Ottimizzazione dell'efficienza del reattore chimico mediante ultrasuoni ad alta potenza

È noto che gli ultrasuoni intensificano e/o avviano le reazioni chimiche. Pertanto, l'integrazione di ultrasuoni ad alte prestazioni è considerata uno strumento affidabile per promuovere 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 ultrasonore nel reattore chimico. L'intensa ultrasonicazione di liquidi e fanghi non solo crea forti turbolenze dovute alle vibrazioni acustiche, ma è nota per i suoi molteplici effetti, che sono definiti con il termine "sionochimica".

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

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, 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 (ad esempio, la formazione di specie radicali, la flessione delle molecole, ecc.) e 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 di nanoparticelle, precipitazione / cristallizzazione, reazioni sol-gel, Accoppiamento Suzuki, Reazioni di Diels-Alder, Reazioni di Mannich, Aggiunta di Michael, accoppiamento di tipo Wurtz e molti altri. Le reazioni promosse per via sonica mostrano spesso un tasso di conversione significativamente maggiore, rese più elevate, reazione accelerata, reazione più completa, possono essere utilizzate con solventi più blandi in condizioni ambientali, creano meno sottoprodotti indesiderati e contribuiscono, grazie alla loro elevata efficienza, alla chimica verde.

Reattori chimici batch a 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 stabilimenti di produzione. A seconda delle dimensioni del recipiente, della geometria e del sistema di reazione chimica, è possibile integrare uno o più sonotrodi nel reattore batch. L'ultrasuonoterapia viene spesso utilizzata anche per migliorare 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 un secondo reagente chimico viene aggiunto a flusso continuo (ad esempio, con un'alimentazione lenta per evitare reazioni collaterali) e combinato nel punto caldo a ultrasuoni. In alternativa, un prodotto di una reazione chimica, che risulta dalla reazione nel reattore, viene rimosso in modo continuo, 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 continuo con agitazione a ultrasuoni

In un reattore a flusso continuo, noto anche come cella a flusso o reattore in linea, i reagenti vengono immessi attraverso una o più porte di alimentazione nella camera di reazione, dove avviene la reazione chimica. Dopo un certo tempo di ritenzione, necessario affinché si verifichi una reazione specifica, il fluido viene scaricato in modo continuo dal reattore. Le celle a flusso ultrasonico e i reattori in linea consentono una produzione ininterrotta di prodotti, che dipende solo dalla fornitura continua di reagenti.

L'immagine mostra il Ultrasuonatore UIP1000hdT con reattore batch (a sinistra) e con reattore a celle di flusso per il trattamento in linea (a destra).

Sono-Reattori chimici ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è il produttore di fiducia di reattori sonochimici e di apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni in grado di migliorare in modo affidabile le reazioni chimiche. La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics comprende vari tipi e classi di reattori a ultrasuoni da laboratorio e industriali su larga scala per la modalità batch e flow-through. Con gli ultrasuoni a sonda ad alte prestazioni di Hielscher, i progressi sono molteplici. – come una migliore velocità di reazione, una conversione più completa, rese più elevate, un controllo preciso della reazione e un'eccellente efficienza complessiva. – sono ottenuti in modo affidabile in reattori batch e a flusso continuo. Progettati per garantire elevate prestazioni e robustezza, gli ultrasuoni e i reattori Hielscher possono essere installati per l'uso con prodotti chimici aggressivi, in ambienti difficili e per 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. Il soddisfacimento di questo requisito migliora l'efficienza complessiva della reazione stereochimica, poiché gli ultrasuoni raggiungono la massima intensificazione del processo.

Schema dei fenomeni che avvengono in un reattore stereo.
Immagine e studio: ©Dahlem et al., 1999.

La gamma di prodotti comprende ultrasuonatori da laboratorio compatti per R&D, potenti sistemi a ultrasuoni da banco e pilota, nonché apparecchiature di livello completamente industriale per la produzione di grandi volumi. Ciò consente di effettuare test di fattibilità senza rischi su piccola scala e di passare successivamente in modo completamente lineare a volumi maggiori.

Controllo preciso della sonicazione

Il display digitale a colori e il software intelligente con controllo remoto via browser e protocollaggio automatico dei dati su una scheda SD integrata consentono un'impostazione e un monitoraggio sofisticati dei parametri ultrasonici nel reattore sonochimico.
La bellezza delle reazioni sonochemiche è l'efficienza che si può ottenere in modo affidabile attraverso l'ottimizzazione del processo. È possibile determinare l'ampiezza ottimale degli ultrasuoni, la potenza assorbita dagli ultrasuoni, la temperatura e la pressione per ogni particolare reazione. Ciò consente di trovare i parametri di sonicazione ideali per ottenere risultati di reazione ed efficienza ottimali.

Controllo della temperatura

Tutti i nostri ultrasonori 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 di massa. Un software sofisticato consente di impostare un intervallo di temperatura. Quando il limite di temperatura viene superato, l'ultrasonorizzatore si ferma automaticamente fino a quando la temperatura del liquido si abbassa a un determinato punto stabilito e ricomincia a sonicare automaticamente. Tutte le misure di temperatura e altri importanti dati di processo a ultrasuoni vengono registrati automaticamente su una scheda SD integrata e possono essere rivisti facilmente per il controllo del processo.
I reattori sionochimici di 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 reperibili per assemblare il reattore chimico ideale

L'ampia gamma di dispositivi a ultrasuoni, sonde (sonotrodi), trombe di amplificazione, reattori batch e celle di flusso, nonché numerosi accessori aggiuntivi, consente di configurare il reattore chimico a ultrasuoni (sono-reactor) ideale per il vostro processo specifico.
Tutte le apparecchiature sono già ottimizzate per una distribuzione uniforme della cavitazione acustica e per modelli di flusso stabili, che sono gli aspetti progettuali 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, ad esempio una coltre di azoto.

Soluzioni personalizzate per il vostro reattore chimico

Hielscher offre diverse soluzioni di reattori batch e in linea in varie dimensioni e geometrie, realizzati in acciaio inossidabile o vetro, ma siamo lieti di produrre il vostro reattore chimico speciale tenendo conto dei fondamenti di analisi e progettazione dei vostri requisiti specifici di processo. Grazie a un team di ingegneri e sviluppatori tecnici di lunga esperienza, progettiamo il vostro reattore chimico in base alle vostre esigenze. Ad 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 a ultrasuoni ideale per il vostro processo chimico.

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