高出力超音波処理による化学反応器効率の最適化

超音波は、化学反応を強めたり、開始させたりすることがよく知られている。したがって、高性能超音波の統合は、化学反応器を促進し、反応結果を改善するための信頼できるツールと考えられています。Hielscher Ultrasonicsは、化学プロセスを微調整するための様々なリアクターソリューションを提供しています。超音波が化学反応器をどのように改善できるかをご覧ください！

パワー超音波は化学反応器をどのように改善するか？

1つまたは複数の超音波プローブ（ソノトロード）を統合することで、化学反応器に強力な超音波を結合させることができます。液体やスラリーへの強力な超音波照射は、音響振動による強い乱流を発生させるだけでなく、「ソノケミストリー」という用語で定義される複数の効果をもたらすことが知られています。

ソノケミストリーとは何か？どのように反応を促進するのか？

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最大約1000barの圧力、温度差、圧力差があります。液体またはスラリーは、液体ジェットとせん断力によって激しく攪拌されます。

ソノケミストリーの化学的効果（ラジカル種の形成、分子の屈曲など）と物理的／物理機械的効果は、有機触媒反応など数多くの化学反応にうまく応用されている、 有機触媒反応, 相間移動反応, ナノ粒子合成, 析出／結晶化, ゾル-ゲル反応, 鈴木カップリング, ディールス・アルダー反応, マンニッヒ反応, マイケル・アディショナルやWurtz-typeカップリング、その他多数。ソノケミカルで促進される反応は、多くの場合、転化率の大幅な上昇、収率の向上、反応の促進、反応の完全化、周囲条件下での温和な溶媒の使用、不要な副生成物の生成の減少、グリーンケミストリーへの高い貢献などを示す。

超音波駆動化学バッチリアクター

開放型または閉鎖型バッチ反応器への超音波発生装置の統合は、実験室、パイロットプラント、生産設備において反応を促進するために一般的に適用されている技術です。容器のサイズ、形状、化学反応システムに応じて、1本または複数のソノトロードをバッチリアクターに組み込むことができます。超音波照射はまた、以下の改善にもよく使用されます。 連続攪拌反応器 (CSTR）。

超音波セミバッチリアクター： もちろん、超音波処理をセミバッチ反応器に組み込むこともできる。セミバッチシステムの場合、一つの化学反応物が反応器に投入され、一方、第二の化学反応物が連続流量で添加され（例えば、副反応を防ぐためにゆっくり供給される）、超音波ホットスポットで結合される。あるいは、反応器での反応から生じる化学反応の生成物が連続的に除去される。例えば、合成された沈殿物や結晶、あるいは相分離によって除去できる最終生成物の中間体などである。

超音波攪拌化学フロースルー反応器

フローセルまたはインラインリアクタとしても知られるフロースルー反応器では、反応物は1つまたは複数の供給ポートから反応チャンバに供給され、そこで化学反応が起こる。特定の反応が起こるのに必要な一定の保持時間の後、媒体は反応器から連続的に排出される。超音波フローセルとインライン・リアクターは、試薬の連続供給のみに依存する製品の連続生産を可能にする。

写真は 超音波発生装置 UIP1000hdT バッチリアクター（左）とインライン処理用フローセルリアクター（右）。

高性能化学ソノリアクター

Hielscher Ultrasonics社は、化学反応を確実に改善するソノケミカルリアクターと高性能超音波装置の信頼できるメーカーです。Hielscher Ultrasonicsの製品群には、バッチ式およびフロースルー式のラボ用および工業用大型ソノリアクターの様々なタイプとクラスがあります。Hielscher の高性能プローブ式超音波処理装置により、様々な進歩がもたらされます。 – 反応速度の向上、より完全な転化、高い収率、正確な反応制御、優れた総合効率など – は、バッチ反応器やフロースルー反応器で確実に達成されます。高性能で堅牢に設計されたHielscherの超音波発生装置とソノリアクターは、過酷な化学薬品、厳しい環境、過酷な用途に設置できます。
Hielscher社の超音波リアクターは、音圧場が均一に広がるように、媒質への均一な超音波照射に重点を置いて設計されています。この要求を満たすことで、超音波が最高のプロセス強度を達成するため、超音波化学反応の全体的な効率が向上します。

ソノケミカル反応器内で起こる現象の模式図。
写真と研究：©Dahlem et al.

製品レンジは、R.I.およびR.I.用のコンパクトなラボ用超音波発生装置をカバーしています。&D、強力なベンチトップ超音波システム、パイロット超音波システム、そして大量生産用の完全工業用装置。これにより、小スケールでのリスクフリーの実現可能性試験と、それに続く大容量への完全に直線的なスケールアップが可能になります。

正確なソニケーション・コントロール

デジタルカラーディスプレイと、リモートブラウザコントロールと内蔵SDカードへの自動データプロトコール機能を備えたスマートソフトウェアにより、ソノケミカルリアクター内の超音波パラメーターの高度な設定とモニタリングが可能です。
超音波駆動反応の優れた点は、プロセスの最適化によって確実に達成できる効率性である。各反応に最適な超音波振幅、超音波パワー入力、温度、圧力を決定することができます。これにより、最適な超音波処理パラメーターを見つけ、最適な反応結果と効率を達成することができます。

温度調節

すべてのデジタル超音波装置は、連続温度モニタリング用のプラグ式温度センサーを装備しており、液中に挿入してバルク温度を常時測定することができます。洗練されたソフトウェアにより、温度範囲の設定が可能です。制限温度を超えると、液中温度がある設定値まで下がるまで超音波振動子は自動的に一時停止し、再び自動的に超音波振動を開始します。すべての温度測定とその他の重要な超音波プロセスデータは、内蔵のSDカードに自動的に記録され、プロセス制御のために簡単に修正することができます。
Hielscher 社のソノケミカルリアクターは、冷却ジャケットを装備しています。さらに、熱交換器やチラーユニットを接続することで、必要なプロセス温度を確保することができます。

理想的な化学反応器を組み立てるための、入手しやすいコンポーネント

容易に入手可能な超音波装置、プローブ（ソノトロード）、ブースターホーン、バッチリアクター、フローセル、さらに数多くのアクセサリーの豊富なラインナップにより、お客様の特定のプロセスに理想的な超音波化学リアクター（ソノリアクター）を構成することができます。
すべての装置は、超音波攪拌化学反応器において均質で信頼性の高い結果を得るために最も重要な設計面である、音響キャビテーションの均一な分布と安定したフローパターンに最適化済みです。
反応器を不活性ガス、例えば窒素ブランケットでパージすることで、不要な酸化を避けることができる。

化学反応器のカスタマイズソリューション

Hielscherは、ステンレス鋼やガラスから作られた様々なサイズと形状で、様々なバッチ反応器やインライン反応器のソリューションを提供する一方で、お客様の特定のプロセス要件の分析と設計の基礎を考慮して、お客様の特別な化学反応器を喜んで製造します。長年経験を積んだエンジニアと技術開発者のチームにより、お客様のご要望に応じた化学反応器を設計します。例えば、サイズ、材質、形状、供給口と排出口、超音波プローブの数など、お客様の化学プロセスに理想的な超音波促進化学反応器を作るために設計することができます。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：