Optimizirana efikasnost hemijskog reaktora putem ultrazvučne obrade visoke snage

Poznato je da ultrazvučna obrada intenzivira i/ili pokreće hemijske reakcije. Stoga se integracija visokoučinkovitog ultrazvuka smatra pouzdanim alatom za unapređenje hemijskih reaktora radi boljih ishoda reakcija. Hielscher Ultrasonics nudi razna rješenja reaktora za fino podešavanje vašeg hemijskog procesa. Saznajte kako ultrazvuk može poboljšati vaš hemijski reaktor!

Kako ultrazvuk velike snage poboljšava hemijske reaktore?

Integracija jedne ili više ultrazvučnih sondi (sonotroda) omogućava uvođenje snažnih ultrazvučnih valova u hemijski reaktor. Intenzivna ultrazvučna obrada tekućina i suspenzija ne samo da stvara snažne turbulencije zbog akustičnih vibracija, nego je poznata i po višestrukim efektima koji se definiraju pojmom „sonohemija“.

Šta je sonohemija? Kako ona promovira reakcije?

Ultrazvuk visokog intenziteta / ultrazvuk velike snage primjenjuje se na hemijske sisteme kako bi se pokrenule i/ili potaknule reakcije, poboljšali stepen konverzije i prinosi ili promijenili reakcijski putevi. Fizikalna pojava odgovorna za sonohemijske efekte jest akustična kavitacija. Kada se ultrazvučni valovi visokog intenziteta uvode u tečni medij, valovi putuju kroz tečnost stvarajući naizmjenične cikluse niskog pritiska (razrjeđenje) i visokog pritiska (kompresija). Tokom niskog pritiska / razrjeđenja u tečnosti nastaju sitni vakuumski mjehurići, koji rastu kroz nekoliko ciklusa pritiska sve dok vakuumski mjehurić ne dostigne tačku u kojoj ne može apsorbirati dodatnu energiju. U tački maksimalnog rasta mjehurića, mjehurić se silovito urušava implozijom tokom ciklusa visokog pritiska. Tokom implozivnog kolapsa mjehurića može se uočiti pojava kavitacije. Ultrazvučna kavitacija stvara takozvane „vruće tačke“, koje karakteriziraju ekstremni uvjeti, poput temperature do ∼5000 K s vrlo visokim brzinama zagrijavanja/hlađenja od > 1000 K s^-1, pritisaka do ∼1000 bar, kao i odgovarajućih temperaturnih i pritisnih razlika. Tečnost ili suspenzija snažno se miješa tečnim mlazovima i smičnim silama.

Hemijski efekti (npr. nastanak radikalnih vrsta, savijanje molekula itd.) te fizikalni / fizikalno-mehanički efekti sonohemije uspješno se primjenjuju u brojnim hemijskim reakcijama, kao što su organska kataliza, organokatalitičke reakcije, reakcije prijenosa faza, sinteza nanočestica, precipitacija / kristalizacija, sol-gel reakcije, Suzukijevo spajanje, Diels-Alderove reakcije, Mannichove reakcije, Michaelova adicija, spajanje tipa Wurtz i mnoge druge. Sonohemijski potaknute reakcije često pokazuju znatno povećan stepen konverzije, veće prinose, ubrzanu reakciju, potpuniju reakciju, mogu se izvoditi s blažim otapalima pod ambijentalnim uvjetima, stvaraju manje neželjenih nusproizvoda i zbog svoje visoke efikasnosti doprinose zelenoj hemiji.

Hemijski šaržni reaktori pokretani ultrazvukom

Integracija ultrazvučnih uređaja u otvorene ili zatvorene šaržne reaktore uobičajena je tehnika za ubrzavanje reakcija u laboratorijima, pilot postrojenjima i proizvodnim pogonima. Ovisno o veličini posude, geometriji i hemijskom reakcijskom sistemu, u šaržni reaktor može se integrirati jedna ili više sonotroda. Ultrazvučna obrada se često koristi i za poboljšanje kontinuirano miješanih reaktora (CSTR).

Ultrazvučni polušaržni reaktori: Naravno, ultrazvučna obrada može se integrirati i u polušaržne reaktore. Kod polušaržnih sistema jedan hemijski reaktant se unosi u reaktor, dok se drugi hemijski spoj dodaje kontinuiranim protokom (na primjer, sporim doziranjem radi sprječavanja sporednih reakcija) te se spajaju u ultrazvučnoj vrućoj tački. Alternativno, produkt hemijske reakcije koji nastaje reakcijom u reaktoru kontinuirano se uklanja, npr. sintetizirani talozi ili kristali, ili međuprodukt u nastanku konačnog proizvoda koji se može ukloniti zbog razdvajanja faza.

Ultrazvučno miješani hemijski protočni reaktor

U protočnom reaktoru, poznatom i kao protočna ćelija ili inline reaktor, reaktanti se dovode kroz jedan ili više ulaznih priključaka u reakcijsku komoru, gdje se odvija hemijska reakcija. Nakon određenog vremena zadržavanja koje je potrebno da se odvije određena reakcija, medij se kontinuirano ispušta iz reaktora. Ultrazvučne protočne ćelije i inline reaktori omogućavaju neprekidnu proizvodnju produkta, koja ovisi samo o kontinuiranom dovodu reagensa.

Slika prikazuje ultrazvučni uređaj UIP1000hdT sa šaržnim reaktorom (lijevo) i s reaktorom s protočnom ćelijom za inline obradu (desno).

Sonoreaktori visokih performansi za hemijske procese

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdani proizvođač sonohemijskih reaktora i ultrazvučne opreme visokih performansi koja može pouzdano poboljšati vašu hemijsku reakciju. Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics obuhvata razne tipove i klase laboratorijskih i industrijskih sonoreaktora velikih razmjera za šaržni i protočni način rada. Uz Hielscher ultrazvučnu obradu visokih performansi sa sondom, brojna poboljšanja – kao što su poboljšana brzina reakcije, potpunija konverzija, veći prinosi, precizna kontrola reakcije i izvrsna ukupna efikasnost – pouzdano se postižu u šaržnim i protočnim reaktorima. Hielscher ultrazvučni uređaji i sonoreaktori, projektirani za visoke performanse i robusnost, mogu se instalirati za upotrebu s agresivnim hemikalijama, u zahtjevnim okruženjima i teškim primjenama.
Hielscher ultrazvučni reaktori projektirani su s ciljem ujednačenog ultrazvučnog zračenja medija, tako da se akustično polje pritiska može ravnomjerno širiti. Ispunjavanje ovog zahtjeva poboljšava ukupnu efikasnost sonohemijske reakcije, budući da ultrazvuk postiže najveću intenzifikaciju procesa.

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

Asortiman proizvoda obuhvata kompaktne laboratorijske ultrazvučne uređaje za istraživanje i razvoj, snažne stolne i pilot ultrazvučne sisteme, kao i opremu industrijske klase za proizvodnju velikih volumena. To omogućava testiranje izvodljivosti bez rizika na maloj skali i potom potpuno linearno povećanje skale na veće volumene.

Precizna kontrola ultrazvučne obrade

Digitalni displej u boji i pametni softver s daljinskim upravljanjem putem preglednika i automatskim protokolisanjem podataka na integriranu SD karticu omogućavaju sofisticirano podešavanje i praćenje ultrazvučnih parametara u sonohemijskom reaktoru.
Ljepota sonohemijski pokretanih reakcija jest u efikasnosti koja se može pouzdano postići optimizacijom procesa. Optimalna ultrazvučna amplituda, unos ultrazvučne snage, temperatura i pritisak mogu se odrediti za svaku pojedinu reakciju. To omogućava pronalaženje idealnih parametara ultrazvučne obrade, tako da se postignu optimalni rezultati reakcije i efikasnost.

Kontrola temperature

Svi naši digitalni ultrazvučni uređaji opremljeni su priključnim temperaturnim senzorom za kontinuirano praćenje temperature, koji se može uroniti u tečnost radi stalnog mjerenja temperature u masi tečnosti. Sofisticirani softver omogućava postavljanje temperaturnog raspona. Kada se prekorači temperaturna granica, ultrazvučni uređaj se automatski pauzira dok temperatura u tečnosti ne padne na određenu zadanu vrijednost, a zatim automatski ponovo započinje ultrazvučnu obradu. Sva mjerenja temperature, kao i drugi važni podaci ultrazvučnog procesa, automatski se bilježe na ugrađenu SD karticu i mogu se jednostavno pregledati radi kontrole procesa.
Sonohemijski reaktori kompanije Hielscher dostupni su s rashladnim plaštevima. Dodatno se mogu priključiti izmjenjivači topline i rashladni uređaji kako bi se osigurala željena temperatura procesa.

Odmah dostupne komponente za sastavljanje idealnog hemijskog reaktora

Veliki portfolio odmah dostupnih ultrazvučnih uređaja, sondi (sonotroda), boostera, šaržnih reaktora i protočnih ćelija, kao i brojne dodatne opreme omogućava konfiguriranje idealnog ultrazvučno-hemijskog reaktora (sonoreaktora) za vaš specifični proces.
Sva oprema je već optimizirana za ujednačenu raspodjelu akustične kavitacije i stabilne obrasce strujanja, koji su najvažniji aspekti dizajna za postizanje homogenih, pouzdanih rezultata u ultrazvučno miješanom hemijskom reaktoru.
Neželjena oksidacija može se izbjeći ispiranjem reaktora inertnim plinom, npr. dušikom (zaštitni sloj dušika).

Prilagođena rješenja za vaš hemijski reaktor

Iako Hielscher nudi razna rješenja šaržnih i inline reaktora u različitim veličinama i geometrijama, izrađena od nehrđajućeg čelika ili stakla, rado ćemo izraditi vašu posebnu posudu hemijskog reaktora uzimajući u obzir analizu i projektne osnove vaših specifičnih procesnih zahtjeva. S dugogodišnjim iskusnim timom inženjera i tehničkih developera projektiramo vaš hemijski reaktor u skladu s vašim zahtjevima. Na primjer, veličina, materijal, geometrija, ulazni i izlazni priključci, broj ultrazvučnih sondi itd. mogu se projektirati kako bi se dobio idealan ultrazvučno potpomognut hemijski reaktor za vaš hemijski proces.

Tabela ispod daje vam okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: