Optimeret effektivitet i kemiske reaktorer med højeffektsonikering

Sonikering er velkendt for at intensivere og/eller igangsætte kemiske reaktioner. Derfor betragtes integration af højtydende ultralyd som et pålideligt værktøj til at forbedre kemiske reaktorers funktion og opnå bedre reaktionsresultater. Hielscher Ultrasonics tilbyder forskellige reaktorløsninger til at finjustere din kemiske proces. Lær, hvordan ultralyd kan forbedre din kemiske reaktor!

Hvordan forbedrer højeffektultralyd kemiske reaktorer?

Integration af en eller flere ultralydssonder (sonotroder) gør det muligt at koble kraftige ultralydsbølger ind i den kemiske reaktor. Intensiv sonikering af væsker og opslæmninger skaber ikke blot kraftig turbulens som følge af akustiske vibrationer, men er også kendt for flere effekter, som defineres under betegnelsen ”sonokemi”.

Hvad er sonokemi? Hvordan fremmer den reaktioner?

Højintensiv ultralyd / højeffektultralyd anvendes i kemiske systemer for at igangsætte og/eller fremme reaktioner, forbedre omdannelseshastigheden og udbytterne eller ændre reaktionsvejene. Det fysiske fænomen, der er ansvarligt for sonokemiske effekter, er akustisk kavitation. Når højintensive ultralydsbølger kobles ind i et flydende medium, bevæger bølgerne sig gennem væsken og skaber skiftevis lavtrykscyklusser (fortynding) og højtrykscyklusser (kompression). Under lavtrykket / fortyndingen opstår der meget små vakuumbobler i væsken, som vokser over flere trykcyklusser, indtil vakuumboblen når et punkt, hvor den ikke kan absorbere mere energi. Når boblen har nået sin maksimale størrelse, imploderer den voldsomt under en højtrykscyklus. Under boblens implosive kollaps kan fænomenet kavitation observeres. Ultralydskavitation skaber såkaldte ”hot spots”, som er kendetegnet ved ekstreme forhold såsom temperaturer på op til ∼5000 K med meget høje opvarmnings-/afkølingshastigheder på > 1000 K s^-1, tryk på op til ∼1000 bar samt tilsvarende temperatur- og trykforskelle. Væsken eller opslæmningen sættes i kraftig bevægelse af væskestråler og forskydningskræfter.

De kemiske effekter (f.eks. dannelse af radikaler, bøjning af molekyler osv.) og de fysiske / fysisk-mekaniske effekter af sonokemi anvendes med succes i talrige kemiske reaktioner såsom organisk katalyse, organokatalytiske reaktioner, faseoverførselsreaktioner, nanopartikelsyntese, udfældning / krystallisation, sol-gel-reaktioner, Suzuki-kobling, Diels-Alder-reaktioner, Mannich-reaktioner, Michael-addition, kobling af Wurtz-typen og mange andre. Sonokemisk fremmede reaktioner udviser ofte en betydeligt øget omdannelseshastighed, højere udbytter, hurtigere reaktion og mere fuldstændig reaktion, kan gennemføres med mildere opløsningsmidler under omgivelsesbetingelser, danner færre uønskede biprodukter og bidrager på grund af deres høje effektivitet til grøn kemi.

Ultralydsdrevne kemiske batchreaktorer

Integration af ultralydsapparater i åbne eller lukkede batchreaktorer er en almindeligt anvendt teknik til at accelerere reaktioner i laboratorier, pilotanlæg og produktionsanlæg. Afhængigt af beholderens størrelse og geometri samt det kemiske reaktionssystem kan en eller flere sonotroder integreres i batchreaktoren. Sonikering anvendes også ofte til at forbedre kontinuerligt omrørte reaktorer (CSTR).

Ultralydsbaserede semibatchreaktorer: Sonikering kan naturligvis også integreres i semibatchreaktorer. I semibatchsystemer fyldes en kemisk reaktant i reaktoren, mens et andet kemikalie tilsættes med en kontinuerlig volumenstrøm (for eksempel ved langsom tilførsel for at forhindre sidereaktioner), så de kombineres i ultralydens hot spot. Alternativt fjernes et produkt af en kemisk reaktion, der opstår ved reaktionen i reaktoren, kontinuerligt, f.eks. syntetiserede bundfald eller krystaller eller et mellemprodukt i dannelsen af slutproduktet, som kan fjernes ved faseseparation.

Kemisk gennemstrømningsreaktor omrørt med ultralyd

I en gennemstrømningsreaktor, også kendt som en flowcelle eller inlinereaktor, tilføres reaktanterne gennem en eller flere tilførselsporte til reaktionskammeret, hvor den kemiske reaktion finder sted. Efter en bestemt opholdstid, som er nødvendig for, at en specifik reaktion kan finde sted, udledes mediet kontinuerligt fra reaktoren. Ultralydsflowceller og inlinereaktorer muliggør uafbrudt fremstilling af produkt, som kun afhænger af den kontinuerlige tilførsel af reagenserne.

Billedet viser ultralydsapparatet UIP1000hdT med batchreaktor (til venstre) og med flowcellereaktor til inlinebehandling (til højre).

Højtydende kemiske sonoreaktorer

Hielscher Ultrasonics er din pålidelige producent af sonokemiske reaktorer og højtydende ultralydsudstyr, som pålideligt kan forbedre din kemiske reaktion. Hielscher Ultrasonics’ produktsortiment omfatter forskellige typer og klasser af sonoreaktorer til laboratorier og industriel storskaladrift i batch- og gennemstrømningstilstand. Med Hielschers højtydende sondebaserede sonikering opnås pålideligt flere forbedringer – såsom forbedret reaktionshastighed, mere fuldstændig omdannelse, højere udbytter, præcis reaktionsstyring og fremragende samlet effektivitet – i batch- og gennemstrømningsreaktorer. Hielschers ultralydsapparater og sonoreaktorer er konstrueret til høj ydeevne og robusthed og kan installeres til brug med aggressive kemikalier, i krævende miljøer og til krævende anvendelser.
Hielschers ultralydsreaktorer er konstrueret med fokus på ensartet ultralydsbestråling af mediet, så det akustiske trykfelt kan udbrede sig jævnt. Opfyldelse af dette krav forbedrer den sonokemiske reaktions samlede effektivitet, da ultralyden opnår den højeste procesintensivering.

Skematisk fremstilling af de fænomener, der finder sted i en sonokemisk reaktor.
Billede og undersøgelse: ©Dahlem et al., 1999.

Produktsortimentet omfatter kompakte ultralydsapparater til forskning og udvikling i laboratoriet, kraftige ultralydssystemer til laboratoriebord og pilotanlæg samt udstyr af fuld industriel kvalitet til produktion i store volumener. Dette muliggør risikofri afprøvning af gennemførligheden i lille skala og efterfølgende fuldstændig lineær opskalering til større volumener.

Præcis styring af sonikering

Det digitale farvedisplay og den intelligente software med fjernstyring via browser og automatisk datalogning på et integreret SD-kort muliggør avanceret indstilling og overvågning af ultralydsparametrene i den sonokemiske reaktor.
Fordelen ved sonokemisk drevne reaktioner er den effektivitet, som pålideligt kan opnås gennem procesoptimering. Den optimale ultralydsamplitude, tilførte ultralydseffekt, temperatur og tryk kan bestemmes for hver enkelt reaktion. Dette gør det muligt at finde de ideelle sonikeringsparametre, så optimale reaktionsresultater og optimal effektivitet opnås.

Temperaturstyring

Alle vores digitale ultralydsapparater er udstyret med en tilslutbar temperatursensor til kontinuerlig temperaturovervågning, som kan indsættes i væsken til konstant måling af bulktemperaturen. Avanceret software gør det muligt at indstille et temperaturområde. Når temperaturgrænsen overskrides, holder ultralydsapparatet automatisk pause, indtil temperaturen i væsken er faldet til en bestemt indstillet værdi, og begynder derefter automatisk at sonikere igen. Alle temperaturmålinger samt andre vigtige ultralydsprocesdata registreres automatisk på et indbygget SD-kort og kan nemt gennemgås som led i processtyringen.
Sonokemiske reaktorer fra Hielscher fås med kølekapper. Derudover kan varmevekslere og køleaggregater tilsluttes for at sikre den ønskede procestemperatur.

Let tilgængelige komponenter til at sammensætte den ideelle kemiske reaktor

Det store udvalg af let tilgængelige ultralydsapparater, sonder (sonotroder), boosterhorn, batchreaktorer og flowceller samt talrige andre tilbehørsdele gør det muligt at konfigurere den ideelle ultralydskemiske reaktor (sonoreaktor) til din specifikke proces.
Alt udstyr er allerede optimeret til ensartet fordeling af akustisk kavitation og stabile strømningsmønstre, som er de vigtigste konstruktionsaspekter for at opnå homogene, pålidelige resultater i en kemisk reaktor omrørt med ultralyd.
Uønsket oxidation kan undgås ved at gennemskylle reaktoren med en inert gas, f.eks. ved brug af et kvælstofdække.

Skræddersyede løsninger til din kemiske reaktor

Hielscher tilbyder forskellige batch- og inlinereaktorløsninger i forskellige størrelser og geometrier, fremstillet af rustfrit stål eller glas, og vi fremstiller også gerne din særlige kemiske reaktorbeholder under hensyntagen til analyse- og konstruktionsgrundlaget for dine specifikke proceskrav. Med et team af ingeniører og tekniske udviklere med mange års erfaring designer vi din kemiske reaktor, så den opfylder dine krav. For eksempel kan størrelse, materiale, geometri, tilførsels- og udløbsporte, antallet af ultralydssonder osv. tilpasses for at skabe den ideelle kemiske reaktor med ultralydsfremmede reaktioner til din kemiske proces.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: