Keemiareaktori optimeeritud efektiivsus suure võimsusega ultraheli töötlusega

Ultraheli töötluse kohta on hästi teada, et see intensiivistab ja/või käivitab keemilisi reaktsioone. Seetõttu peetakse suure jõudlusega ultraheli integreerimist usaldusväärseks vahendiks keemiliste reaktorite täiustamiseks, et saavutada paremaid reaktsioonitulemusi. Hielscher Ultrasonics pakub mitmesuguseid reaktorilahendusi teie keemilise protsessi häälestamiseks. Uurige, kuidas ultraheli saab teie keemilist reaktorit parandada!

Kuidas parandab võimsusultraheli keemilisi reaktoreid?

Ühe või mitme ultrahelisondi (sonotroodi) integreerimine võimaldab suunata võimsad ultraheli lained keemilisse reaktorisse. Vedelike ja suspensioonide intensiivne ultraheli töötlus ei tekita mitte ainult tugevaid turbulentse voolu efekte akustilise vibratsiooni tõttu, vaid on tuntud ka mitmete mõjude poolest, mida tähistatakse terminiga „sonokeemia“.

Mis on sonokeemia? Kuidas see reaktsioone edendab?

Suure intensiivsusega ultraheli ehk võimsusultraheli rakendatakse keemilistes süsteemides reaktsioonide käivitamiseks ja/või edendamiseks, konversioonimäära ja saagise parandamiseks või reaktsiooniteede muutmiseks. Sonokeemiliste mõjude eest vastutav füüsikaline nähtus on akustiline kavitatsioon. Kui suure intensiivsusega ultraheli lained suunatakse vedelasse keskkonda, liiguvad lained läbi vedeliku ning tekitavad vahelduvaid madalrõhu- (hõrenemis-) ja kõrgrõhu- (kokkusurumis-) tsükleid. Madalrõhu- ehk hõrenemisfaasis tekivad vedelikus pisikesed vaakumimullid, mis kasvavad mitme rõhutsükli jooksul, kuni vaakumimull jõuab punkti, kus see ei suuda enam energiat juurde neelata. Mulli maksimaalse kasvu hetkel variseb mull kõrgrõhutsükli ajal vägivaldselt kokku. Mulli implosiivse kokkuvarisemise ajal on täheldatav kavitatsiooni nähtus. Ultraheli kavitatsioon tekitab niinimetatud „kuumi punkte“, mida iseloomustavad äärmuslikud tingimused, nagu temperatuur kuni ∼5000 K väga kõrgete kuumenemis- ja jahtumiskiirustega > 1000 K s^-1, rõhk kuni ∼1000 bar ning vastavad temperatuuri- ja rõhuerinevused. Vedelikku või suspensiooni segavad intensiivselt vedelikujoad ja nihkejõud.

Sonokeemia keemilisi mõjusid (nt radikaalsete osakeste teke, molekulide painutamine jne) ning füüsikalisi ja füüsikalis-mehaanilisi mõjusid rakendatakse edukalt arvukate keemiliste reaktsioonide puhul, nagu orgaaniline katalüüs, organokatalüütilised reaktsioonid, faasidevahelise ülekande reaktsioonid, nanoosakeste süntees, sadestamine / kristallimine, sool-geel-reaktsioonid, Suzuki sidestamine, Diels-Alderi reaktsioonid, Mannichi reaktsioonid, Michaeli liitumisreaktsioon, Wurtzi-tüüpi sidestamine ja paljud teised. Sonokeemiliselt edendatud reaktsioonid näitavad sageli märkimisväärselt suuremat konversioonimäära, suuremat saagist, kiirenenud reaktsiooni ja täielikumat reaktsiooni, neid saab läbi viia leebemate lahustitega normaaltingimustes, need tekitavad vähem soovimatuid kõrvalsaadusi ning aitavad oma kõrge efektiivsuse tõttu kaasa rohelisele keemiale.

Ultraheliga käitatavad keemilised partiireaktorid

Ultraheli töötlejate (ultrahelisondide) integreerimine avatud või suletud perioodilistesse reaktoritesse on laialdaselt kasutatav tehnika reaktsioonide kiirendamiseks laborites, pilootjaamades ja tootmisrajatistes. Olenevalt anuma suurusest, geomeetriast ja keemilisest reaktsioonisüsteemist saab perioodilisse reaktorisse integreerida ühe või mitu sonotroodi. Ultraheli töötlust kasutatakse sageli ka selleks, et parandada pidevalt segatavaid reaktoreid (CSTR).

Ultraheli poolperioodilised reaktorid: Loomulikult saab sonikeerimist integreerida ka poolperioodilistesse reaktoritesse. Poolperioodilistes süsteemides laaditakse reaktorisse üks keemiline reagent, samal ajal kui teist kemikaali lisatakse pideva vooluhulgaga (näiteks aeglase etteandega kõrvalreaktsioonide vältimiseks), nii et need ühinevad ultraheli kuumpunktis. Teise võimalusena eemaldatakse pidevalt reaktoris toimuva keemilise reaktsiooni produkt, näiteks sünteesitud sadet või kristalle, või faaside lahutamise tõttu eemaldatav vaheprodukt lõpptoote tekkimisel.

Ultrahelil segatav keemiline läbivoolureaktor

Läbivoolureaktoris, mida tuntakse ka läbivoolukambri või inline-reaktorina, juhitakse reaktandid ühe või mitme etteandeava kaudu reaktsioonikambrisse, kus keemiline reaktsioon toimub. Pärast teatud viibeaega, mis on konkreetse reaktsiooni toimumiseks vajalik, juhitakse keskkond pidevalt reaktorist välja. Ultraheli läbivoolukambrid ja inline-reaktorid võimaldavad katkematut toodangu valmistamist, mis sõltub ainult reagentide pidevast juurdevoolust.

Pildil on ultraheli töötleja UIP1000hdT perioodilise reaktoriga (vasakul) ja inline-töötluseks mõeldud läbivoolukambriga reaktoriga (paremal).

Suure jõudlusega keemilised sonoreaktorid

Hielscher Ultrasonics on teie usaldusväärne tootja sonokeemiliste reaktorite ja suure jõudlusega ultraheliseadmete jaoks, mis suudavad usaldusväärselt parandada teie keemilist reaktsiooni. Hielscher Ultrasonicsi tootevalik hõlmab erinevaid tüüpe ja klasse laboratoorseid ja tööstuslikke suuremahulisi sonoreaktoreid perioodilise ja läbivoolurežiimi jaoks. Hielscheri suure jõudlusega sondtüüpi ultraheli töötluse abil saavutatakse perioodilistes ja läbivoolureaktorites usaldusväärselt mitmeid eeliseid – näiteks kiirem reaktsioonikiirus, täielikum konversioon, suuremad saagised, täpne reaktsiooni juhtimine ja suurepärane üldine efektiivsus. Suure jõudluse ja töökindluse jaoks kavandatud Hielscheri ultraheli töötlejaid ja sonoreaktoreid saab paigaldada kasutamiseks agressiivsete kemikaalidega, nõudlikes keskkondades ja suure koormusega rakendustes.
Hielscheri ultraheli reaktorid on kavandatud nii, et keskkonda kiiritataks ühtlaselt ultrahelega ning akustilise rõhu väli saaks laieneda ühtlaselt. Selle nõude täitmine parandab sonokeemilise reaktsiooni üldist efektiivsust, kuna ultraheli saavutab kõrgeima protsessi intensiivistamise.

Sonokeemilises reaktoris toimuvate nähtuste skemaatiline vaade.
Pilt ja uuring: ©Dahlem et al., 1999.

Tootevalik hõlmab kompaktseid laboratoorseid ultraheli töötlejaid teadus- ja arendustööks, võimsaid laua- ja pilootmõõtmes ultraheli süsteeme ning täielikult tööstusliku klassi seadmeid suuremahuliseks tootmiseks. See võimaldab riskivaba teostatavuse testimist väikeses mahus ning sellele järgnevat täiesti lineaarset skaleerimist suurematele mahtudele.

Täpne sonikeerimise juhtimine

Digitaalne värviekraan ja nutikas tarkvara koos veebibrauseri kaudu toimiva kaugjuhtimise ning integreeritud SD-kaardile toimuva automaatse andmete salvestamisega võimaldavad ultraheli parameetreid sonokeemilises reaktoris keerukalt seadistada ja jälgida.
Sonokeemiliselt juhitud reaktsioonide eelis on efektiivsus, mida on protsessi optimeerimisega võimalik usaldusväärselt saavutada. Optimaalse ultraheli amplituudi, ultraheli võimsussisendi, temperatuuri ja rõhu saab määrata iga konkreetse reaktsiooni jaoks. See võimaldab leida ideaalsed sonikeerimise parameetrid, et saavutada optimaalsed reaktsioonitulemused ja efektiivsus.

Temperatuuri juhtimine

Kõik meie digitaalsed ultraheli seadmed on varustatud ühendatava temperatuurianduriga pideva temperatuurijälgimise jaoks; andurit saab asetada vedelikku, et pidevalt mõõta vedeliku põhimassi temperatuuri. Põhjalik tarkvara võimaldab seadistada temperatuurivahemiku. Kui temperatuuripiir ületatakse, teeb ultraheli seade automaatselt pausi, kuni vedeliku temperatuur on langenud kindla seatud väärtuseni, ning alustab seejärel automaatselt uuesti ultraheli töötlust. Kõik temperatuurimõõtmised ning muud olulised ultraheli protsessiandmed salvestatakse automaatselt sisseehitatud SD-kaardile ja neid saab protsessi kontrolliks hõlpsasti üle vaadata.
Hielscheri sonokeemilised reaktorid on saadaval jahutuspintsliga (jahutusmantliga). Lisaks saab soovitud protsessitemperatuuri tagamiseks ühendada soojusvahetid ja jahutusseadmed.

Kohe saadaolevad komponendid ideaalse keemilise reaktori kokkupanekuks

Lai valik kohe saadaolevaid ultraheli seadmeid, sonde (sonotroode), booster-sonotroode, partiireaktoreid ja läbivoolukambreid ning arvukaid lisatarvikuid võimaldab konfigureerida just teie protsessile sobiva ultraheli-keemilise reaktori (sonoreaktori).
Kogu seadmestik on juba optimeeritud akustilise kavitatsiooni ühtlaseks jaotumiseks ja stabiilseteks vooluskeemideks, mis on kõige olulisemad konstruktsiooniaspektid, et saada ultraheli abil segatavas keemilises reaktoris homogeenseid ja usaldusväärseid tulemusi.
Soovimatut oksüdeerumist saab vältida reaktori läbipuhumisega inertgaasiga, nt lämmastikkattega.

Kohandatud lahendused teie keemilisele reaktorile

Kuigi Hielscher pakub erinevaid partii- ja inline-reaktorilahendusi eri suuruste ja geomeetriatega, valmistatud roostevabast terasest või klaasist, valmistame heameelega teie spetsiaalse keemilise reaktorianuma, võttes arvesse teie konkreetsete protsessinõuete analüüsi ja projekteerimise põhialuseid. Pikaajalise kogemusega inseneride ja tehniliste arendajate meeskonnaga projekteerime teie keemilise reaktori vastavalt teie vajadustele. Näiteks saab kavandada suuruse, materjali, geomeetria, sisend- ja väljundpordid, ultraheli sondide arvu jms, et luua teie keemilise protsessi jaoks ideaalne ultraheliga soodustatud keemiline reaktor.

Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest: