski sonoreaktori visokih performansi

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdani proizvođač sono-kemijskih reaktora i ultrazvučne opreme visokih performansi koja može pouzdano poboljšati vašu kemijsku reakciju. Hielscher Ultrasonics asortiman proizvoda uključuje različite vrste i klase laboratorijskih i industrijskih velikih sonoreaktora za šaržni i protočni način rada. Uz Hielscher ultrazvučnu sondu visokih performansi, višestruki napredak – kao što su poboljšana brzina reakcije, potpunija konverzija, veći prinosi, precizna kontrola reakcije i odlična ukupna efikasnost – pouzdano se postižu u šaržnim i protočnim reaktorima. Dizajnirani za visoke performanse i robusnost, Hielscher ultrasonikatori i sono-reaktori mogu se instalirati za upotrebu sa jakim hemikalijama, u zahtjevnim okruženjima i teškim aplikacijama.
Hielscher ultrazvučni reaktori su dizajnirani s fokusom na jednolično ultrazvučno zračenje medija tako da se polje akustičnog pritiska može ravnomjerno proširiti. Ispunjavanje ovog zahtjeva poboljšava ukupnu efikasnost sonohemijske reakcije jer ultrazvuk postiže najveće intenziviranje procesa.

Šematski prikaz pojava koje se dešavaju u sonohemijskom reaktoru.
Slika i studija: ©Dahlem et al., 1999.

Asortiman proizvoda pokriva kompaktne laboratorijske ultrazvučne aparate za R&D, moćni stoni i pilot ultrazvučni sistemi, kao i potpuno industrijska oprema za proizvodnju velikih količina. Ovo omogućava testiranje izvodljivosti bez rizika na malom obimu i naknadno potpuno linearno povećanje na veće količine.

Precizna kontrola sonikacije

Digitalni displej u boji i pametni softver sa daljinskom kontrolom pretraživača i automatskim protokolom podataka na integrisanoj SD kartici omogućavaju sofisticirano podešavanje i praćenje ultrazvučnih parametara u sonohemijskom reaktoru.
Ljepota sonohemijski vođenih reakcija je efikasnost koja se može pouzdano postići optimizacijom procesa. Optimalna ultrazvučna amplituda, ulazna snaga ultrazvuka, temperatura i pritisak mogu se odrediti za svaku pojedinačnu reakciju. Ovo omogućava pronalaženje idealnih parametara sonikacije tako da se postižu optimalni rezultati reakcije i efikasnost.

Kontrola temperature

Svi naši digitalni ultrasonikatori su opremljeni temperaturnim senzorom koji se može priključiti za kontinuirano praćenje temperature, koji se može umetnuti u tekućinu za konstantno mjerenje osnovne temperature. Sofisticirani softver omogućava podešavanje temperaturnog raspona. Kada se prekorači granica temperature, ultrasonikator automatski pauzira dok se temperatura u tečnosti ne spusti na određenu zadatu tačku i ponovo počne automatski sonikirati. Sva mjerenja temperature kao i drugi važni ultrazvučni procesni podaci se automatski snimaju na ugrađenu SD karticu i mogu se lako revidirati za kontrolu procesa.
Sonohemijski reaktori iz Hielschera dostupni su sa rashladnim omotačem. Dodatno se mogu spojiti izmjenjivači topline i rashladne jedinice kako bi se osigurala željena temperatura procesa.

Lako dostupne komponente za sastavljanje idealnog hemijskog reaktora

Veliki portfelj lako dostupnih ultrazvučnih uređaja, sonotroda (sonotroda), pojačavača, šaržnih reaktora i protočnih ćelija, kao i brojnih dodatnih dodataka omogućavaju konfiguraciju idealnog ultrazvučno-hemijskog reaktora (sono-reaktora) za vaš specifični proces.
Sva oprema je već optimizirana za ujednačenu distribuciju akustične kavitacije i stabilne obrasce strujanja, što su najvažniji aspekti dizajna za postizanje homogenih, pouzdanih rezultata u ultrazvučnom kemijskom reaktoru.
Neželjena oksidacija se može izbjeći pročišćavanjem reaktora inertnim plinom, npr. azotnim pokrivačem.

Prilagođena rješenja za vaš hemijski reaktor

Dok Hielscher nudi različita šaržna i inline reaktorska rješenja u različitim veličinama i geometrijama, izrađena od nehrđajućeg čelika ili stakla, drago nam je da proizvedemo vašu specijalnu posudu za kemijski reaktor s obzirom na analizu i osnove dizajna vaših specifičnih zahtjeva procesa. Sa dugogodišnjim iskusnim timom inženjera i tehničkih programera, dizajniramo vaš hemijski reaktor u skladu sa vašim zahtjevima. Na primjer, veličina, materijal, geometrija, priključci za dovod i pražnjenje, broj ultrazvučnih sondi itd. mogu se dizajnirati kako bi se napravio idealan ultrazvučno promoviran kemijski reaktor za vaš kemijski proces.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: