Optimierte Effizienz chemischer Reaktoren mittels Hochleistungs-Ultraschall

Es ist bekannt, dass Ultraschall chemische Reaktionen intensivieren und/oder initiieren kann. Daher gilt die Integration von Hochleistungs-Ultraschall als zuverlässige Methode, um Reaktionsergebnisse in chemischen Reaktoren zu verbessern. Hielscher Ultrasonics bietet verschiedene Reaktorlösungen zur Optimierung Ihres chemischen chemischen Prozesses. Erfahren Sie, wie Ultraschall Ihren chemischen Reaktor verbessern kann!

Wie kann Leistungsultraschall chemische Reaktoren verbessern?

Die Integration von einer oder mehreren Ultraschallhörnern (Sonotroden / Stabschwingern) ermöglicht die Einkopplung von intensiven Ultraschallwellen in den chemischen Reaktor. Die intensive Beschallung von Flüssigkeiten und Slurries erzeugt nicht nur starke Turbulenzen durch akustische Schwingungen, sondern ist für eine Vielzahl von Effekten bekannt, welche unter dem Begriff "Sonochemie" zusammengefasst werden.

Was ist Sonochemie? Wie fördert sie Reaktionen?

Hochintensive Ultraschallwellen (Hochleistungsultraschall) wird in chemische Systeme eingetragen, um Reaktionen zu initiieren und/oder zu fördern, die Umwandlungsrate und die Ausbeute zu erhöhen oder um Reaktionswege umzuschalten. Das physikalische Phänomen, das für sonochemische Effekte verantwortlich ist, wird "akustische Kavitation" bezeichnet. Wenn hochintensive Ultraschallwellen in ein flüssiges Medium eingekoppelt werden, bewegen sich die Wellen durch die Flüssigkeit und erzeugen dabei abwechselnd niedrige Druck- (Rarefaktion) und hohe Druckzyklen (Kompression). Während des Unterdrucks bzw. der Rarefaktin entstehen in der Flüssigkeit winzige Vakuumblasen, welche über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen, bis die Vakuumblase einen Punkt erreicht, an dem sie keine weitere Energie mehr aufnehmen kann. Am Punkt des maximalen Blasenwachstums implodiert die Blase heftig während eines Hochdruckzyklus. Während des implosiven Blasekollapses tritt das Phänomen der Kavitation auf. Durch die Ultraschallkavitation entstehen so genannte "Hot Spots", die durch extreme Bedingungen wie Temperaturen von bis zu ∼5000 K mit sehr hohen Aufheiz-/Abkühlraten von bis zu 1000 K s^-1, Drücken von bis zu ∼1000 bar sowie entsprechende Temperatur- und Druckunterschiede gekennzeichnet sind. Zudem wird die Flüssigkeit bzw. Slurry durch Flüssigkeitsstrahlen und Scherkräfte in Bewegung gebracht.

Die chemischen Effekte (z. B. die Bildung verscheidener Radikalspezies, Veränderung von Molekülenstrukturen usw.) und die physikalisch-mechanischen Effekte der Sonochemie werden erfolgreich bei zahlreichen chemischen Reaktionen eingesetzt. Prominente Beispiele für ultraschall-gestützte chemische Reacktionen sind bspw. die organische Katalyse, organokatalytische Reaktionen, Phasentransfer-Reaktionen, Synthese von Nanopartikeln, Fällung/Kristallisation, Sol-Gel-Reaktionen, Suzuki-Kupplung, Diels-Alder-Reaktionen, Mannich-Reaktionen, Michael Addition, Wurtz-Kupplung sowie zahlreiche andere Reaktionsarten. Sonochemisch-gestützte Reaktionen weisen häufig eine deutlich höhere Umwandlungsrate, höhere Ausbeuten, eine beschleunigte Reaktion sowie eine vollständigere Reaktion auf, können mit milderen Lösungsmitteln unter Umgebungsbedingungen durchgeführt werden, erzeugen weniger unerwünschte Nebenprodukte und tragen aufgrund ihrer hohen Effizienz zur grünen Chemie bei.

Ultraschall-gestützte chemische Chargenreaktoren

Die Integration von Ultraschallgeräten in offene oder geschlossene Chargenreaktoren / Batchreaktoren gehört zu den häufig angewandten Aufbauten, um Reaktionen in Labors, Pilotanlagen und Produktionsstätten zu beschleunigen. Je nach Behältergröße, Geometrie und chemischem Reaktionssystem können eine oder mehrere Sonotroden in den Chargenreaktor integriert werden. Die Beschallung wird zudem häufig zur Optimierung von kontinuierlich gerührte Reaktoren (CSTR) genutzt.

Ultraschall-gestützte Semi-Batch-Reaktoren: Natürlich kann Ultraschall auch in Semi-Batch-Reaktoren integriert werden. Bei Semi-Batch-Systemen wird ein chemischer Reaktant in den Reaktor geladen, während ein zweiter chemischer Reaktant mit einer kontinuierlichen Durchflussrate (z.B. bei langsamer Zufuhr, um Nebenreaktionen zu vermeiden) zugegeben und im Ultraschallfeld effizient eingemischt wird. Zudem kann ein Produkt einer chemischen Reaktion, das aus der Reaktion im Reaktor resultiert - z.B. synthetisierte Fällungsprodukte oder Kristalle oder ein Zwischenprodukt des Endprodukts, das mittels Phasentrennung separiert werden kann - als kontinuierlicher Strom entfernt werden.

Ultraschall-angeregter chemischer Durchflussreaktor

In einem Durchflussreaktor (häufig auch als Durchflusszelle oder Inline-Reaktor bezeichnet) werden die Reaktanden durch eine oder mehrere Zuflussports in die Reaktionskammer geleitet, wo die chemische Reaktion stattfindet. Nach einer bestimmten Verweilzeit, die für den Ablauf einer bestimmten Reaktion erforderlich ist, wird das Medium kontinuierlich aus dem Reaktor abgelassen. Ultraschall-Durchflusszellen und Inline-Reaktoren ermöglichen eine ununterbrochene Produktion von Produkten, die nur von der kontinuierlichen Zufuhr der Reagenzien abhängig ist.

Das Bild zeigt das Ultraschallgerät UIP1000hdT mit Batch-Reaktor (links) und mit Durchflussreaktor für die Inline-Verarbeitung (rechts).

Hochleistungs-Sono-Reaktoren für chemische Prozesse

Hielscher Ultrasonics ist der Hersteller Ihres Vertrauens für sonochemische Reaktoren und Hochleistungs-Ultraschallgeräte, die Ihre chemische Reaktion zuverlässig verbessern. Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics umfasst verschiedene Typen und Klassen von Ultraschallreaktoren für den Batch- und Durchflussbetrieb im für Labor- und Industriemaßstab. Mit Hielscher Hochleistungs-Ultraschallsonotroden lassen sich zahlreiche positive Effekte – z.B. verbesserte Reaktionsgeschwindigkeit, vollständigerer Umwandlung, höhere Ausbeute, präzise Reaktionskontrolle und ausgezeichnete Gesamteffizienz – in Batch- und Durchflussreaktoren zuverlässig erzielt werden. Konzipiert für hohe Leistung und Robustheit, können Hielscher Ultraschallgeräte und Sono-Reaktoren für den Einsatz mit aggressiven Chemikalien, in anspruchsvollen Umgebungen und für Hochleistungsanwendungen installiert werden.
Hielscher Ultraschallreaktoren sind so konzipiert, dass eine gleichmäßige Beschallung des Mediums im Vordergrund steht, so dass sich das akustische Druckfeld gleichmäßig ausbreiten kann. Dadurch wird die Gesamteffizienz der sonochemischen Reaktion verbessert, da der Ultraschall optimale Prozessintensität entfalten kann.

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

Die Produktpalette umfasst kompakte Labor-Ultraschallgeräte für R&D, leistungsstarke Tisch- und Pilot-Ultraschallsysteme sowie vollindustrielle Anlagen für die hochvolumige Pproduktion. Dies ermöglicht risikofreie Machbarkeitstests in kleinem Maßstab und das anschließenden, völlig lineare Scale-up auf größere Volumina.

Präzise Steuerung der Beschallung

Das digitale Farbdisplay und die intelligente Software mit Browser-Fernsteuerung und automatischer Datenprotokollierung auf einer integrierten SD-Karte ermöglichen eine anspruchsvolle Einstellung und Überwachung der Ultraschallparameter im sonochemischen Reaktor.
Das besonderer Vorteil sonochemisch-gestützter Reaktionen ist die Effizienz, welche mittels Prozessoptimierung zuverlässig erreicht werden kann. Die optimale Ultraschallamplitude, Ultraschallleistung, Temperatur und Druck können für jede einzelne Reaktion bestimmt werden. So lassen sich die idealen Beschallungsparameter finden, um optimale Reaktionsergebnisse und Effizienz zu erzielen.

Temperaturkontrolle

Alle unsere digitalen Ultraschallgeräte sind mit einem steckbaren Temperatursensor zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung ausgestattet, der zur konstanten Messung der Temperatur in die Flüssigkeit eingeführt werden kann. Die Software ermöglicht die Einstellung eines Temperaturbereichs. Bei Überschreiten der Temperaturgrenze pausiert das Ultraschallgerät automatisch, bis die Temperatur in der Flüssigkeit auf einen bestimmten Sollwert gesunken ist, und beginnt dann wieder automatisch mit der Beschallung. Alle Temperaturmessungen sowie andere wichtige Ultraschall-Prozessdaten werden automatisch auf einer eingebauten SD-Karte aufgezeichnet und können für die Prozesssteuerung einfach aufgerufen und bearbeitet werden.
Sonochemische Reaktoren von Hielscher sind mit Kühlmänteln erhältlich. Zusätzlich können Wärmetauscher und Kältemaschinen angeschlossen werden, um die gewünschte Prozesstemperatur zu gewährleisten.

Komponenten für den Aufbau des idealen chemischen Reaktors

Die große Auswahl an sofort verfügbaren Ultraschallgeräten, Sonotroden, Boosterhörnern, Batch-Reaktoren und Durchflusszellen sowie zahlreiches weiteres Zubehör ermöglichen es, den idealen Ultraschall-Reaktor (Sono-Reaktor) für Ihren spezifischen chemischen Prozess zu konfigurieren.
Die gesamte Ausrüstung ist bereits für eine gleichmäßige Verteilung der akustischen Kavitation und stabile Strömungsmuster optimiert. Dies sind die wichtigsten Designaspekte, um homogene, zuverlässige Ergebnisse in einem ultraschall-gestützten chemischen Reaktor zu erzielen.
Unerwünschte Oxidation kann durch Spülen des Reaktors mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff, vermieden werden.

Maßgeschneiderte Lösungen für Ihren chemischen Reaktor

Neben den bereits erhältlichen Batch- und Inline-Reaktorlösungen fertigen wir gerne spezielle chemischen Reaktorbehälter, bei denen Analyse- und Designgrundlagen Ihrer spezifischen Prozessanforderungen berücksichtigt werden. Mit einem langjährig erfahrenen Team von Ingenieuren und technischen Entwicklern konstruieren wir Ihren chemischen Reaktor nach Ihren Anforderungen. So können z.B. Größe, Material, Geometrie, Zu- und Abfluss, Anzahl der Ultraschallsonotroden usw. so ausgelegt werden, dass der ideale ultraschall-gestützte Reaktor für Ihren chemischen Prozess entsteht.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: