L'ultrasuonazione è ben nota per intensificare e/o avviare reazioni chimiche. Pertanto, l'integrazione di ultrasuoni ad alte prestazioni è considerata come uno strumento affidabile per promuovere i reattori chimici per migliorare i risultati di reazione. Hielscher Ultrasonics offre varie soluzioni di reattori per mettere a punto il tuo processo chimico. Scopri come gli ultrasuoni possono migliorare il tuo reattore chimico!

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

L'integrazione di una o più sonde a ultrasuoni (sonotrodi) permette di accoppiare potenti onde a ultrasuoni nel reattore chimico. L'intensa ultrasonicazione di liquidi e fanghi non solo crea forti turbolenze dovute alla vibrazione acustica, ma è nota per molteplici effetti, che sono definiti sotto il termine "sonochemistry".

Che cos'è la sonochimica? Come promuove le reazioni?

Gli ultrasuoni ad alta intensità / ultrasuoni ad alta potenza vengono applicati ai sistemi chimici per avviare e/o promuovere le reazioni, migliorare il tasso di conversione e i rendimenti o per cambiare i percorsi di reazione. Il fenomeno fisico responsabile degli effetti sonochimici è la cavitazione acustica. Quando onde ultrasonore ad alta intensità sono accoppiate in un mezzo liquido, le onde viaggiano attraverso il liquido creando cicli alternati di bassa pressione (rarefazione) e alta pressione (compressione). Durante la bassa pressione / rarefazione, nel liquido si formano minuscole bolle di vuoto, che crescono per diversi cicli di pressione fino a quando la bolla di vuoto raggiunge un punto in cui non può assorbire ulteriore energia. Al punto di massima crescita della bolla, 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", che sono caratterizzati da condizioni estreme come una temperatura fino a ∼5000 K con tassi di riscaldamento/raffreddamento molto elevati di > 1000 K s^-1Il liquido o lo slurry viene agitato pesantemente da getti di liquido e da forze di taglio, con pressioni fino a ∼1000 bar e rispettivi differenziali di temperatura e pressione. Il liquido o lo slurry è fortemente agitato da getti di liquido e forze di taglio.

Gli effetti chimici (per esempio, la formazione di specie radicali, la flessione delle molecole ecc.) e gli effetti fisici / fisico-meccanici della sonochimica sono applicati con successo a numerose reazioni chimiche come la catalisi organica, reazioni organocatalitiche, Reazioni di trasferimento di fase, sintesi delle nanoparticelle, Precipitazione/cristallizzazione, reazioni sol-gel, Accoppiamento Suzuki, Reazioni Diels-Alder, Reazioni di Mannich, Aggiunta di Michael, accoppiamento di tipo Wurtz e molti altri. Le reazioni promosse dal sonochem mostrano spesso un tasso di conversione significativamente aumentato, rendimenti più alti, reazione accelerata, reazione più completa, possono essere usate con solventi più blandi in condizioni ambientali, creano meno sottoprodotti indesiderati e contribuiscono grazie alla loro alta efficienza alla chimica verde.

Reattori chimici a batch azionati da ultrasuoni

L'integrazione di ultrasuoni in reattori batch aperti o chiusi è una tecnica comunemente applicata per accelerare le reazioni in laboratori, impianti pilota e di produzione. A seconda delle dimensioni del recipiente, della geometria e del sistema di reazione chimica, uno o più sonotrodi possono essere integrati nel reattore batch. L'ultrasuonazione è spesso usata anche per migliorare reattori ad agitazione continua (CSTR).

Reattori semi-batch a ultrasuoni: Naturalmente, la sonicazione può anche essere integrata in reattori semi-batch. Per i sistemi semi-batch, un reagente chimico viene caricato nel reattore, mentre una seconda sostanza chimica viene aggiunta a un flusso continuo (per esempio, a un'alimentazione lenta per prevenire reazioni collaterali) e combinata nel punto caldo ultrasonico. In alternativa, un prodotto di una reazione chimica, che risulta dalla reazione nel reattore viene continuamente rimosso, ad esempio, precipitati o cristalli sintetizzati, o un intermedio del prodotto finale che può essere rimosso a causa della separazione di fase.

Reattore chimico a flusso passante con agitazione a ultrasuoni

In un reattore flow-through, noto anche come cella di flusso o reattore in linea, i reagenti vengono alimentati attraverso una o più porte di alimentazione nella camera di reazione, dove avviene la reazione chimica. Dopo un certo tempo di ritenzione necessario per una specifica reazione, il mezzo viene continuamente scaricato dal reattore. Le celle a flusso ultrasonico e i reattori in linea permettono una produzione ininterrotta di prodotto, che dipende solo dalla fornitura continua dei reagenti.

L'immagine mostra il ultrasuoni UIP1000hdT con reattore a batch (sinistra) e con reattore a cella di flusso per l'elaborazione in linea (destra).

Sono-Reattori chimici ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è il vostro produttore di fiducia di reattori sono-chimici e di apparecchiature ad ultrasuoni ad alte prestazioni che possono migliorare in modo affidabile la vostra reazione chimica. La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics comprende vari tipi e classi di sonoreattori da laboratorio e industriali su larga scala per modalità batch e flow-through. Con gli ultrasuoni Hielscher ad alte prestazioni di tipo sonda, molteplici progressi – come una migliore velocità di reazione, una conversione più completa, rendimenti più elevati, un controllo preciso della reazione e un'eccellente efficienza complessiva – sono ottenuti in modo affidabile in reattori batch e flow-through. Progettati per alte prestazioni e robustezza, gli ultrasuoni e i sono-reattori Hielscher possono essere installati per l'uso con sostanze chimiche aggressive, in ambienti esigenti e applicazioni pesanti.
I reattori a ultrasuoni Hielscher sono progettati con l'obiettivo di un'irradiazione ultrasonica uniforme del mezzo in modo che il campo di pressione acustica possa espandersi uniformemente. Soddisfare questo requisito migliora l'efficienza complessiva della reazione sonochimica, poiché gli ultrasuoni raggiungono la massima intensificazione del processo.

Vista schematica dei fenomeni che avvengono in un reattore sonochemico.
Immagine e studio: ©Dahlem et al., 1999.

La gamma di prodotti copre gli ultrasuoni compatti da laboratorio per R&D, potenti sistemi a ultrasuoni da banco e pilota, nonché attrezzature di grado completamente industriale per la produzione di grandi volumi. Questo permette test di fattibilità senza rischi su piccola scala e il successivo scale-up completamente lineare a volumi maggiori.

Controllo preciso della sonicazione

Il display digitale a colori e il software intelligente con controllo remoto tramite browser e protocollatura automatica dei dati su una scheda SD integrata consentono un'impostazione e un monitoraggio sofisticati dei parametri ultrasonici nel reattore sono-chimico.
La bellezza delle reazioni guidate da ultrasuoni è l'efficienza che può essere raggiunta in modo affidabile attraverso l'ottimizzazione del processo. L'ampiezza ottimale degli ultrasuoni, la potenza di ingresso degli ultrasuoni, la temperatura e la pressione possono essere determinate per ogni particolare reazione. Questo permette di trovare i parametri di sonicazione ideali in modo da ottenere risultati di reazione ed efficienza ottimali.

controllo della temperatura

Tutti i nostri ultrasuoni digitali sono dotati di un sensore di temperatura collegabile per il monitoraggio continuo della temperatura, che può essere inserito nel liquido per la misurazione costante della temperatura di massa. Un software sofisticato permette l'impostazione di un intervallo di temperatura. Quando il limite di temperatura viene superato, l'ultrasuonatore si ferma automaticamente fino a quando la temperatura nel liquido si è abbassata ad un certo punto stabilito e ricomincia automaticamente a sonicare. Tutte le misurazioni della temperatura e altri importanti dati di processo ad ultrasuoni sono registrati automaticamente su una scheda SD integrata e possono essere rivisti facilmente per il controllo del processo.
I reattori sonochimici della Hielscher sono disponibili con camicie di raffreddamento. Inoltre, è possibile collegare scambiatori di calore e unità di raffreddamento per garantire la temperatura di processo desiderata.

Componenti facilmente disponibili per assemblare il reattore chimico ideale

L'ampia gamma di dispositivi a ultrasuoni, sonde (sonotrodi), trombe di spinta, reattori batch e celle di flusso, nonché numerosi accessori aggiuntivi, consentono di configurare il reattore chimico a ultrasuoni (sono-reactor) ideale per il vostro processo specifico.
Tutta l'attrezzatura è già ottimizzata per una distribuzione uniforme della cavitazione acustica e modelli di flusso stabili, che sono gli aspetti di progettazione più importanti per ottenere risultati omogenei e affidabili in un reattore chimico agitato a ultrasuoni.
L'ossidazione indesiderata può essere evitata spurgando il reattore con un gas inerte, per esempio una coperta di azoto.

Soluzioni personalizzate per il vostro reattore chimico

Mentre la Hielscher offre varie soluzioni di reattori batch e in linea in varie dimensioni e geometrie, in acciaio inossidabile o vetro, siamo lieti di produrre il vostro reattore chimico speciale tenendo conto dell'analisi e dei fondamenti di progettazione delle vostre specifiche esigenze di processo. Con un team di ingegneri e sviluppatori tecnici di lunga esperienza, progettiamo il vostro reattore chimico soddisfacendo le vostre richieste. Per esempio, le dimensioni, il materiale, la geometria, le porte di alimentazione e di scarico, il numero di sonde a ultrasuoni, ecc. possono essere progettati per realizzare il reattore chimico ad ultrasuoni ideale per il vostro processo chimico.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: