Efisiensi Reaktor Kimia yang Dioptimalkan dengan Ultrasonikasi Daya Tinggi

Ultrasonikasi dikenal untuk mengintensifkan dan / atau memulai reaksi kimia. Oleh karena itu, integrasi ultrasound berkinerja tinggi dianggap sebagai alat yang andal untuk mempromosikan reaktor kimia untuk hasil reaksi yang lebih baik. Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai solusi reaktor untuk mengubah proses kimia Anda. Pelajari bagaimana ultrasound dapat meningkatkan reaktor kimia Anda!

Bagaimana Power Ultrasound Meningkatkan Reaktor Kimia?

Integrasi satu atau lebih probe ultrasonik (sonotrodes) memungkinkan untuk memasangkan gelombang ultrasound yang kuat ke dalam reaktor kimia. Ultrasonikasi cairan dan bubur yang intens tidak hanya menciptakan turbulensi yang kuat karena getaran akustik tetapi juga dikenal dengan berbagai efek, yang didefinisikan di bawah istilah "sonokimia".

Apa itu Sonokimia? Bagaimana Ini Meningkatkan Reaksi?

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, tekanan hingga ∼1000 bar serta perbedaan suhu dan tekanan masing-masing. Cairan atau bubur sangat diaduk oleh jet cair dan gaya geser.

Efek kimia (misalnya, pembentukan spesies radikal, melenturkan molekul, dll.) dan efek fisik / fisiko-mekanik sonokimia berhasil diterapkan pada berbagai reaksi kimia seperti katalisis organik, reaksi organokatalitik, Reaksi transfer fase, sintesis nanopartikel, presipitasi / kristalisasi, reaksi sol-gel, Kopling Suzuki, Reaksi Diels-Alder, Reaksi Mannich, Penambahan Michael, kopling tipe Wurtz dan banyak lainnya. Reaksi yang dipromosikan secara sonokimia sering menunjukkan tingkat konversi yang meningkat secara signifikan, hasil yang lebih tinggi, reaksi yang dipercepat, reaksi yang lebih lengkap, dapat digunakan dengan pelarut yang lebih ringan dalam kondisi sekitar, menciptakan produk sampingan yang lebih sedikit yang tidak diinginkan dan berkontribusi karena efisiensinya yang tinggi untuk kimia hijau.

Reaktor Batch Kimia yang Digerakkan Ultrasonik

Integrasi ultrasonicator ke dalam reaktor batch terbuka atau tertutup adalah teknik yang umum diterapkan untuk mempercepat reaksi di laboratorium, pabrik percontohan dan fasilitas produksi. Tergantung pada ukuran bejana, geometri, dan sistem reaksi kimia, satu atau beberapa sonotrode dapat diintegrasikan ke dalam reaktor batch. Ultrasonikasi juga sering digunakan untuk meningkatkan reaktor yang terus diaduk (CSTR).

Reaktor Semi-Batch Ultrasonik: Tentu saja, sonikasi juga dapat diintegrasikan ke dalam reaktor semi-batch. Untuk sistem semi-batch, satu reaktan kimia dimuat ke dalam reaktor, sementara bahan kimia kedua ditambahkan pada laju aliran kontinu (misalnya, pada umpan lambat untuk mencegah reaksi samping) digabungkan di titik panas ultrasonik. Atau, produk dari reaksi kimia, yang dihasilkan dari reaksi dalam reaktor terus dihilangkan, misalnya, endapan atau kristal yang disintesis, atau zat antara produk akhir yang dapat dihilangkan karena pemisahan fase.

Reaktor Aliran Melalui Kimia yang Diaduk Ultrasonik

Dalam reaktor flow-through, juga dikenal sebagai sel aliran atau reaktor inline, reaktan diumpankan melalui satu atau beberapa port pengumpanan ke ruang reaksi, tempat reaksi kimia terjadi. Setelah waktu retensi tertentu yang diperlukan untuk reaksi tertentu terjadi, media terus menerus dibuang dari reaktornya. Sel aliran ultrasonik dan reaktor inline memungkinkan produksi produk tanpa gangguan, yang hanya bergantung pada pasokan reagen yang terus menerus.

Gambar menunjukkan Ultrasonicator UIP1000hdT dengan reaktor batch (kiri) dan dengan reaktor sel aliran untuk pemrosesan inline (kanan).

Reaktor Sono Kimia Berkinerja Tinggi

Hielscher Ultrasonics adalah produsen tepercaya Anda untuk reaktor sono-kimia dan peralatan ultrasonik berkinerja tinggi yang dapat meningkatkan reaksi kimia Anda dengan andal. Rangkaian produk Hielscher Ultrasonics mencakup berbagai jenis dan kelas sonoreaktor skala besar laboratorium dan industri untuk mode batch dan flow-through. Dengan ultrasonikasi tipe probe berkinerja tinggi Hielscher, banyak kemajuan – seperti peningkatan laju reaksi, konversi yang lebih lengkap, hasil yang lebih tinggi, kontrol reaksi yang tepat, dan efisiensi keseluruhan yang sangat baik – dapat diandalkan dicapai dalam reaktor batch dan flow-through. Dirancang untuk kinerja tinggi dan kekokohan, ultrasonicator Hielscher dan sono-reaktor dapat dipasang untuk digunakan dengan bahan kimia keras, di lingkungan yang menuntut dan aplikasi tugas berat.
Reaktor ultrasonik Hielscher dirancang dengan fokus iradiasi ultrasonik yang seragam dari media sehingga medan tekanan akustik dapat mengembang secara merata. Memenuhi persyaratan ini meningkatkan efisiensi keseluruhan reaksi sonokimia karena ultrasound mencapai intensifikasi proses tertinggi.

Pandangan skematik dari fenomena yang terjadi di reaktor sonokimia.
Gambar dan studi: ©Dahlem et al., 1999.

Rangkaian produk mencakup ultrasonicator laboratorium kompak untuk R&D, sistem ultrasonik bench-top dan pilot yang kuat serta peralatan kelas industri sepenuhnya untuk produksi volume besar. Hal ini memungkinkan pengujian kelayakan bebas risiko dalam skala kecil dan peningkatan skala linier berikutnya ke volume yang lebih besar.

Kontrol Sonikasi yang Tepat

Tampilan warna digital dan perangkat lunak pintar dengan kontrol browser jarak jauh dan protokol data otomatis pada kartu SD terintegrasi memungkinkan pengaturan dan pemantauan parameter ultrasonik yang canggih di reaktor kimia sono.
Keindahan reaksi yang digerakkan secara sonokimia adalah efisiensi yang dapat dicapai dengan andal melalui pengoptimalan proses. Amplitudo ultrasonik optimal, input daya ultrasound, suhu dan tekanan dapat ditentukan untuk setiap reaksi tertentu. Hal ini memungkinkan untuk menemukan parameter sonikasi yang ideal sehingga hasil reaksi dan efisiensi yang optimal tercapai.

kontrol suhu

Semua ultrasonicator digital kami dilengkapi dengan sensor suhu yang dapat dicolokkan untuk pemantauan suhu terus menerus, yang dapat dimasukkan ke dalam cairan untuk pengukuran suhu curah yang konstan. Perangkat lunak canggih memungkinkan pengaturan kisaran suhu. Ketika batas suhu terlampaui, ultrasonicator secara otomatis berhenti sampai suhu dalam cairan turun ke titik setel tertentu dan mulai secara otomatis sonication lagi. Semua pengukuran suhu serta data proses ultrasonik penting lainnya secara otomatis direkam pada kartu SD bawaan dan dapat direvisi dengan mudah untuk kontrol proses.
Reaktor sonokimia dari Hielscher tersedia dengan jaket pendingin. Selain itu, penukar panas dan unit chiller dapat dihubungkan untuk memastikan suhu proses yang diinginkan.

Komponen yang Tersedia untuk Merakit Reaktor Kimia yang Ideal

Portofolio besar perangkat ultrasonik, probe (sonotrode), tanduk booster, reaktor batch dan sel aliran serta berbagai aksesori tambahan memungkinkan untuk mengonfigurasi reaktor ultrasonik-kimia (sono-reaktor) yang ideal untuk proses spesifik Anda.
Semua peralatan sudah dioptimalkan untuk distribusi kavitasi akustik yang seragam dan pola aliran yang stabil, yang merupakan aspek desain terpenting untuk mendapatkan hasil yang homogen dan andal dalam reaktor kimia yang diaduk secara ultrasonik.
Oksidasi yang tidak diinginkan dapat dihindari dengan membersihkan reaktor dengan gas inert, misalnya selimut nitrogen.

Solusi yang Disesuaikan untuk Reaktor Kimia Anda

Sementara Hielscher menawarkan berbagai solusi reaktor batch dan inline dalam berbagai ukuran dan geometri, terbuat dari baja tahan karat atau kaca, kami dengan senang hati memproduksi bejana reaktor kimia khusus Anda dengan mempertimbangkan dasar-dasar analisis dan desain dari persyaratan proses spesifik Anda. Dengan tim insinyur dan pengembang teknis yang berpengalaman lama, kami merancang reaktor kimia Anda yang memenuhi permintaan Anda. Misalnya, ukuran, bahan, geometri, port pengumpanan dan pemakaian, jumlah probe ultrasonik dll dapat dirancang untuk membuat reaktor kimia yang dipromosikan secara ultrasonik yang ideal untuk proses kimia Anda.

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: