Optimisation de l'efficacité des réacteurs chimiques par ultrasons de forte puissance

Les ultrasons sont bien connus pour intensifier et/ou initier les réactions chimiques. Par conséquent, l'intégration d'ultrasons de haute performance est considérée comme un outil fiable pour promouvoir les réacteurs chimiques afin d'améliorer les résultats des réactions. Hielscher Ultrasonics propose diverses solutions pour réacteurs afin d'améliorer votre processus chimique. Découvrez comment les ultrasons peuvent améliorer votre réacteur chimique !

Comment les ultrasons de puissance améliorent-ils les réacteurs chimiques ?

L'intégration d'une ou plusieurs sondes ultrasoniques (sonotrodes) permet de coupler de puissantes ondes ultrasoniques dans le réacteur chimique. L'ultrasonisation intense des liquides et des boues ne crée pas seulement de fortes turbulences dues aux vibrations acoustiques, mais est connue pour ses effets multiples, qui sont définis sous le terme de "sonochimie".

Qu'est-ce que la sonochimie ? Comment favorise-t-elle les réactions ?

High-intensity ultrasound / high-power ultrasound is applied to chemical systems in order to initiate and/or promote reactions, improve conversion rate and yields or to switch reaction pathways. The physical phenomenon responsible for sonochemical effects is acoustic cavitation. When high-intensity ultrasound waves are coupled into a liquid medium, the waves travel through the liquid creating alternating low pressure (rarefaction) and high pressure (compression) cycles. During the low pressure / rarefaction, minute vacuum bubbles arise in the liquid, which grow over several pressure cycles until the vacuum bubble reaches a point where it cannot absorb any further energy. At the point of maximum bubble growth, the bubble implodes violently during a high pressure cycle. During the implosive bubble collapse, the phenomenon of cavitation can be observed. Ultrasonic cavitation creates so called “hot spots,” which are characterized by extreme conditions such as temperature of up to ∼5000 K with very high heating/cooling rates of > 1000 K s^-1Le liquide ou la boue est fortement agité par des jets de liquide et des forces de cisaillement. Le liquide ou la boue est fortement agité par des jets de liquide et des forces de cisaillement.

Les effets chimiques (par exemple, la formation d'espèces radicales, la flexion des molécules, etc.) et les effets physiques / physico-mécaniques de la sonochimie sont appliqués avec succès à de nombreuses réactions chimiques telles que la catalyse organique, réactions organocatalytiques, Réactions de transfert de phase, synthèse de nanoparticules, Précipitation / Cristallisation, réactions sol-gel, Accouplement Suzuki, Réactions de Diels-Alder, Réactions de Mannich, Michael AdditionLes réactions favorisées par la sonochimie présentent souvent un taux de conversion nettement plus élevé, des rendements plus élevés, une réaction accélérée, une réaction plus complète. Les réactions favorisées par la sonochimie présentent souvent un taux de conversion significativement accru, des rendements plus élevés, une réaction accélérée, une réaction plus complète, peuvent être utilisées avec des solvants plus doux dans des conditions ambiantes, créent moins de sous-produits indésirables et contribuent, grâce à leur grande efficacité, à la chimie verte.

Réacteurs chimiques discontinus à ultrasons

L'intégration d'ultrasons dans des réacteurs discontinus ouverts ou fermés est une technique couramment utilisée pour accélérer les réactions dans les laboratoires, les usines pilotes et les installations de production. En fonction de la taille et de la géométrie de la cuve et du système de réaction chimique, une ou plusieurs sonotrodes peuvent être intégrées dans le réacteur discontinu. Les ultrasons sont également souvent utilisés pour améliorer la qualité de l'air. réacteurs à agitation continue (CSTR).

Réacteurs semi-batch à ultrasons : Bien entendu, la sonication peut également être intégrée dans les réacteurs semi-batch. Pour les systèmes semi-batch, un réactif chimique est chargé dans le réacteur, tandis qu'un second produit chimique est ajouté à un débit continu (par exemple, à une vitesse d'alimentation lente pour éviter les réactions secondaires) et combiné dans le point chaud ultrasonique. Il est également possible d'éliminer en continu un produit d'une réaction chimique qui résulte de la réaction dans le réacteur, par exemple des précipités ou des cristaux synthétisés, ou un produit intermédiaire ou final qui peut être éliminé en raison de la séparation des phases.

Réacteur à circulation chimique agité par ultrasons

Dans un réacteur à flux continu, également connu sous le nom de cellule à flux continu ou de réacteur en ligne, les réactifs sont introduits par un ou plusieurs ports d'alimentation dans la chambre de réaction, où se produit la réaction chimique. Après un certain temps de rétention nécessaire pour qu'une réaction spécifique se produise, le milieu est continuellement déchargé du réacteur. Les cellules d'écoulement à ultrasons et les réacteurs en ligne permettent une production ininterrompue de produits, qui ne dépend que de l'approvisionnement continu en réactifs.

L'image montre le Ultrasonateur UIP1000hdT avec réacteur discontinu (à gauche) et avec réacteur à cellule d'écoulement pour le traitement en ligne (à droite).

Sonoréacteurs chimiques à haute performance

Hielscher Ultrasonics est votre fabricant de confiance pour les réacteurs sono-chimiques et les équipements ultrasoniques de haute performance qui peuvent améliorer de manière fiable votre réaction chimique. La gamme de produits Hielscher Ultrasonics comprend divers types et classes de réacteurs sonores de laboratoire et industriels à grande échelle pour les modes batch et flow-through. Avec les ultrasons de type sonde haute performance de Hielscher, de multiples progrès ont été réalisés dans le domaine de la chimie. – tels que l'amélioration de la vitesse de réaction, une conversion plus complète, des rendements plus élevés, un contrôle précis de la réaction et une excellente efficacité globale – sont obtenus de manière fiable dans les réacteurs discontinus et les réacteurs à écoulement continu. Conçus pour être très performants et robustes, les ultrasons et les réacteurs soniques Hielscher peuvent être utilisés avec des produits chimiques agressifs, dans des environnements exigeants et des applications lourdes.
Les réacteurs à ultrasons Hielscher sont conçus pour assurer une irradiation ultrasonique uniforme du milieu, de sorte que le champ de pression acoustique puisse s'étendre uniformément. Le respect de cette exigence améliore l'efficacité globale de la réaction sonochimique puisque les ultrasons permettent une intensification maximale du processus.

Vue schématique des phénomènes se déroulant dans un réacteur sonochimique.
Photo et étude : ©Dahlem et al. 1999.

La gamme de produits comprend des ultrasons de laboratoire compacts pour R&D, de puissants systèmes ultrasoniques de table et pilotes, ainsi que des équipements de qualité industrielle pour la production en grandes quantités. Cela permet de réaliser des essais de faisabilité sans risque à petite échelle et de passer ensuite à des volumes plus importants de manière totalement linéaire.

Contrôle précis de la sonication

L'écran couleur numérique et le logiciel intelligent avec commande à distance par navigateur et enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée permettent un réglage et une surveillance sophistiqués des paramètres ultrasoniques dans le réacteur sonochimique.
La beauté des réactions sonochimiques réside dans l'efficacité qui peut être obtenue de manière fiable grâce à l'optimisation du processus. L'amplitude ultrasonique optimale, la puissance d'entrée des ultrasons, la température et la pression peuvent être déterminées pour chaque réaction particulière. Cela permet de trouver les paramètres de sonication idéaux afin d'obtenir des résultats de réaction et une efficacité optimaux.

contrôle de la température

Tous nos ultrasons numériques sont équipés d'un capteur de température enfichable pour une surveillance continue de la température, qui peut être inséré dans le liquide pour une mesure constante de la température globale. Un logiciel sophistiqué permet de définir une plage de température. Lorsque la limite de température est dépassée, l'appareil à ultrasons se met automatiquement en pause jusqu'à ce que la température du liquide soit redescendue à un certain point de consigne et recommence automatiquement à sonifier. Toutes les mesures de température ainsi que d'autres données importantes du processus ultrasonique sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée et peuvent être facilement révisées pour le contrôle du processus.
Les réacteurs sonochimiques de Hielscher sont disponibles avec des enveloppes de refroidissement. En outre, des échangeurs de chaleur et des unités de refroidissement peuvent être connectés pour garantir la température de traitement souhaitée.

Des composants facilement disponibles pour assembler le réacteur chimique idéal

La vaste gamme d'appareils à ultrasons, de sondes (sonotrodes), de cornes d'amplification, de réacteurs discontinus et de cellules d'écoulement, ainsi que de nombreux accessoires supplémentaires, permet de configurer le réacteur chimique à ultrasons (réacteur sonique) idéal pour votre procédé spécifique.
Tous les équipements sont déjà optimisés pour une distribution uniforme de la cavitation acoustique et des schémas d'écoulement stables, qui sont les aspects les plus importants de la conception pour obtenir des résultats homogènes et fiables dans un réacteur chimique agité par ultrasons.
L'oxydation indésirable peut être évitée en purgeant le réacteur avec un gaz inerte, par exemple une couverture d'azote.

Solutions personnalisées pour votre réacteur chimique

Hielscher propose diverses solutions de réacteurs discontinus et en ligne, de tailles et de géométries variées, en acier inoxydable ou en verre. Nous nous ferons un plaisir de fabriquer votre réacteur chimique spécial en tenant compte des principes d'analyse et de conception de vos exigences spécifiques en matière de processus. Grâce à une équipe d'ingénieurs et de développeurs techniques expérimentés, nous concevons votre réacteur chimique en fonction de vos exigences. Par exemple, la taille, le matériau, la géométrie, les ports d'alimentation et de décharge, le nombre de sondes ultrasoniques, etc. peuvent être conçus afin de créer le réacteur chimique à ultrasons idéal pour votre procédé chimique.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :