Optimización de la eficiencia de los reactores químicos mediante ultrasonicación de alta potencia

La ultrasonicación es una técnica bien conocida para intensificar y/o iniciar reacciones químicas. Por ello, la integración de ultrasonidos de alto rendimiento se considera una herramienta fiable para mejorar el funcionamiento de los reactores químicos y los resultados de las reacciones. Hielscher Ultrasonics ofrece diversas soluciones de reactores para ajustar su proceso químico. ¡Descubra cómo los ultrasonidos pueden mejorar su reactor químico!

¿Cómo mejoran los ultrasonidos de potencia los reactores químicos?

La integración de una o varias sondas ultrasónicas (sonotrodos) permite acoplar ondas ultrasónicas de gran potencia al reactor químico. La ultrasonicación intensa de líquidos y suspensiones no solo genera fuertes turbulencias debido a la vibración acústica, sino que también produce múltiples efectos que se engloban bajo el término «sonoquímica».

¿Qué es la sonoquímica? ¿Cómo favorece las reacciones?

Los ultrasonidos de alta intensidad / alta potencia se aplican a sistemas químicos para iniciar y/o favorecer reacciones, mejorar la tasa de conversión y los rendimientos o modificar las vías de reacción. El fenómeno físico responsable de los efectos sonoquímicos es la cavitación acústica. Cuando se acoplan ondas ultrasónicas de alta intensidad a un medio líquido, las ondas se propagan por el líquido y generan ciclos alternos de baja presión (rarefacción) y alta presión (compresión). Durante la fase de baja presión / rarefacción, se forman diminutas burbujas de vacío en el líquido, que crecen a lo largo de varios ciclos de presión hasta alcanzar un punto en el que ya no pueden absorber más energía. Cuando la burbuja alcanza su tamaño máximo, implosiona violentamente durante un ciclo de alta presión. Durante este colapso implosivo de la burbuja, se puede observar el fenómeno de cavitación. La cavitación ultrasónica crea los llamados «puntos calientes», caracterizados por condiciones extremas, como temperaturas de hasta ∼5000 K, con velocidades de calentamiento/enfriamiento muy elevadas de > 1000 K s^-1, presiones de hasta ∼1000 bar y los correspondientes diferenciales de temperatura y presión. Los chorros de líquido y las fuerzas de cizallamiento agitan intensamente el líquido o la suspensión.

Los efectos químicos (p. ej., la formación de especies radicalarias, la flexión de moléculas, etc.) y los efectos físicos / fisicomecánicos de la sonoquímica se aplican con éxito a numerosas reacciones químicas, como la catálisis orgánica, reacciones organocatalíticas, reacciones de transferencia de fase, síntesis de nanopartículas, precipitación / cristalización, reacciones sol-gel, acoplamiento de Suzuki, reacciones de Diels-Alder, reacciones de Mannich, adición de Michael, acoplamiento de tipo Wurtz y muchas otras. Las reacciones favorecidas por la sonoquímica suelen presentar una tasa de conversión significativamente mayor, rendimientos más altos y una reacción más rápida y completa; pueden llevarse a cabo con disolventes menos agresivos en condiciones ambientales, generan menos subproductos no deseados y, gracias a su elevada eficiencia, contribuyen a la química verde.

Reactores químicos por lotes asistidos por ultrasonidos

La integración de ultrasonicadores en reactores por lotes abiertos o cerrados es una técnica de uso habitual para acelerar las reacciones en laboratorios, plantas piloto e instalaciones de producción. Según el tamaño del recipiente, su geometría y el sistema de reacción química, se pueden integrar uno o varios sonotrodos en el reactor por lotes. La ultrasonicación también se utiliza a menudo para mejorar los reactores de agitación continua (CSTR).

Reactores ultrasónicos semicontinuos: Por supuesto, la sonicación también puede integrarse en reactores semicontinuos. En los sistemas semicontinuos, se carga un reactivo químico en el reactor y se añade una segunda sustancia química con un caudal continuo (por ejemplo, mediante una alimentación lenta para evitar reacciones secundarias), de modo que ambos se combinan en el punto caliente ultrasónico. Como alternativa, se extrae continuamente un producto de la reacción química que tiene lugar en el reactor, por ejemplo, precipitados o cristales sintetizados, o un intermedio del producto final que pueda extraerse mediante separación de fases.

Reactor químico de flujo continuo agitado por ultrasonidos

En un reactor de flujo continuo, también conocido como celda de flujo o reactor en línea, los reactivos se introducen a través de uno o varios puertos de alimentación en la cámara de reacción, donde tiene lugar la reacción química. Una vez transcurrido el tiempo de residencia necesario para que se produzca una reacción específica, el medio se descarga continuamente del reactor. Las celdas de flujo ultrasónicas y los reactores en línea permiten una producción ininterrumpida de producto que depende únicamente del suministro continuo de reactivos.

La imagen muestra el ultrasonicador UIP1000hdT con un reactor por lotes (izquierda) y con un reactor de celda de flujo para el procesamiento en línea (derecha).

Sonorreactores químicos de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics es su fabricante de confianza de reactores sonoquímicos y equipos ultrasónicos de alto rendimiento capaces de mejorar su reacción química de forma fiable. La gama de productos de Hielscher Ultrasonics incluye diversos tipos y categorías de sonorreactores de laboratorio e industriales a gran escala para funcionamiento por lotes y en flujo continuo. La ultrasonicación de alto rendimiento mediante sondas de Hielscher permite lograr de forma fiable múltiples mejoras –como una mayor velocidad de reacción, una conversión más completa, rendimientos más altos, un control preciso de la reacción y una excelente eficiencia global– en reactores por lotes y de flujo continuo. Diseñados para ofrecer un alto rendimiento y robustez, los ultrasonicadores y sonorreactores de Hielscher pueden instalarse para trabajar con sustancias químicas agresivas, en entornos exigentes y en aplicaciones de servicio intensivo.
Los reactores ultrasónicos de Hielscher están diseñados para proporcionar una irradiación ultrasónica uniforme del medio, de modo que el campo de presión acústica pueda expandirse de manera homogénea. Cumplir este requisito mejora la eficiencia global de la reacción sonoquímica, ya que los ultrasonidos logran la máxima intensificación del proceso.

Representación esquemática de los fenómenos que tienen lugar en un reactor sonoquímico.
Imagen y estudio: ©Dahlem et al., 1999.

La gama de productos abarca ultrasonicadores compactos de laboratorio para I+D, potentes sistemas ultrasónicos de sobremesa y para plantas piloto, así como equipos plenamente industriales para la producción de grandes volúmenes. Esto permite realizar pruebas de viabilidad sin riesgo a pequeña escala y, posteriormente, un escalado completamente lineal a volúmenes mayores.

Control preciso de la sonicación

La pantalla digital en color y el software inteligente con control remoto mediante navegador y registro automático de datos en una tarjeta SD integrada permiten configurar y supervisar de forma avanzada los parámetros ultrasónicos en el reactor sonoquímico.
El atractivo de las reacciones impulsadas por la sonoquímica reside en la eficiencia que puede alcanzarse de forma fiable mediante la optimización del proceso. Para cada reacción específica se pueden determinar la amplitud ultrasónica óptima, la potencia ultrasónica aportada, la temperatura y la presión. Esto permite encontrar los parámetros de sonicación ideales para lograr resultados de reacción y una eficiencia óptimos.

Control de temperatura

Todos nuestros ultrasonicadores digitales están equipados con un sensor de temperatura conectable para la supervisión continua de la temperatura, que puede introducirse en el líquido para medir constantemente la temperatura del conjunto del líquido. Un software avanzado permite establecer un intervalo de temperatura. Cuando se supera el límite de temperatura, el ultrasonicador se detiene automáticamente hasta que la temperatura del líquido desciende a un valor establecido y, a continuación, reanuda automáticamente la sonicación. Todas las mediciones de temperatura, así como otros datos importantes del proceso ultrasónico, se registran automáticamente en una tarjeta SD integrada y pueden revisarse fácilmente para el control del proceso.
Los reactores sonoquímicos de Hielscher están disponibles con camisas de refrigeración. Además, pueden conectarse intercambiadores de calor y unidades de refrigeración para garantizar la temperatura de proceso deseada.

Componentes de disponibilidad inmediata para montar el reactor químico ideal

La amplia gama de dispositivos ultrasónicos, sondas (sonotrodos), amplificadores de amplitud, reactores por lotes y celdas de flujo de disponibilidad inmediata, junto con numerosos accesorios adicionales, permite configurar el reactor químico ultrasónico (sonorreactor) ideal para su proceso específico.
Todos los equipos ya están optimizados para proporcionar una distribución uniforme de la cavitación acústica y patrones de flujo estables, que son los aspectos de diseño más importantes para obtener resultados homogéneos y fiables en un reactor químico agitado por ultrasonidos.
La oxidación no deseada puede evitarse purgando el reactor con un gas inerte, por ejemplo, mediante una atmósfera protectora de nitrógeno.

Soluciones personalizadas para su reactor químico

Hielscher ofrece diversas soluciones de reactores por lotes y en línea, de distintos tamaños y geometrías, fabricados en acero inoxidable o vidrio. También estaremos encantados de fabricar el recipiente de su reactor químico especial, teniendo en cuenta los fundamentos de análisis y diseño correspondientes a los requisitos específicos de su proceso. Nuestro equipo de ingenieros y desarrolladores técnicos con amplia experiencia diseña su reactor químico para satisfacer sus necesidades. Por ejemplo, el tamaño, el material, la geometría, los puertos de alimentación y descarga, el número de sondas ultrasónicas, etc., pueden diseñarse para obtener el reactor químico asistido por ultrasonidos ideal para su proceso químico.

La tabla siguiente ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores: