Optimalizovaná účinnost chemického reaktoru pomocí ultrazvuku s vysokým výkonem

Je dobře známo, že ultrazvuku zesiluje a/nebo iniciuje chemické reakce. Proto je integrace vysoce výkonného ultrazvuku považována za spolehlivý nástroj na podporu chemických reaktorů pro lepší výsledky reakcí. Hielscher Ultrasonics nabízí různá reaktorová řešení pro vyladění chemického procesu. Zjistěte, jak může ultrazvuk zlepšit váš chemický reaktor!

Jak výkonový ultrazvuk zlepšuje chemické reaktory?

Integrace jedné nebo více ultrazvukových sond (sonotrod) umožňuje spojit silné ultrazvukové vlny s chemickým reaktorem. Intenzivní ultrazvuku kapalin a kalů vytváří nejen silné turbulence v důsledku akustických vibrací, ale je známá mnoha účinky, které jsou definovány pod pojmem "sonochemie".

Co je sonochemie? Jak podporuje reakce?

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, tlaky až do ∼1000 barů, jakož i příslušné teplotní a tlakové rozdíly. Kapalina nebo suspenze je silně míchána tryskami kapaliny a smykovými silami.

Chemické účinky (např. tvorba radikálových druhů, ohýbání molekul atd.) a fyzikální / fyzikálně-mechanické účinky sonochemie jsou úspěšně aplikovány na četné chemické reakce, jako je organická katalýza, organokatalytické reakce, Reakce fázového přenosu, syntéza nanočástic, Srážení / krystalizace, Sol-gelové reakce, Spojka Suzuki, Diels-Alderovy reakce, Mannichovy reakce, Michael Dodatek, spojka typu Wurtz, a mnoho dalších. Sonochemicky podporované reakce často vykazují výrazně zvýšenou míru konverze, vyšší výtěžky, zrychlenou reakci, úplnější reakci, lze je použít s mírnějšími rozpouštědly za okolních podmínek, vytvářejí méně nežádoucích vedlejších produktů a přispívají díky své vysoké účinnosti k zelené chemii.

Ultrazvukem řízené chemické vsázkové reaktory

Integrace ultrasonikátorů do otevřených nebo uzavřených dávkových reaktorů je běžně používanou technikou pro urychlení reakcí v laboratořích, pilotních závodech a výrobních zařízeních. V závislosti na velikosti nádoby, geometrii a systému chemické reakce může být do vsádkového reaktoru integrována jedna nebo více sonotrod. Ultrazvuku se také často používá ke zlepšení kontinuálně míchané reaktory (ČSTR).

Ultrazvukové polovsádkové reaktory: Samozřejmě, že sonikace může být také integrována do polovsádkových reaktorů. U polodávkových systémů je jeden chemický reaktant vložen do reaktoru, zatímco druhá chemikálie je přidávána kontinuálním průtokem (například při pomalém podávání, aby se zabránilo vedlejším reakcím), které se kombinují v ultrazvukovém horkém místě. Alternativně se kontinuálně odstraňuje produkt chemické reakce, který je výsledkem reakce v reaktoru, např. syntetizované sraženiny nebo krystaly, nebo meziprodukt konečného produktu, který lze odstranit v důsledku fázové separace.

Ultrazvukem míchaný chemický průtokový reaktor

V průtokovém reaktoru, známém také jako průtoková buňka 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 tomu, aby došlo ke specifické reakci, je médium kontinuálně vypouštěno z reaktoru. Ultrazvukové průtokové cely a inline reaktory umožňují nepřerušovanou výrobu produktu, která je závislá pouze na nepřetržitém přísunu činidel.

Na obrázku je znázorněn Ultrasonicator UIP1000hdT s dávkovým reaktorem (vlevo) a s reaktorem s průtočnou buňkou pro inline zpracování (vpravo).

Vysoce výkonné chemické sono-reaktory

Hielscher Ultrasonics je váš důvěryhodný výrobce sono-chemických reaktorů a vysoce výkonných ultrazvukových zařízení, které mohou spolehlivě zlepšit vaši chemickou reakci. Produktová řada Hielscher Ultrasonics zahrnuje různé typy a třídy laboratorních a průmyslových velkých sonoreaktů pro dávkový a průtokový režim. S Hielscher vysoce výkonnou sondou typu ultrazvuku, více pokroků – jako je zlepšená reakční rychlost, úplnější konverze, vyšší výtěžky, přesné řízení reakce a vynikající celková účinnost – jsou spolehlivě dosaženy v dávkových a průtokových reaktorech. Navrženo pro vysoký výkon a robustnost, Hielscher ultrasonicators a sono-reaktory mohou být instalovány pro použití s drsnými chemikáliemi, v náročných prostředích a těžkých aplikacích.
Ultrazvukové reaktory Hielscher jsou navrženy se zaměřením na rovnoměrné ultrazvukové ozáření média, aby se pole akustického tlaku mohlo rovnoměrně rozpínat. Splnění tohoto požadavku zlepšuje celkovou účinnost sonochemické reakce, protože ultrazvuk dosahuje nejvyšší intenzifikace procesu.

Schematický pohled na jevy probíhající v sonochemickém reaktoru.
Obrázek a studie: ©Dahlem et al., 1999.

Produktová řada zahrnuje kompaktní laboratorní ultrasonicators pro R&D, výkonné stolní a pilotní ultrazvukové systémy, stejně jako plně průmyslová zařízení pro velkoobjemovou výrobu. To umožňuje bezrizikové testování proveditelnosti v malém měřítku a následné zcela lineární škálování na větší objemy.

Přesné ovládání ultrazvuku

Digitální barevný displej a chytrý software s dálkovým ovládáním prohlížečem a automatickým protokolováním dat na integrovanou SD kartu umožňují sofistikované nastavení a sledování ultrazvukových parametrů v sono-chemickém reaktoru.
Krása sonochemicky řízených reakcí spočívá v účinnosti, které lze spolehlivě dosáhnout optimalizací procesu. Pro každou konkrétní reakci lze určit optimální ultrazvukovou amplitudu, ultrazvukový příkon, teplotu a tlak. To umožňuje najít ideální parametry sonikace tak, aby bylo dosaženo optimálních výsledků reakce a účinnosti.

Regulace teploty

Všechny naše digitální ultrasonicators jsou vybaveny zásuvným teplotním senzorem pro nepřetržité sledování teploty, který lze vložit do kapaliny pro konstantní měření objemové teploty. Sofistikovaný software umožňuje nastavení teplotního rozsahu. Když je překročen teplotní limit, ultrasonikátor se automaticky pozastaví, dokud teplota v kapalině neklesne na určitou nastavenou hodnotu a znovu začne automaticky sonikovat. Všechna měření teploty, stejně jako další důležitá ultrazvuková procesní data, se automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu a lze je snadno revidovat pro řízení procesu.
Sonochemické reaktory od společnosti Hielscher jsou k dispozici s chladicími plášti. Kromě toho lze připojit výměníky tepla a chladicí jednotky, aby byla zajištěna požadovaná procesní teplota.

Snadno dostupné komponenty pro sestavení ideálního chemického reaktoru

Široké portfolio snadno dostupných ultrazvukových zařízení, sond (sonotrod), posilovacích rohů, dávkových reaktorů a průtočných cel, stejně jako četné další příslušenství, umožňuje nakonfigurovat ideální ultrazvukově-chemický reaktor (sono-reaktor) pro váš konkrétní proces.
Všechna zařízení jsou již optimalizována pro rovnoměrné rozložení akustické kavitace a stabilní vzory proudění, což jsou nejdůležitější konstrukční aspekty pro dosažení homogenních a spolehlivých výsledků v ultrazvukem míchaném chemickém reaktoru.
Nežádoucí oxidaci lze zabránit propláchnutím reaktoru inertním plynem, např. dusíkovou přikrývkou.

Řešení na míru pro váš chemický reaktor

Zatímco Hielscher nabízí různá dávková a inline řešení reaktorů v různých velikostech a geometriích, vyrobených z nerezové oceli nebo skla, jsme rádi, že můžeme vyrobit vaši speciální chemickou reaktorovou nádobu s ohledem na analýzu a základy návrhu vašich specifických procesních požadavků. S dlouholetým zkušeným týmem inženýrů a technických vývojářů navrhneme váš chemický reaktor tak, aby vyhovoval vašim požadavkům. Například velikost, materiál, geometrie, napájecí a vybíjecí porty, počet ultrazvukových sond atd. Mohou být navrženy tak, aby byl vytvořen ideální ultrazvukem propagovaný chemický reaktor pro váš chemický proces.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: