Optimierte Effizienz chemischer Reaktoren durch Hochleistungsultraschall

Ultraschallbehandlung ist dafür bekannt, chemische Reaktionen zu intensivieren und/oder auszulösen. Die Integration von Hochleistungsultraschall gilt daher als zuverlässiges Mittel, um chemische Reaktoren zu optimieren und bessere Reaktionsergebnisse zu erzielen. Hielscher Ultrasonics bietet verschiedene Reaktorlösungen zur Optimierung Ihres chemischen Prozesses. Erfahren Sie, wie Ultraschall Ihren chemischen Reaktor verbessern kann!

Wie verbessert Leistungsultraschall chemische Reaktoren?

Die Integration einer oder mehrerer Sonotroden ermöglicht es, leistungsstarke Ultraschallwellen in den chemischen Reaktor einzukoppeln. Die intensive Beschallung von Flüssigkeiten und Suspensionen erzeugt durch akustische Schwingungen nicht nur starke Turbulenzen, sondern ist auch für zahlreiche weitere Effekte bekannt, die unter dem Begriff „Sonochemie“ zusammengefasst werden.

Was ist Sonochemie? Wie fördert sie Reaktionen?

Hochintensiver Ultraschall / Hochleistungsultraschall wird in chemischen Systemen eingesetzt, um Reaktionen auszulösen und/oder zu fördern, Umsatz und Ausbeuten zu verbessern oder Reaktionswege zu verändern. Das physikalische Phänomen, das für sonochemische Effekte verantwortlich ist, ist die akustische Kavitation. Werden hochintensive Ultraschallwellen in ein flüssiges Medium eingekoppelt, breiten sich die Wellen in der Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnd Niederdruckphasen (Verdünnung) und Hochdruckphasen (Kompression). Während der Niederdruckphase / Verdünnung entstehen in der Flüssigkeit winzige Vakuumblasen, die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen, bis sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. Bei maximaler Größe implodiert die Blase während einer Hochdruckphase heftig. Bei diesem implosiven Blasenkollaps lässt sich das Phänomen der Kavitation beobachten. Ultraschallkavitation erzeugt sogenannte „Hotspots“, die durch extreme Bedingungen gekennzeichnet sind, etwa Temperaturen von bis zu ∼5000 K bei sehr hohen Aufheiz-/Abkühlraten von mehr als 1000 K s^-1, Drücke von bis zu ∼1000 bar sowie entsprechende Temperatur- und Druckdifferenzen. Flüssigkeitsstrahlen und Scherkräfte versetzen die Flüssigkeit oder Suspension in heftige Bewegung.

Die chemischen Effekte (z. B. die Bildung radikalischer Spezies, die Verformung von Molekülen usw.) und die physikalischen / physikalisch-mechanischen Effekte der Sonochemie werden erfolgreich bei zahlreichen chemischen Reaktionen eingesetzt, darunter organische Katalyse, organokatalytische Reaktionen, Phasentransferreaktionen, Nanopartikelsynthese, Fällung / Kristallisation, Sol-Gel-Reaktionen, Suzuki-Kupplung, Diels-Alder-Reaktionen, Mannich-Reaktionen, Michael-Addition, Kupplungen vom Wurtz-Typ und viele weitere. Sonochemisch unterstützte Reaktionen weisen häufig einen deutlich erhöhten Umsatz, höhere Ausbeuten sowie einen beschleunigten und vollständigeren Reaktionsverlauf auf. Sie lassen sich mit milderen Lösungsmitteln unter Umgebungsbedingungen durchführen, erzeugen weniger unerwünschte Nebenprodukte und tragen aufgrund ihrer hohen Effizienz zur grünen Chemie bei.

Ultraschallunterstützte chemische Batchreaktoren

Die Integration von Ultraschallgeräten in offene oder geschlossene Batchreaktoren ist eine häufig eingesetzte Technik zur Beschleunigung von Reaktionen in Laboren, Pilotanlagen und Produktionsstätten. Je nach Behältergröße, Geometrie und chemischem Reaktionssystem können eine oder mehrere Sonotroden in den Batchreaktor integriert werden. Ultraschallbehandlung wird außerdem häufig eingesetzt, um die Leistung von kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktoren (CSTR) zu verbessern.

Ultraschall-Semibatchreaktoren: Selbstverständlich lässt sich die Beschallung auch in Semibatchreaktoren integrieren. Bei Semibatchsystemen wird ein chemischer Reaktant im Reaktor vorgelegt, während eine zweite Chemikalie mit einem kontinuierlichen Volumenstrom zugeführt wird (beispielsweise langsam, um Nebenreaktionen zu verhindern). Beide werden im Ultraschall-Hotspot zusammengeführt. Alternativ wird ein im Reaktor entstehendes chemisches Reaktionsprodukt kontinuierlich entfernt, beispielsweise synthetisierte Fällungsprodukte oder Kristalle oder ein Zwischenprodukt bei der Bildung des Endprodukts, das sich durch Phasentrennung entfernen lässt.

Durch Ultraschall durchmischter chemischer Durchflussreaktor

In einem Durchflussreaktor, auch als Durchflusszelle oder Inline-Reaktor bezeichnet, werden die Reaktanten durch einen oder mehrere Zuläufe in die Reaktionskammer geleitet, in der die chemische Reaktion stattfindet. Nach einer bestimmten Verweilzeit, die für den Ablauf der jeweiligen Reaktion erforderlich ist, wird das Medium kontinuierlich aus dem Reaktor ausgetragen. Ultraschall-Durchflusszellen und Inline-Reaktoren ermöglichen eine ununterbrochene Produktherstellung, die lediglich von der kontinuierlichen Zufuhr der Reagenzien abhängt.

Das Bild zeigt das Ultraschallgerät UIP1000hdT mit Batchreaktor (links) und mit Durchflusszellenreaktor für die Inline-Verarbeitung (rechts).

Hochleistungs-Sonoreaktoren für chemische Prozesse

Hielscher Ultrasonics ist der Hersteller Ihres Vertrauens für sonochemische Reaktoren und leistungsstarke Ultraschallgeräte, die Ihre chemische Reaktion zuverlässig verbessern können. Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics umfasst verschiedene Typen und Leistungsklassen von Sonoreaktoren für den Labor- und industriellen Großmaßstab im Batch- und Durchflussbetrieb. Mit der leistungsstarken Beschallung durch Sonotroden von Hielscher lassen sich in Batch- und Durchflussreaktoren zuverlässig zahlreiche Verbesserungen erzielen – etwa eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit, ein vollständigerer Umsatz, höhere Ausbeuten, eine präzise Reaktionssteuerung und eine hervorragende Gesamteffizienz. Die auf hohe Leistung und Robustheit ausgelegten Ultraschallgeräte und Sonoreaktoren von Hielscher können für den Einsatz mit aggressiven Chemikalien, in anspruchsvollen Umgebungen und für Anwendungen unter hoher Belastung installiert werden.
Die Ultraschallreaktoren von Hielscher sind auf eine gleichmäßige Beschallung des Mediums ausgelegt, sodass sich das akustische Druckfeld gleichmäßig ausbreiten kann. Die Erfüllung dieser Anforderung verbessert die Gesamteffizienz der sonochemischen Reaktion, da der Ultraschall eine maximale Prozessintensivierung erzielt.

Schematische Darstellung der Phänomene in einem sonochemischen Reaktor.
Abbildung und Studie: ©Dahlem et al., 1999.

Das Produktsortiment umfasst kompakte Labor-Ultraschallgeräte für Forschung und Entwicklung, leistungsstarke Ultraschall-Tischgeräte und Pilotanlagen sowie vollständig industrietaugliche Anlagen für die Produktion großer Volumina. Dies ermöglicht risikofreie Machbarkeitsversuche im kleinen Maßstab und eine anschließende vollständig lineare Maßstabsvergrößerung auf größere Volumina.

Präzise Steuerung der Beschallung

Das digitale Farbdisplay und die intelligente Software mit Fernsteuerung über den Browser und automatischer Datenprotokollierung auf einer integrierten SD-Karte ermöglichen eine differenzierte Einstellung und Überwachung der Ultraschallparameter im sonochemischen Reaktor.
Der besondere Vorteil sonochemisch unterstützter Reaktionen liegt in der Effizienz, die durch Prozessoptimierung zuverlässig erreicht werden kann. Für jede einzelne Reaktion lassen sich die optimale Ultraschallamplitude, der optimale Ultraschallleistungseintrag sowie die optimale Temperatur und der optimale Druck bestimmen. So lassen sich die idealen Beschallungsparameter ermitteln, um optimale Reaktionsergebnisse und eine optimale Effizienz zu erzielen.

Temperaturregelung

Alle unsere digitalen Ultraschallgeräte sind mit einem steckbaren Temperatursensor zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung ausgestattet. Dieser kann in die Flüssigkeit eingetaucht werden, um die Temperatur im Flüssigkeitsvolumen fortlaufend zu messen. Eine ausgereifte Software ermöglicht die Einstellung eines Temperaturbereichs. Bei Überschreiten des Temperaturgrenzwerts pausiert das Ultraschallgerät automatisch, bis die Flüssigkeit auf einen bestimmten Sollwert abgekühlt ist, und setzt die Beschallung anschließend automatisch fort. Sämtliche Temperaturmesswerte sowie weitere wichtige Ultraschallprozessdaten werden automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet und lassen sich zur Prozesskontrolle einfach überprüfen.
Sonochemische Reaktoren von Hielscher sind mit Kühlmänteln erhältlich. Zusätzlich können Wärmetauscher und Kühlaggregate angeschlossen werden, um die gewünschte Prozesstemperatur sicherzustellen.

Direkt verfügbare Komponenten für den Aufbau des idealen chemischen Reaktors

Das umfangreiche Sortiment direkt verfügbarer Ultraschallgeräte, Sonotroden, Boosterhörner, Batchreaktoren und Durchflusszellen sowie zahlreicher weiterer Zubehörteile ermöglicht die Konfiguration des idealen sonochemischen Reaktors (Sonoreaktors) für Ihren spezifischen Prozess.
Alle Komponenten sind bereits auf eine gleichmäßige Verteilung der akustischen Kavitation und stabile Strömungsmuster optimiert. Dies sind die wichtigsten konstruktiven Aspekte, um in einem durch Ultraschall durchmischten chemischen Reaktor homogene, zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.
Unerwünschte Oxidation lässt sich durch Spülen des Reaktors mit einem Inertgas vermeiden, beispielsweise durch eine Stickstoffüberlagerung.

Maßgeschneiderte Lösungen für Ihren chemischen Reaktor

Neben verschiedenen Batch- und Inline-Reaktorlösungen in unterschiedlichen Größen und Geometrien aus Edelstahl oder Glas fertigt Hielscher gerne auch Ihren speziellen chemischen Reaktorbehälter. Dabei berücksichtigen wir die Analyse- und Auslegungsgrundlagen Ihrer spezifischen Prozessanforderungen. Mit einem langjährig erfahrenen Team aus Ingenieuren und technischen Entwicklern konstruieren wir Ihren chemischen Reaktor entsprechend Ihren Anforderungen. Beispielsweise können Größe, Material, Geometrie, Zu- und Abläufe, Anzahl der Sonotroden usw. so ausgelegt werden, dass der ideale ultraschallunterstützte chemische Reaktor für Ihren chemischen Prozess entsteht.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: