Optimalizovaná účinnost chemických reaktorů díky vysoce výkonné sonikaci

Sonikace je dobře známa tím, že intenzifikuje a/nebo iniciuje chemické reakce. Proto je integrace vysoce výkonného ultrazvuku považována za spolehlivý nástroj pro podporu chemických reaktorů a dosažení lepších výsledků reakcí. Hielscher Ultrasonics nabízí různá reaktorová řešení pro vyladění vašeho chemického procesu. Zjistěte, jak může ultrazvuk zlepšit váš chemický reaktor!

Jak výkonový ultrazvuk zlepšuje chemické reaktory?

Integrace jedné nebo více ultrazvukových sond (sonotrod) umožňuje přenášet do chemického reaktoru silné ultrazvukové vlny. Intenzivní sonikace kapalin a suspenzí nejen vytváří silné turbulence v důsledku akustických vibrací, ale je známa i řadou dalších účinků, které se souhrnně označují pojmem „sonochemie“.

Co je sonochemie? Jak podporuje reakce?

Vysoce intenzivní ultrazvuk / vysoce výkonný ultrazvuk se aplikuje na chemické systémy za účelem iniciace a/nebo podpory reakcí, zlepšení míry konverze a výtěžků nebo změny reakčních drah. Fyzikálním jevem odpovědným za sonochemické účinky je akustická kavitace. Když jsou vysoce intenzivní ultrazvukové vlny přenášeny do kapalného média, šíří se kapalinou a vytvářejí střídavé cykly nízkého tlaku (zředění) a vysokého tlaku (komprese). Během nízkého tlaku / zředění vznikají v kapalině drobné vakuové bubliny, které rostou během několika tlakových cyklů, dokud vakuová bublina nedosáhne bodu, kdy již nemůže absorbovat žádnou další energii. V bodě maximálního růstu bublina během cyklu vysokého tlaku prudce imploduje. Během implozivního kolapsu bubliny lze pozorovat jev kavitace. Ultrazvuková kavitace vytváří tzv. „hot spots“, které jsou charakterizovány extrémními podmínkami, jako je teplota až ∼5000 K s velmi vysokými rychlostmi ohřevu/chlazení > 1000 K s^-1, tlaky až ∼1000 bar a také odpovídající teplotní a tlakové rozdíly. Kapalina nebo suspenze je intenzivně promíchávána proudy kapaliny a smykovými silami.

Chemické účinky (např. tvorba radikálových částic, ohýbání molekul atd.) a fyzikální / fyzikálně-mechanické účinky sonochemie se úspěšně uplatňují v mnoha chemických reakcích, jako je organická katalýza, organokatalytické reakce, reakce s fázovým přenosem, syntéza nanočástic, srážení / krystalizace, sol-gel reakce, Suzukiho kopulace, Diels-Alderovy reakce, Mannichovy reakce, Michaelova adice, kopulace Wurtzova typu a mnoho dalších. Sonochemicky podporované reakce často vykazují výrazně zvýšenou míru konverze, vyšší výtěžky, zrychlený průběh reakce a úplnější reakci, lze je provádět s mírnějšími rozpouštědly za okolních podmínek, vytvářejí méně nežádoucích vedlejších produktů a díky své vysoké účinnosti přispívají k zelené chemii.

Ultrazvukem poháněné chemické vsádkové reaktory

Integrace sonikátorů do otevřených nebo uzavřených vsádkových reaktorů je běžně používaná technika pro urychlení reakcí v laboratořích, pilotních provozech a výrobních zařízeních. V závislosti na velikosti nádoby, její geometrii a chemickém reakčním systému lze do vsádkového reaktoru integrovat jednu nebo více sonotrod. Sonikace se také často používá ke zlepšení kontinuálně míchaných reaktorů (CSTR).

Ultrazvukové polovsádkové reaktory: Sonikaci lze samozřejmě integrovat i do polovsádkových (semi-batch) reaktorů. U polovsádkových systémů se do reaktoru vloží jedna chemická reakční složka, zatímco druhá chemikálie se přidává kontinuálním průtokem (například pomalým dávkováním, aby se zabránilo vedlejším reakcím) a obě se spojují v ultrazvukovém hot spotu. Alternativně se produkt chemické reakce, který vzniká reakcí v reaktoru, kontinuálně odebírá, např. syntetizované sraženiny nebo krystaly, nebo meziprodukt při vzniku konečného produktu, který lze odebrat díky fázové separaci.

Ultrazvukem míchaný chemický průtokový reaktor

V průtokovém reaktoru, známém také jako průtoková cela nebo inline reaktor, jsou reaktanty přiváděny jedním nebo více přívodními porty do reakční komory, kde probíhá chemická reakce. Po určité době zdržení, která je potřebná k proběhnutí konkrétní reakce, je médium kontinuálně odváděno z reaktoru. Ultrazvukové průtokové cely a inline reaktory umožňují nepřerušovanou výrobu produktu, která závisí pouze na kontinuálním přísunu reagencií.

Obrázek ukazuje sonikátor UIP1000hdT s vsádkovým reaktorem (vlevo) a s reaktorem s průtokovou celou pro inline zpracování (vpravo).

Vysoce výkonné chemické sonoreaktory

Hielscher Ultrasonics je váš spolehlivý výrobce sonochemických reaktorů a vysoce výkonných ultrazvukových zařízení, která mohou spolehlivě zlepšit vaši chemickou reakci. Produktová řada Hielscher Ultrasonics zahrnuje různé typy a třídy laboratorních a průmyslových velkokapacitních sonoreaktorů pro vsádkový a průtokový režim. Díky vysoce výkonné sonikaci sondového typu od Hielscher se ve vsádkových i průtokových reaktorech spolehlivě dosahuje řady zlepšení – jako je vyšší reakční rychlost, úplnější konverze, vyšší výtěžky, přesné řízení reakce a vynikající celková účinnost. Sonikátory a sonoreaktory Hielscher, navržené pro vysoký výkon a robustnost, lze instalovat pro použití s agresivními chemikáliemi, v náročných prostředích a v aplikacích s vysokou zátěží.
Ultrazvukové reaktory Hielscher jsou konstruovány se zaměřením na rovnoměrné ultrazvukové ozáření média, aby se akustické tlakové pole mohlo rovnoměrně šířit. Splnění tohoto požadavku zlepšuje celkovou účinnost sonochemické reakce, protože ultrazvuk dosahuje nejvyšší intenzifikace procesu.

Schematické znázornění jevů probíhajících v sonochemickém reaktoru.
Obrázek a studie: ©Dahlem et al., 1999.

Produktová řada zahrnuje kompaktní laboratorní sonikátory pro výzkum a vývoj, výkonné stolní a pilotní ultrazvukové systémy i plně průmyslová zařízení pro velkoobjemovou výrobu. To umožňuje bezrizikové testování proveditelnosti v malém měřítku a následné zcela lineární zvětšení měřítka na větší objemy.

Přesné řízení sonikace

Digitální barevný displej a chytrý software s dálkovým ovládáním přes prohlížeč a automatickým protokolováním dat na integrovanou SD kartu umožňují sofistikované nastavení a monitorování ultrazvukových parametrů v sonochemickém reaktoru.
Předností sonochemicky řízených reakcí je účinnost, které lze spolehlivě dosáhnout optimalizací procesu. Pro každou konkrétní reakci lze určit optimální ultrazvukovou amplitudu, příkon ultrazvuku, teplotu a tlak. To umožňuje nalézt ideální parametry sonikace, aby bylo dosaženo optimálních výsledků reakce a účinnosti.

Řízení teploty

Všechny naše digitální sonikátory jsou vybaveny zásuvným teplotním čidlem pro nepřetržité sledování teploty, které lze vložit do kapaliny pro stálé měření teploty v objemu kapaliny. Sofistikovaný software umožňuje nastavení teplotního rozsahu. Při překročení teplotního limitu se sonikátor automaticky pozastaví, dokud teplota v kapalině neklesne na určitou nastavenou hodnotu, a poté automaticky znovu zahájí sonikaci. Všechna měření teploty i další důležitá data ultrazvukového procesu se automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu a lze je snadno zkontrolovat pro účely řízení procesu.
Sonochemické reaktory od Hielscher jsou k dispozici s chladicími plášti. Navíc lze připojit výměníky tepla a chladicí jednotky k zajištění požadované procesní teploty.

Snadno dostupné komponenty pro sestavení ideálního chemického reaktoru

Rozsáhlé portfolio snadno dostupných ultrazvukových přístrojů, sond (sonotrod), boosterů, vsádkových reaktorů a průtokových cel i četného dalšího příslušenství umožňuje sestavit ideální ultrazvukový chemický reaktor (sonoreaktor) pro váš konkrétní proces.
Veškeré vybavení je již optimalizováno pro rovnoměrné rozložení akustické kavitace a stabilní charakter proudění, což jsou nejdůležitější konstrukční aspekty pro dosažení homogenních, spolehlivých výsledků v ultrazvukem míchaném chemickém reaktoru.
Nežádoucí oxidaci lze zabránit proplachováním reaktoru inertním plynem, např. dusíkovým polštářem.

Řešení na míru pro váš chemický reaktor

Přestože Hielscher nabízí různá řešení vsádkových a inline reaktorů v různých velikostech a geometriích, vyrobená z nerezové oceli nebo skla, rádi pro vás vyrobíme speciální nádobu chemického reaktoru s ohledem na analýzu a konstrukční základy vašich specifických procesních požadavků. S dlouholetým zkušeným týmem inženýrů a technických vývojářů navrhneme váš chemický reaktor tak, aby splňoval vaše požadavky. Například velikost, materiál, geometrii, přívodní a výstupní porty, počet ultrazvukových sond atd. lze navrhnout tak, aby vznikl ideální ultrazvukem podporovaný chemický reaktor pro váš chemický proces.

Níže uvedená tabulka uvádí přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich sonikátorů: