Optimizirana učinkovitost kemijskih reaktora sonikacijom velike snage

Dobro je poznato da sonikacija intenzivira i/ili pokreće kemijske reakcije. Stoga se integracija ultrazvuka visokih performansi smatra pouzdanim načinom poboljšanja rada kemijskih reaktora radi postizanja boljih rezultata reakcija. Hielscher Ultrasonics nudi različita reaktorska rješenja za prilagodbu vašeg kemijskog procesa. Saznajte kako ultrazvuk može poboljšati vaš kemijski reaktor!

Kako ultrazvuk velike snage poboljšava kemijske reaktore?

Integracija jedne ili više ultrazvučnih sondi (sonotroda) omogućuje unošenje snažnih ultrazvučnih valova u kemijski reaktor. Intenzivna sonikacija tekućina i suspenzija ne stvara samo snažne turbulencije uslijed akustičkih vibracija, nego je poznata i po brojnim učincima obuhvaćenima pojmom „sonokemija”.

Što je sonokemija? Kako potiče reakcije?

Ultrazvuk visokog intenziteta / ultrazvuk velike snage primjenjuje se na kemijske sustave radi pokretanja i/ili poticanja reakcija, poboljšanja stope konverzije i prinosa ili promjene reakcijskih putova. Fizikalna pojava odgovorna za sonokemijske učinke jest akustička kavitacija. Kada se ultrazvučni valovi visokog intenziteta unesu u tekući medij, oni putuju kroz tekućinu stvarajući naizmjenične cikluse niskog tlaka (razrjeđivanja) i visokog tlaka (kompresije). Tijekom faze niskog tlaka / razrjeđivanja u tekućini nastaju sićušni vakuumski mjehurići koji rastu tijekom više tlačnih ciklusa sve dok vakuumski mjehurić ne dosegne točku u kojoj više ne može apsorbirati dodatnu energiju. U točki najvećeg rasta mjehurić silovito implodira tijekom ciklusa visokog tlaka. Tijekom implozijskog kolapsa mjehurića može se uočiti pojava kavitacije. Ultrazvučna kavitacija stvara takozvane „vruće točke”, koje obilježavaju ekstremni uvjeti poput temperature do ∼5000 K uz vrlo velike brzine zagrijavanja/hlađenja od > 1000 K s^-1, tlakova do ∼1000 bar te odgovarajućih razlika u temperaturi i tlaku. Mlazovi tekućine i smične sile snažno miješaju tekućinu ili suspenziju.

Kemijski učinci (npr. stvaranje radikalskih vrsta, savijanje molekula itd.) i fizikalni / fizikalno-mehanički učinci sonokemije uspješno se primjenjuju na brojne kemijske reakcije poput organske katalize, organokatalitičkih reakcija, reakcija prijenosa između faza, sinteze nanočestica, taloženja / kristalizacije, sol-gel reakcija, Suzukijeva spajanja, Diels-Alderovih reakcija, Mannichovih reakcija, Michaelove adicije, spajanja Wurtzova tipa i mnogih drugih. Sonokemijski potpomognute reakcije često pokazuju znatno povećanu stopu konverzije, veće prinose, brže i potpunije odvijanje reakcije, mogu se provoditi s blažim otapalima u ambijentalnim uvjetima, stvaraju manje neželjenih nusproizvoda te svojom visokom učinkovitošću pridonose zelenoj kemiji.

Kemijski šaržni reaktori s ultrazvučnim pogonom

Integracija ultrazvučnih uređaja u otvorene ili zatvorene šaržne reaktore često je primjenjivana tehnika za ubrzavanje reakcija u laboratorijima, pilot-postrojenjima i proizvodnim pogonima. Ovisno o veličini posude, geometriji i kemijskom reakcijskom sustavu, u šaržni reaktor može se ugraditi jedna ili više sonotroda. Sonikacija se također često upotrebljava za poboljšanje rada reaktora s kontinuiranim miješanjem (CSTR).

Ultrazvučni polušaržni reaktori: Naravno, sonikacija se može integrirati i u polušaržne reaktore. U polušaržnim sustavima jedan se kemijski reaktant unosi u reaktor, dok se druga kemikalija dodaje uz stalan protok (primjerice, polaganim doziranjem radi sprječavanja sporednih reakcija), pri čemu se spajaju u ultrazvučnoj vrućoj točki. Alternativno, produkt kemijske reakcije koji nastaje reakcijom u reaktoru kontinuirano se uklanja, primjerice sintetizirani talozi ili kristali, ili međuprodukt u nastajanju konačnog produkta koji se može ukloniti zahvaljujući razdvajanju faza.

Kemijski protočni reaktor s ultrazvučnim miješanjem

U protočnom reaktoru, poznatom i kao protočna ćelija ili linijski reaktor, reaktanti se dovode kroz jedan ili više dovodnih priključaka u reakcijsku komoru, gdje se odvija kemijska reakcija. Nakon određenog vremena zadržavanja potrebnog za odvijanje određene reakcije, medij se kontinuirano odvodi iz reaktora. Ultrazvučne protočne ćelije i linijski reaktori omogućuju neprekinutu proizvodnju produkta koja ovisi samo o kontinuiranoj opskrbi reagensima.

Slika prikazuje ultrazvučni uređaj UIP1000hdT sa šaržnim reaktorom (lijevo) i s reaktorom s protočnom ćelijom za linijsku obradu (desno).

Kemijski sonoreaktori visokih performansi

Hielscher Ultrasonics vaš je pouzdan proizvođač sonokemijskih reaktora i ultrazvučne opreme visokih performansi koja može pouzdano poboljšati vašu kemijsku reakciju. Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics obuhvaća različite vrste i klase laboratorijskih sonoreaktora i industrijskih sonoreaktora velikih razmjera za šaržni i protočni način rada. Hielscher sonikacijom visokih performansi s pomoću sondi pouzdano se postižu brojna poboljšanja – poput povećane brzine reakcije, potpunije pretvorbe, većih prinosa, precizne kontrole reakcije i izvrsne ukupne učinkovitosti – u šaržnim i protočnim reaktorima. Projektirani za visoke performanse i robusnost, Hielscher ultrazvučni uređaji i sonoreaktori mogu se ugraditi za upotrebu s agresivnim kemikalijama, u zahtjevnim okruženjima i primjenama pod velikim opterećenjem.
Hielscher ultrazvučni reaktori projektirani su s naglaskom na ravnomjerno ultrazvučno ozračivanje medija kako bi se polje akustičkog tlaka moglo ravnomjerno širiti. Ispunjavanje tog zahtjeva poboljšava ukupnu učinkovitost sonokemijske reakcije jer ultrazvuk postiže najviši stupanj intenzifikacije procesa.

Shematski prikaz pojava koje se odvijaju u sonokemijskom reaktoru.
Slika i studija: ©Dahlem et al., 1999.

Asortiman proizvoda obuhvaća kompaktne laboratorijske ultrazvučne uređaje za istraživanje i razvoj, snažne stolne i pilotne ultrazvučne sustave te opremu u potpunosti industrijske kvalitete za proizvodnju velikih volumena. To omogućuje ispitivanje izvedivosti bez rizika u malom mjerilu te naknadno potpuno linearno povećanje mjerila na veće volumene.

Precizna kontrola sonikacije

Digitalni zaslon u boji i pametni softver s daljinskim upravljanjem putem preglednika i automatskim bilježenjem podataka na integriranu SD karticu omogućuju napredno podešavanje i praćenje ultrazvučnih parametara u sonokemijskom reaktoru.
Prednost sonokemijski pokretanih reakcija jest učinkovitost koja se pouzdano može postići optimizacijom procesa. Za svaku pojedinu reakciju mogu se odrediti optimalna amplituda ultrazvuka, unos ultrazvučne snage, temperatura i tlak. Time se omogućuje pronalaženje idealnih parametara sonikacije kako bi se postigli optimalni rezultati reakcije i učinkovitost.

Kontrola temperature

Svi naši digitalni ultrazvučni uređaji opremljeni su priključivim temperaturnim senzorom za kontinuirano praćenje temperature, koji se može uroniti u tekućinu radi stalnog mjerenja temperature mase tekućine. Napredni softver omogućuje postavljanje temperaturnog raspona. Kada se prekorači granična temperatura, ultrazvučni uređaj automatski zaustavlja rad dok se temperatura tekućine ne spusti na određenu zadanu vrijednost, a zatim automatski ponovno započinje sonikaciju. Sva mjerenja temperature, kao i drugi važni podaci o ultrazvučnom procesu, automatski se bilježe na ugrađenu SD karticu i mogu se jednostavno pregledati radi kontrole procesa.
Sonokemijski reaktori tvrtke Hielscher dostupni su s rashladnim plaštevima. Dodatno se mogu priključiti izmjenjivači topline i rashladni agregati kako bi se osigurala željena procesna temperatura.

Lako dostupne komponente za sastavljanje idealnog kemijskog reaktora

Širok izbor lako dostupnih ultrazvučnih uređaja, sondi (sonotroda), pojačivača amplitude, šaržnih reaktora i protočnih ćelija, kao i brojnog dodatnog pribora, omogućuje konfiguriranje idealnog ultrazvučnog kemijskog reaktora (sonoreaktora) za vaš specifični proces.
Sva je oprema već optimizirana za ravnomjernu raspodjelu akustične kavitacije i stabilne obrasce strujanja, što su najvažniji aspekti projektiranja za postizanje homogenih, pouzdanih rezultata u kemijskom reaktoru s ultrazvučnim miješanjem.
Neželjena oksidacija može se izbjeći propuhivanjem reaktora inertnim plinom, primjerice stvaranjem zaštitne atmosfere dušika.

Prilagođena rješenja za vaš kemijski reaktor

Iako Hielscher nudi razna rješenja za šaržne i linijske reaktore različitih veličina i geometrija, izrađene od nehrđajućeg čelika ili stakla, rado ćemo izraditi vašu posebnu posudu kemijskog reaktora uzimajući u obzir osnove analize i projektiranja prema zahtjevima vašeg specifičnog procesa. Uz tim inženjera i tehničkih razvojnih stručnjaka s dugogodišnjim iskustvom projektiramo vaš kemijski reaktor prema vašim zahtjevima. Primjerice, veličina, materijal, geometrija, priključci za dovod i odvod, broj ultrazvučnih sondi itd. mogu se projektirati kako bi se izradio idealan kemijski reaktor s ultrazvučnim pospješivanjem za vaš kemijski proces.

Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: