ייעול כורים כימיים באמצעות סוניקציה בהספק גבוה

סוניקציה מוכרת היטב כאמצעי להגברת תגובות כימיות ו/או לייזומן. לכן, שילוב אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים נחשב לכלי אמין לשיפור פעולתם של כורים כימיים ולהשגת תוצאות תגובה משופרות. Hielscher Ultrasonics מציעה פתרונות כורים מגוונים לכוונון התהליך הכימי שלכם. גלו כיצד אולטרסאונד יכול לשפר את הכור הכימי שלכם!

כיצד אולטרסאונד בהספק גבוה משפר כורים כימיים?

שילוב של גשושית אולטרסונית אחת או יותר (סונוטרודות) מאפשר לצמד גלי אולטרסאונד רבי־עוצמה לתוך הכור הכימי. סוניקציה אינטנסיבית של נוזלים ותרחיפים לא רק יוצרת מערבולות חזקות עקב תנודות אקוסטיות, אלא גם ידועה בהשפעותיה המרובות, הנכללות במונח ״סונוכימיה״.

מהי סונוכימיה? כיצד היא מקדמת תגובות?

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה / אולטרסאונד בהספק גבוה מיושם במערכות כימיות כדי ליזום ו/או לקדם תגובות, לשפר את שיעור ההמרה ואת התפוקות או לשנות מסלולי תגובה. התופעה הפיזיקלית האחראית להשפעות סונוכימיות היא קוויטציה אקוסטית. כאשר גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מצומדים לתווך נוזלי, הגלים מתקדמים דרך הנוזל ויוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ נמוך (הקלשה) ולחץ גבוה (דחיסה). במהלך שלב הלחץ הנמוך / ההקלשה נוצרות בנוזל בועות ריק זעירות, הגדלות לאורך כמה מחזורי לחץ עד שבועת הריק מגיעה לנקודה שבה אינה יכולה עוד לקלוט אנרגיה נוספת. בנקודת הגדילה המרבית של הבועה, היא קורסת בעוצמה במהלך מחזור של לחץ גבוה. במהלך קריסת הבועה פנימה ניתן לצפות בתופעת הקוויטציה. קוויטציה אולטרסונית יוצרת מה שמכונה ״מוקדים חמים״, המאופיינים בתנאים קיצוניים כגון טמפרטורה של עד ∼5000 K עם קצבי חימום/קירור גבוהים מאוד של > 1000 K s^-1, לחצים של עד ∼1000 bar וכן הפרשי טמפרטורה ולחץ תואמים. סילוני נוזל וכוחות גזירה מערבלים בעוצמה את הנוזל או התרחיף.

ההשפעות הכימיות (למשל, יצירת צורונים רדיקליים, כיפוף מולקולות וכו׳) וההשפעות הפיזיקליות / הפיזיקו־מכניות של הסונוכימיה מיושמות בהצלחה בתגובות כימיות רבות כגון קטליזה אורגנית, תגובות אורגנוקטליטיות, תגובות מעבר בין פאזות, סינתזה של ננו־חלקיקים, שיקוע / התגבשות, תגובות סול־ג׳ל, צימוד סוזוקי, תגובות דילס־אלדר, תגובות מניך, סיפוח מיכאל, צימוד מסוג וורץ ורבות אחרות. תגובות המקודמות באמצעות סונוכימיה מתאפיינות לעיתים קרובות בשיעור המרה מוגבר באופן משמעותי, בתפוקות גבוהות יותר, בתגובה מואצת ובתגובה מלאה יותר; ניתן לבצע אותן עם ממסים מתונים יותר בתנאי הסביבה, הן יוצרות פחות תוצרי לוואי בלתי רצויים ותורמות לכימיה ירוקה הודות ליעילותן הגבוהה.

כורים כימיים מנתיים המופעלים באמצעות אולטרסאונד

שילוב מכשירים אולטרסוניים בריאקטורים פתוחים או סגורים הפועלים באצווה הוא טכניקה נפוצה להאצת תגובות במעבדות, במתקני פיילוט ובמתקני ייצור. בהתאם לגודל הכלי, לגאומטריה ולמערכת התגובה הכימית, ניתן לשלב בריאקטור האצווה סונוטרודה אחת או יותר. טיפול אולטרסוני משמש לעיתים קרובות גם לשיפור ריאקטורים בערבול רציף (CSTR).

ריאקטורים אולטרסוניים הפועלים באצווה למחצה: כמובן, ניתן לשלב סוניקציה גם בריאקטורים הפועלים באצווה למחצה. במערכות הפועלות באצווה למחצה, מגיב כימי אחד נטען לריאקטור, ואילו חומר כימי שני נוסף בספיקת זרימה רציפה (למשל, בהזנה איטית למניעת תגובות לוואי), והשניים משתלבים בנקודה החמה האולטרסונית. לחלופין, תוצר של תגובה כימית המתרחשת בריאקטור מסולק ברציפות, למשל משקעים או גבישים שסונתזו, או חומר ביניים בהיווצרות התוצר הסופי שניתן לסלק באמצעות הפרדת פאזות.

ריאקטור כימי בזרימה רציפה עם ערבול אולטרסוני

בריאקטור בזרימה רציפה, המכונה גם תא זרימה או ריאקטור בקו התהליך, המגיבים מוזנים דרך פתח הזנה אחד או יותר לתא התגובה, שבו מתרחשת התגובה הכימית. לאחר זמן שהייה מסוים הנדרש להתרחשות תגובה מסוימת, התווך מסולק ברציפות מהריאקטור. תאי זרימה אולטרסוניים וריאקטורים בקו התהליך מאפשרים ייצור בלתי פוסק של התוצר, התלוי רק באספקה רציפה של המגיבים.

בתמונה מוצג המכשיר האולטרסוני UIP1000hdT עם ריאקטור אצווה (משמאל) ועם ריאקטור תא זרימה לעיבוד בקו התהליך (מימין).

ריאקטורים סונוכימיים בעלי ביצועים גבוהים

Hielscher Ultrasonics היא היצרנית האמינה שלכם לריאקטורים סונוכימיים ולציוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים, שיכול לשפר באופן אמין את התגובה הכימית שלכם. מגוון המוצרים של Hielscher Ultrasonics כולל סוגים וקטגוריות שונים של ריאקטורים סונוכימיים מעבדתיים ותעשייתיים בקנה מידה גדול, להפעלה באצווה ובזרימה רציפה. באמצעות טיפול אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים המבוסס על גשושית מתוצרת Hielscher, מושגים באופן אמין שיפורים רבים בריאקטורים הפועלים באצווה ובזרימה רציפה – כגון קצב תגובה משופר, המרה מלאה יותר, תפוקות גבוהות יותר, בקרה מדויקת על התגובה ויעילות כוללת מצוינת. המכשירים האולטרסוניים והריאקטורים הסונוכימיים של Hielscher תוכננו לביצועים גבוהים ולעמידות, וניתן להתקינם לשימוש עם כימיקלים אגרסיביים, בסביבות תובעניות וביישומים בעומס עבודה כבד.
הריאקטורים האולטרסוניים של Hielscher מתוכננים תוך התמקדות בהקרנה אולטרסונית אחידה של התווך, כדי ששדה הלחץ האקוסטי יוכל להתפשט באופן אחיד. עמידה בדרישה זו משפרת את היעילות הכוללת של התגובה הסונוכימית, שכן האולטרסאונד משיג את ההעצמה הגבוהה ביותר של התהליך.

תרשים סכמטי של התופעות המתרחשות בריאקטור סונוכימי.
תמונה ומחקר: ©Dahlem et al., 1999.

מגוון המוצרים כולל מכשירים אולטרסוניים מעבדתיים קומפקטיים למחקר ופיתוח, מערכות אולטרסוניות עוצמתיות שולחניות ולמתקני פיילוט, וכן ציוד ברמה תעשייתית מלאה לייצור בנפחים גדולים. כך ניתן לבצע בדיקות היתכנות ללא סיכון בקנה מידה קטן, ובהמשך להגדיל את קנה המידה באופן ליניארי לחלוטין לנפחים גדולים יותר.

בקרה מדויקת על הסוניקציה

הצג הצבעוני הדיגיטלי והתוכנה החכמה, הכוללת שליטה מרחוק דרך דפדפן ורישום נתונים אוטומטי בכרטיס SD משולב, מאפשרים הגדרה וניטור מתקדמים של הפרמטרים האולטרסוניים בריאקטור הסונוכימי.
היתרון בתגובות המונעות באמצעות סונוכימיה הוא היעילות שניתן להשיג באופן אמין באמצעות מיטוב התהליך. ניתן לקבוע עבור כל תגובה מסוימת את המשרעת האולטרסונית, הספק האולטרסאונד המוזן, הטמפרטורה והלחץ המיטביים. כך ניתן למצוא את פרמטרי הסוניקציה האידאליים להשגת תוצאות תגובה ויעילות מיטביות.

בקרת טמפרטורה

כל מכשירי האולטרסאונד הדיגיטליים שלנו מצוידים בחיישן טמפרטורה הניתן לחיבור לצורך ניטור טמפרטורה רציף, ואפשר להחדירו לנוזל למדידה מתמדת של טמפרטורת הנוזל בכללותו. תוכנה מתקדמת מאפשרת להגדיר טווח טמפרטורות. כאשר הטמפרטורה חורגת מהגבול שנקבע, מכשיר האולטרסאונד מפסיק אוטומטית את פעולתו עד שטמפרטורת הנוזל יורדת לנקודת יעד מסוימת שהוגדרה, ואז מחדש אוטומטית את הסוניקציה. כל מדידות הטמפרטורה, וכן נתונים חשובים נוספים של התהליך האולטרסוני, נרשמים אוטומטית בכרטיס SD מובנה, וניתן לעיין בהם בקלות לצורך בקרת התהליך.
הריאקטורים הסונוכימיים של Hielscher זמינים עם מעטפות קירור. בנוסף, ניתן לחבר מחליפי חום ויחידות קירור כדי להבטיח את טמפרטורת התהליך הרצויה.

רכיבים זמינים להרכבת הריאקטור הכימי האידיאלי

המגוון הרחב של מכשירי אולטרסאונד, גשושים (סונוטרודות), מגברי משרעת, ריאקטורים מנתיים ותאי זרימה הזמינים לאספקה, וכן אביזרים נוספים רבים, מאפשר להרכיב את הריאקטור האולטרסוני הכימי (הריאקטור הסונוכימי) האידיאלי לתהליך הספציפי שלכם.
כל הציוד כבר מותאם לפיזור אחיד של קוויטציה אקוסטית ולדפוסי זרימה יציבים, שהם היבטי התכנון החשובים ביותר להשגת תוצאות הומוגניות ואמינות בריאקטור כימי המעורבל באמצעות אולטרסאונד.
ניתן למנוע חמצון בלתי רצוי באמצעות שטיפת הריאקטור בגז אינרטי, למשל באמצעות מעטה חנקן.

פתרונות מותאמים אישית לריאקטור הכימי שלכם

לצד מגוון הפתרונות של Hielscher לריאקטורים מנתיים ולריאקטורים בקו הייצור, בגדלים ובגאומטריות שונים, העשויים מפלדת אל־חלד או מזכוכית, נשמח לייצר עבורכם כלי ריאקטור כימי ייחודי תוך התחשבות בעקרונות הניתוח והתכנון של דרישות התהליך הספציפיות שלכם. בעזרת צוות מהנדסים ומפתחים טכניים בעל ניסיון רב שנים, אנו מתכננים את הריאקטור הכימי שלכם כך שיענה על דרישותיכם. לדוגמה, ניתן לתכנן את הגודל, החומר, הגאומטריה, פתחי ההזנה והפריקה, מספר גשושי האולטרסאונד וכדומה כדי ליצור את הריאקטור הכימי האידיאלי שתהליכיו מואצים באמצעות אולטרסאונד עבור התהליך הכימי שלכם.

הטבלה שלהלן נותנת אומדן של כושר העיבוד המשוער של מכשירי האולטרסאונד שלנו: