Optimizirana učinkovitost kemijskog reaktora ultrazvukom velike snage

Dobro je poznato da ultrazvuk pojačava i/ili pokreće kemijske reakcije. Stoga se integracija ultrazvuka visokih performansi smatra pouzdanim alatom za promicanje kemijskih reaktora za poboljšane ishode reakcije. Hielscher Ultrasonics nudi različita rješenja reaktora za podešavanje vašeg kemijskog procesa. Saznajte kako ultrazvuk može poboljšati vaš kemijski reaktor!

Kako Power Ultrasound poboljšava kemijske reaktore?

Integracija jedne ili više ultrazvučnih sondi (sonotroda) omogućuje spajanje snažnih ultrazvučnih valova u kemijski reaktor. Intenzivna ultrazvučna obrada tekućina i kaša ne samo da stvara snažne turbulencije zbog akustične vibracije, već je poznata i po višestrukim učincima, koji su definirani pojmom "sonokemija".

Što je sonokemija? Kako potiče reakcije?

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^-1, tlakove do ~1000 bara kao i odgovarajuće temperaturne i tlačne razlike. Tekućina ili suspenzija snažno se uzburkava mlazovima tekućine i silama smicanja.

Kemijski učinci (npr. stvaranje radikalnih vrsta, savijanje molekula itd.) i fizički/fizikalno-mehanički učinci sonokemije uspješno se primjenjuju na brojne kemijske reakcije kao što su organska kataliza, organokatalitičke reakcije, Reakcije prijelaza faza, sinteza nanočestica, Taloženje / Kristalizacija, sol-gel reakcije, Suzuki spojnica, Diels-Alderove reakcije, Mannichove reakcije, Michael Dodatak, Wurtz-ova spojka i mnogi drugi. Sonokemijski promovirane reakcije često pokazuju značajno povećanu stopu konverzije, veće prinose, ubrzanu reakciju, potpuniju reakciju, mogu se koristiti s blažim otapalima u uvjetima okoline, stvaraju manje neželjenih nusproizvoda i zbog svoje visoke učinkovitosti doprinose zelenoj kemiji.

Šaržni kemijski reaktori pokretani ultrazvukom

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 sustavu kemijske reakcije, jedna ili više sonotroda mogu se integrirati u šaržni reaktor. Ultrasonication se također često koristi za poboljšanje reaktori s kontinuiranim miješanjem (CSTR).

Ultrazvučni semi-batch reaktori: Naravno, sonikacija se također može integrirati u polu-šaržne reaktore. Za polušaržne sustave, jedan kemijski reaktant se puni u reaktor, dok se druga kemikalija dodaje kontinuiranom brzinom protoka (na primjer, pri sporom dovodu kako bi se spriječile nuspojave) koja se kombinira u ultrazvučnoj vrućoj točki. Alternativno, proizvod kemijske reakcije, koji je rezultat reakcije u reaktoru, kontinuirano se uklanja, npr. sintetizirani precipitati ili kristali, ili intermedijer krajnjeg proizvoda koji se može ukloniti zbog razdvajanja faza.

Ultrazvučno miješani kemijski protočni reaktor

U protočnom reaktoru, također poznatom kao protočna ćelija ili inline reaktor, reaktanti se dovode kroz jedan ili više ulaznih otvora u reakcijsku komoru, gdje se odvija kemijska reakcija. Nakon određenog vremena zadržavanja potrebnog za odvijanje određene reakcije, medij se kontinuirano ispušta iz reaktora. Ultrazvučne protočne ćelije i inline reaktori omogućuju nesmetanu proizvodnju proizvoda, koja ovisi samo o kontinuiranoj opskrbi reagensima.

Slika prikazuje Ultrazvučni uređaj UIP1000hdT sa šaržnim reaktorom (lijevo) i s protočnim reaktorom za inline obradu (desno).

Kemijski sono-reaktori visokih performansi

Hielscher Ultrasonics je vaš proizvođač od povjerenja za sono-kemijske reaktore i ultrazvučnu opremu visokih performansi koja može pouzdano poboljšati vašu kemijsku reakciju. Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics uključuje različite vrste i klase laboratorijskih i industrijskih sonoreaktora velikih razmjera za šaržni i protočni način rada. Uz Hielscher ultrazvučnu sondu visokih performansi, višestruki napredak – poput poboljšane brzine reakcije, potpunije pretvorbe, viših prinosa, precizne kontrole reakcije i izvrsne ukupne učinkovitosti – pouzdano se postižu u šaržnim i protočnim reaktorima. Dizajnirani za visoke performanse i robusnost, Hielscher ultrasonicators i sono-reaktori mogu se instalirati za korištenje s jakim kemikalijama, u zahtjevnim okruženjima i teškim aplikacijama.
Hielscher ultrazvučni reaktori dizajnirani su s fokusom na ravnomjerno ultrazvučno zračenje medija tako da se polje akustičnog tlaka može ravnomjerno širiti. Ispunjavanje ovog zahtjeva poboljšava ukupnu učinkovitost sonokemijske reakcije budući da ultrazvuk postiže najveću intenzifikaciju procesa.

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

Raspon proizvoda obuhvaća kompaktne laboratorijske ultrazvučne uređaje za R&D, snažni stacionarni i pilot ultrazvučni sustavi kao i potpuno industrijska oprema za proizvodnju velikih količina. To omogućuje bezrizično testiranje izvedivosti u malim razmjerima i naknadno potpuno linearno povećanje na veće količine.

Precizna kontrola sonikacije

Digitalni zaslon u boji i pametni softver s daljinskim upravljanjem preglednikom i automatskim protokoliranjem podataka na integriranoj SD kartici omogućuju sofisticirano postavljanje i praćenje ultrazvučnih parametara u sonokemijskom reaktoru.
Ljepota sonokemijski vođenih reakcija je učinkovitost koja se pouzdano može postići optimizacijom procesa. Optimalna ultrazvučna amplituda, ulazna snaga ultrazvuka, temperatura i tlak mogu se odrediti za svaku pojedinu reakciju. To omogućuje pronalaženje idealnih parametara ultrazvuka kako bi se postigli optimalni rezultati reakcije i učinkovitost.

kontrola temperature

Svi naši digitalni ultrazvučni uređaji opremljeni su priključnim temperaturnim senzorom za kontinuirano praćenje temperature, koji se može umetnuti u tekućinu za stalno mjerenje ukupne temperature. Sofisticirani softver omogućuje postavljanje raspona temperature. Kada se prekorači temperaturno ograničenje, ultrazvučni uređaj automatski pauzira dok se temperatura u tekućini ne spusti na određenu zadanu točku i ponovno automatski počne sonikirati. Sva temperaturna mjerenja kao i drugi važni ultrazvučni procesni podaci automatski se bilježe na ugrađenu SD karticu i mogu se jednostavno revidirati za kontrolu procesa.
Sonokemijski reaktori tvrtke Hielscher dostupni su s rashladnim jaknama. Osim toga, mogu se spojiti izmjenjivači topline i rashladne jedinice kako bi se osigurala željena procesna temperatura.

Lako dostupne komponente za sastavljanje idealnog kemijskog reaktora

Veliki portfelj odmah dostupnih ultrazvučnih uređaja, sondi (sonotroda), pojačivača, batch reaktora i protočnih ćelija kao i brojni dodatni dodaci omogućuju konfiguriranje idealnog ultrazvučno-kemijskog reaktora (sono-reaktora) za vaš specifični proces.
Sva je oprema već optimizirana za jednoliku distribuciju akustične kavitacije i stabilne uzorke protoka, što su najvažniji aspekti dizajna za dobivanje homogenih, pouzdanih rezultata u kemijskom reaktoru s ultrazvučnim miješanjem.
Neželjena oksidacija može se izbjeći pročišćavanjem reaktora inertnim plinom, npr. slojem dušika.

Prilagođena rješenja za vaš kemijski reaktor

Dok Hielscher nudi različita šaržna i inline reaktorska rješenja u različitim veličinama i geometrijama, izrađena od nehrđajućeg čelika ili stakla, drago nam je proizvesti vašu posebnu posudu kemijskog reaktora uzimajući u obzir analizu i osnove dizajna vaših specifičnih zahtjeva procesa. S dugogodišnjim iskusnim timom inženjera i tehničkih programera, dizajniramo vaš kemijski reaktor prema vašim zahtjevima. Na primjer, veličina, materijal, geometrija, otvori za punjenje i pražnjenje, broj ultrazvučnih sondi itd. mogu se dizajnirati kako bi se napravio idealan kemijski reaktor s ultrazvučnom promocijom za vaš kemijski proces.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: