L'ultrasonication est bien connue pour intensifier et/ou initier des 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 de la réaction. Hielscher Ultrasonics propose diverses solutions de réacteurs pour affiner votre processus chimique. Découvrez comment les ultrasons peuvent améliorer votre réacteur chimique !

Comment les ultrasons puissants 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'ultrasonication intense des liquides et des boues ne crée pas seulement de fortes turbulences dues à la vibration acoustique, mais est connue pour de multiples effets, qui sont définis sous le terme de "sonochimie".

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

Les ultrasons de haute intensité / haute puissance sont appliqués aux systèmes chimiques afin d'initier et/ou de favoriser les réactions, d'améliorer le taux de conversion et les rendements ou de changer les voies de réaction. Le phénomène physique responsable des effets sonochimiques est la cavitation acoustique. Lorsque des ondes ultrasonores de haute intensité sont couplées à un milieu liquide, les ondes traversent le liquide en créant des cycles alternés de basse pression (raréfaction) et de haute pression (compression). Pendant la basse pression / raréfaction, de minuscules bulles de vide apparaissent dans le liquide, qui grossissent sur plusieurs cycles de pression jusqu'à ce que la bulle de vide atteigne un point où elle ne peut plus absorber d'énergie. Au point de croissance maximale de la bulle, la bulle implose violemment pendant un cycle de haute pression. Pendant l'effondrement implosif de la bulle, le phénomène de cavitation peut être observé. La cavitation ultrasonique crée ce que l'on appelle des "points chauds", qui se caractérisent par des conditions extrêmes telles qu'une température pouvant atteindre ∼5000 K avec des taux de chauffage/refroidissement très élevés de > 1000 K s.^-1, des pressions allant jusqu'à ∼1000 bar ainsi que des différentiels de température et de pression respectifs. 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 radicalaires, la flexion des molécules, etc.) et 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, Ajout de Michaelle couplage de type Wurtz et bien d'autres. Les réactions favorisées par la sonochimie présentent souvent un taux de conversion nettement supérieur, 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 actionnés par 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 installations pilotes et les sites de production. Selon la taille et la géométrie de la cuve et le système de réaction chimique, une ou plusieurs sonotrodes peuvent être intégrées dans le réacteur discontinu. L'ultrasonication est également souvent utilisée pour améliorer la qualité de la réaction. réacteurs à agitation continue (CSTR).

Réacteurs semi-batchs à ultrasons : Bien entendu, la sonication peut également être intégrée dans des 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 alimentation lente pour éviter les réactions secondaires) pour être combiné dans le point chaud ultrasonique. En variante, un produit d'une réaction chimique, qui résulte de la réaction dans le réacteur, est éliminé en continu, 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 flux chimique à agitation ultrasonique

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

L'image montre le ultrasoniseur UIP1000hdT avec un réacteur discontinu (à gauche) et avec un réacteur à flux pour le traitement en ligne (à droite).

Sonoréacteurs chimiques haute performance

Hielscher Ultrasonics est votre fabricant de confiance pour les réacteurs sonochimiques et les équipements à ultrasons de haute performance qui peuvent améliorer de manière fiable votre réaction chimique. La gamme de produits Hielscher Ultrasonics comprend différents types et classes de réacteurs soniques de laboratoire et industriels à grande échelle pour les modes batch et flow-through. Avec les ultrasons haute performance de Hielscher de type sonde, de multiples avancées – tels qu'une vitesse de réaction améliorée, 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 à fonctionnement discontinu et à circulation continue. Conçus pour être performants et robustes, les ultrasons et les sonoréacteurs Hielscher peuvent être installés pour être utilisés avec des produits chimiques agressifs, dans des environnements exigeants et des applications lourdes.
Les réacteurs à ultrasons Hielscher sont conçus dans le but d'obtenir une irradiation ultrasonique uniforme du milieu afin 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.
Image et étude : ©Dahlem et al., 1999.

La gamme de produits couvre les ultrasons compacts de laboratoire pour R&D, de puissants systèmes ultrasoniques de table et pilotes, ainsi que des équipements de qualité industrielle pour la production de gros volumes. Cela permet de réaliser des tests 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 contrôle 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, la puissance ultrasonique, la température et la pression optimales 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 de masse. Un logiciel sophistiqué permet de définir une plage de température. Lorsque la limite de température est dépassée, l'ultrasoniseur 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 émettre des ultrasons. 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 révisées facilement 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 processus 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, facilement disponibles, permet de configurer le réacteur chimique à ultrasons (sonoréacteur) idéal pour votre processus 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 de conception les plus importants 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.

Des solutions personnalisées pour votre réacteur chimique

Hielscher propose diverses solutions de réacteurs batch et en ligne de différentes tailles et géométries, fabriqués en acier inoxydable ou en verre, mais nous sommes heureux de fabriquer votre cuve de réacteur chimique spéciale en tenant compte des principes fondamentaux d'analyse et de conception de vos exigences spécifiques en matière de processus. Grâce à une équipe expérimentée d'ingénieurs et de développeurs techniques, nous concevons votre réacteur chimique en fonction de vos exigences. Par exemple, la taille, le matériau, la géométrie, les orifices d'alimentation et de déchargement, le nombre de sondes ultrasoniques, etc. peuvent être conçus afin d'obtenir 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 ultrasonicators: