Efficienza ottimizzata dei reattori chimici mediante ultrasuoni ad alta potenza

È noto che la sonicazione intensifica e/o avvia le reazioni chimiche. Pertanto, l’integrazione di ultrasuoni ad alte prestazioni è considerata uno strumento affidabile per potenziare i reattori chimici e migliorare i risultati delle reazioni. Hielscher Ultrasonics offre diverse soluzioni di reattori per ottimizzare il vostro processo chimico. Scoprite come gli ultrasuoni possono migliorare il vostro reattore chimico!

In che modo gli ultrasuoni di potenza migliorano i reattori chimici?

L’integrazione di una o più sonde a ultrasuoni (sonotrodi) consente di accoppiare potenti onde ultrasoniche al mezzo nel reattore chimico. La sonicazione intensa di liquidi e sospensioni non solo crea forti turbolenze dovute alle vibrazioni acustiche, ma è nota anche per molteplici effetti, raggruppati sotto il termine «sonochimica».

Che cos’è la sonochimica? In che modo favorisce le reazioni?

Gli ultrasuoni ad alta intensità / ad alta potenza vengono applicati ai sistemi chimici per avviare e/o favorire le reazioni, migliorare il tasso di conversione e le rese oppure modificare i percorsi di reazione. Il fenomeno fisico responsabile degli effetti sonochimici è la cavitazione acustica. Quando le onde ultrasoniche ad alta intensità vengono accoppiate a un mezzo liquido, si propagano nel liquido creando cicli alternati di bassa pressione (rarefazione) e alta pressione (compressione). Durante la fase di bassa pressione / rarefazione, nel liquido si formano minuscole bolle di vuoto, che crescono nel corso di diversi cicli di pressione finché raggiungono un punto in cui non possono più assorbire energia. Al punto di massima espansione, la bolla implode violentemente durante un ciclo di alta pressione. Durante il collasso implosivo della bolla si può osservare il fenomeno della cavitazione. La cavitazione ultrasonica crea i cosiddetti «punti caldi», caratterizzati da condizioni estreme, quali temperature fino a ∼5000 K con velocità di riscaldamento/raffreddamento molto elevate, > 1000 K s^-1, pressioni fino a ∼1000 bar e i corrispondenti differenziali di temperatura e pressione. Il liquido o la sospensione viene agitato intensamente da getti di liquido e forze di taglio.

Gli effetti chimici (ad esempio la formazione di specie radicaliche, la flessione delle molecole ecc.) e gli effetti fisici / fisico-meccanici della sonochimica vengono applicati con successo a numerose reazioni chimiche, quali la catalisi organica, le reazioni organocatalitiche, le reazioni a trasferimento di fase, la sintesi di nanoparticelle, la precipitazione / cristallizzazione, le reazioni sol-gel, l’accoppiamento di Suzuki, le reazioni di Diels-Alder, le reazioni di Mannich, l’addizione di Michael, l’accoppiamento di tipo Wurtz e molte altre. Le reazioni favorite dalla sonochimica mostrano spesso un tasso di conversione significativamente maggiore, rese più elevate e reazioni più rapide e complete; possono essere condotte con solventi meno aggressivi in condizioni ambientali, generano meno sottoprodotti indesiderati e, grazie alla loro elevata efficienza, contribuiscono alla chimica verde.

Reattori chimici batch azionati mediante ultrasuoni

L’integrazione di sonicatori in reattori batch aperti o chiusi è una tecnica comunemente utilizzata per accelerare le reazioni nei laboratori, negli impianti pilota e negli stabilimenti di produzione. A seconda delle dimensioni del recipiente, della geometria e del sistema di reazione chimica, nel reattore batch è possibile integrare uno o più sonotrodi. La sonicazione viene inoltre spesso utilizzata per migliorare i reattori ad agitazione continua (CSTR).

Reattori semi-batch a ultrasuoni: Naturalmente, la sonicazione può essere integrata anche nei reattori semi-batch. Nei sistemi semi-batch, un reagente chimico viene caricato nel reattore, mentre una seconda sostanza chimica viene aggiunta con una portata continua (ad esempio con un’alimentazione lenta per evitare reazioni collaterali), combinandosi con il primo nel punto caldo ultrasonico. In alternativa, un prodotto della reazione chimica che avviene nel reattore viene rimosso continuamente, ad esempio precipitati o cristalli sintetizzati, oppure un intermedio del prodotto finale che può essere rimosso mediante separazione di fase.

Reattore chimico a flusso continuo agitato mediante ultrasuoni

In un reattore a flusso continuo, noto anche come cella di flusso o reattore in linea, i reagenti vengono introdotti attraverso una o più porte di alimentazione nella camera di reazione, dove avviene la reazione chimica. Dopo un determinato tempo di permanenza necessario affinché avvenga una specifica reazione, il mezzo viene scaricato continuamente dal reattore. Le celle di flusso a ultrasuoni e i reattori in linea consentono una produzione ininterrotta del prodotto, che dipende soltanto dall’alimentazione continua dei reagenti.

L’immagine mostra il sonicatore UIP1000hdT con reattore batch (a sinistra) e con reattore a cella di flusso per il trattamento in linea (a destra).

Sonoreattori chimici ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è il vostro produttore di fiducia di reattori sonochimici e apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni in grado di migliorare in modo affidabile la vostra reazione chimica. La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics comprende diversi tipi e classi di sonoreattori da laboratorio e industriali su larga scala, per il funzionamento in batch e a flusso continuo. Con la sonicazione a sonda ad alte prestazioni di Hielscher, nei reattori batch e a flusso continuo si ottengono in modo affidabile molteplici miglioramenti – quali una maggiore velocità di reazione, una conversione più completa, rese più elevate, un controllo preciso della reazione e un’eccellente efficienza complessiva. Progettati per offrire alte prestazioni e robustezza, i sonicatori e i sonoreattori Hielscher possono essere installati per l’uso con sostanze chimiche aggressive, in ambienti impegnativi e in applicazioni gravose.
I reattori a ultrasuoni Hielscher sono progettati ponendo particolare attenzione all’irradiazione ultrasonica uniforme del mezzo, affinché il campo di pressione acustica possa espandersi in modo uniforme. Il rispetto di questo requisito migliora l’efficienza complessiva della reazione sonochimica, poiché gli ultrasuoni consentono di ottenere la massima intensificazione del processo.

Rappresentazione schematica dei fenomeni che si verificano in un reattore sonochimico.
Immagine e studio: ©Dahlem et al., 1999.

La gamma di prodotti comprende sonicatori compatti da laboratorio per R&S, potenti sistemi a ultrasuoni da banco e pilota, nonché apparecchiature pienamente idonee all’impiego industriale per la produzione di grandi volumi. Ciò consente di effettuare prove di fattibilità su piccola scala senza rischi e, successivamente, un aumento di scala completamente lineare verso volumi maggiori.

Controllo preciso della sonicazione

Il display digitale a colori e il software intelligente, con controllo remoto tramite browser e registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata, consentono un’impostazione e un monitoraggio avanzati dei parametri ultrasonici nel reattore sonochimico.
Il pregio delle reazioni indotte dalla sonochimica è l’efficienza che si può ottenere in modo affidabile mediante l’ottimizzazione del processo. Per ogni specifica reazione è possibile determinare l’ampiezza ultrasonica, la potenza ultrasonica immessa, la temperatura e la pressione ottimali. Ciò consente di individuare i parametri di sonicazione ideali per ottenere risultati di reazione ed efficienza ottimali.

Controllo della temperatura

Tutti i nostri sonicatori digitali sono dotati di un sensore di temperatura collegabile per il monitoraggio continuo della temperatura, che può essere inserito nel liquido per misurare costantemente la temperatura della massa liquida. Un software avanzato consente di impostare un intervallo di temperatura. Quando viene superato il limite di temperatura, il sonicatore si mette automaticamente in pausa finché la temperatura del liquido non scende a un determinato valore impostato, quindi riprende automaticamente la sonicazione. Tutte le misurazioni della temperatura e gli altri dati importanti del processo ultrasonico vengono registrati automaticamente su una scheda SD integrata e possono essere consultati facilmente per il controllo del processo.
I reattori sonochimici Hielscher sono disponibili con camicie di raffreddamento. È inoltre possibile collegare scambiatori di calore e unità refrigeranti per garantire la temperatura di processo desiderata.

Componenti prontamente disponibili per assemblare il reattore chimico ideale

L’ampia gamma di dispositivi a ultrasuoni, sonde (sonotrodi), amplificatori meccanici di ampiezza, reattori batch e celle di flusso prontamente disponibili, nonché i numerosi accessori aggiuntivi, consentono di configurare il reattore chimico a ultrasuoni (sonoreattore) ideale per il vostro processo specifico.
Tutte le apparecchiature sono già ottimizzate per una distribuzione uniforme della cavitazione acustica e per regimi di flusso stabili, che costituiscono gli aspetti progettuali più importanti per ottenere risultati omogenei e affidabili in un reattore chimico agitato mediante ultrasuoni.
L’ossidazione indesiderata può essere evitata purgando il reattore con un gas inerte, ad esempio mediante una copertura di azoto.

Soluzioni personalizzate per il vostro reattore chimico

Oltre a offrire diverse soluzioni di reattori batch e in linea, in varie dimensioni e geometrie, realizzati in acciaio inossidabile o vetro, Hielscher è lieta di produrre il recipiente del vostro reattore chimico speciale, tenendo conto dell’analisi e dei principi progettuali relativi ai requisiti specifici del vostro processo. Con un team di ingegneri e sviluppatori tecnici di lunga esperienza, progettiamo il vostro reattore chimico per soddisfare le vostre esigenze. Ad esempio, le dimensioni, il materiale, la geometria, le porte di alimentazione e scarico, il numero di sonde a ultrasuoni ecc. possono essere progettati per realizzare il reattore chimico intensificato mediante ultrasuoni ideale per il vostro processo chimico.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: