高出力超音波処理による化学反応器の効率最適化

超音波処理は、化学反応を促進したり開始させたりすることがよく知られています。そのため、高性能超音波の導入は、化学反応器の働きを高め、反応結果を改善するための信頼できる手段と考えられています。Hielscher Ultrasonicsは、お客様の化学プロセスを調整するためのさまざまな反応器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！

高出力超音波は化学反応器をどのように改善するのでしょうか？

一本以上の超音波プローブ（ソノトロード）を組み込むことで、強力な超音波を化学反応器内に結合できます。液体やスラリーへの強力な超音波処理は、音響振動によって強い乱流を生み出すだけでなく、「ソノケミストリー」と総称されるさまざまな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でしょうか？反応をどのように促進するのでしょうか？

高強度超音波／高出力超音波は、反応を開始したり促進したりするため、転化率や収率を向上させるため、または反応経路を切り替えるために化学系に適用されます。ソノケミストリー効果を引き起こす物理現象は、音響キャビテーションです。高強度超音波を液体媒体に結合すると、超音波は液体中を伝播し、低圧（希薄化）と高圧（圧縮）のサイクルを交互に生み出します。低圧／希薄化の間に、液体中に微小な真空気泡が生じます。この気泡は数回の圧力サイクルにわたって成長し、それ以上エネルギーを吸収できなくなる点に達します。気泡が最大限に成長した時点で、高圧サイクル中に激しく圧壊します。この気泡の圧壊時に、キャビテーションという現象が観察されます。超音波キャビテーションは、いわゆる「ホットスポット」を生み出します。これは、最大∼5000 Kの温度、> 1000 K s^-1という非常に高い加熱／冷却速度、最大∼1000 barの圧力、さらにそれぞれの温度差と圧力差といった極端な条件を特徴とします。液体やスラリーは、液体ジェットとせん断力によって激しく撹拌されます。

ソノケミストリーの化学的効果（ラジカル種の生成、分子の変形など）および物理的／物理機械的効果は、有機触媒作用、 有機触媒反応, 相間移動反応, ナノ粒子合成, 沈殿／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, マイケル付加、ウルツ型カップリングなど、多数の化学反応に有効に適用されています。ソノケミストリーによって促進される反応は、多くの場合、転化率の大幅な向上、収率の向上、反応の加速、より完全な反応を示します。また、常温常圧の条件下でより穏やかな溶媒を使用でき、不要な副生成物の生成が少なく、その高い効率によってグリーンケミストリーに貢献します。

超音波で駆動する化学バッチ反応器

開放型または密閉型のバッチ反応器に超音波処理装置を組み込むことは、研究室、パイロットプラント、生産施設で反応を加速するために広く用いられている手法です。容器の大きさ、形状、化学反応系に応じて、一本または複数のソノトロードをバッチ反応器に組み込むことができます。超音波処理は、 連続撹拌反応器 （CSTR）の改善にもよく用いられます。

超音波セミバッチ反応器： もちろん、超音波処理はセミバッチ反応器にも組み込めます。セミバッチ系では、一種類の化学反応物を反応器に投入し、もう一種類の化学物質を連続的な流量で添加して（例えば、副反応を防ぐためにゆっくり供給して）、超音波ホットスポット内で混合します。別の方法として、反応器内の反応で生じた化学反応生成物を連続的に取り出します。例えば、合成された沈殿物や結晶、または相分離によって取り出せる最終生成物の形成過程における中間体などが該当します。

超音波で撹拌する化学フロー式反応器

フローセルまたはインライン反応器とも呼ばれるフロー式反応器では、反応物を一つまたは複数の供給ポートから反応室に送り込み、そこで化学反応が起こります。特定の反応に必要な一定の滞留時間を経た後、媒体は反応器から連続的に排出されます。超音波フローセルとインライン反応器は、試薬の連続供給のみに依存する、途切れることのない製品生産を可能にします。

写真は、 超音波処理装置UIP1000hdT にバッチ反応器を組み合わせた構成（左）と、インライン処理用のフローセル反応器を組み合わせた構成（右）を示しています。

高性能な化学ソノリアクター

Hielscher Ultrasonicsは、お客様の化学反応を確実に改善できるソノケミカル反応器と高性能超音波装置を製造する、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式で使用する、研究室用から産業用の大規模装置まで、さまざまな種類とクラスのソノリアクターが含まれています。Hielscherの高性能プローブ型超音波処理によって、バッチ反応器とフロー式反応器で、反応速度の向上、より完全な転化、収率の向上、精密な反応制御、優れた総合効率など、多様な改善を確実に実現できます。高性能と堅牢性を重視して設計されたHielscherの超音波処理装置とソノリアクターは、過酷な化学薬品を使用する環境、厳しい環境、高負荷の用途にも設置できます。
Hielscherの超音波反応器は、音圧場が均等に広がるように、媒体への均一な超音波照射を重視して設計されています。この要件を満たすと、超音波によって最高のプロセス強化が達成されるため、ソノケミカル反応の総合効率が向上します。

ソノケミカル反応器内で起こる現象の模式図。
図および研究：©Dahlem et al., 1999.

製品群には、研究開発用のコンパクトな研究室用超音波処理装置、強力な卓上型およびパイロット用超音波システム、大量生産用の本格的な産業グレードの装置が含まれます。これにより、小規模でリスクのない実現可能性試験を行い、その後、より大きな容量へ完全に線形のスケールアップを行うことができます。

超音波処理の精密な制御

デジタルカラーディスプレイと、ブラウザーによる遠隔制御および内蔵SDカードへの自動データ記録に対応したスマートソフトウェアにより、ソノケミカル反応器内の超音波パラメータを高度に設定・監視できます。
ソノケミストリーによって駆動される反応の魅力は、プロセスの最適化を通じて確実に達成できる効率にあります。各反応について、最適な超音波振幅、超音波入力電力、温度、圧力を決定できます。これにより、理想的な超音波処理パラメータを見いだし、最適な反応結果と効率を達成できます。

温度制御

当社のすべてのデジタル超音波処理装置には、連続温度監視用の着脱式温度センサーが装備されており、液体に挿入してバルク温度を常時測定できます。高度なソフトウェアにより、温度範囲を設定できます。温度上限を超えると、超音波処理装置は、液体の温度が所定の設定値まで下がるまで自動的に一時停止し、その後、超音波処理を自動的に再開します。すべての温度測定値と、その他の重要な超音波プロセスデータは、内蔵SDカードに自動的に記録され、プロセス制御のために容易に確認できます。
Hielscherのソノケミカル反応器は、冷却ジャケット付きで提供できます。さらに、熱交換器やチラーユニットを接続して、所望のプロセス温度を確保できます。

理想的な化学反応器を組み立てるための、容易に入手できる構成部品

容易に入手できる超音波装置、プローブ（ソノトロード）、ブースターホーン、バッチ反応器、フローセルの幅広い製品群と、多数の追加アクセサリーにより、お客様の特定のプロセスに適した理想的な超音波化学反応器（ソノリアクター）を構成できます。
すべての装置は、音響キャビテーションの均一な分布と安定した流れのパターンを得られるように、すでに最適化されています。これらは、超音波で撹拌する化学反応器で均一かつ信頼性の高い結果を得るための、最も重要な設計要素です。
例えば窒素ブランケットのように、不活性ガスで反応器をパージすることで、不要な酸化を防止できます。

お客様の化学反応器に合わせたカスタムソリューション

Hielscherは、ステンレス鋼製またはガラス製で、さまざまな大きさや形状のバッチ式およびインライン式反応器ソリューションを提供しています。また、お客様固有のプロセス要件の分析と設計の基本事項を考慮した、特別な化学反応器容器の製造にも喜んで対応します。長年の経験を持つエンジニアと技術開発者のチームが、お客様の要求を満たす化学反応器を設計します。例えば、大きさ、材質、形状、供給・排出ポート、超音波プローブの本数などを設計することで、お客様の化学プロセスに理想的な、超音波で反応を促進する化学反応器を製作できます。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。