Ķīmisko reaktoru efektivitātes optimizēšana ar lieljaudas ultraskaņas apstrādi

Ir labi zināms, ka apstrāde ar ultraskaņu intensificē un/vai ierosina ķīmiskās reakcijas. Tādēļ augstas veiktspējas ultraskaņas integrēšana tiek uzskatīta par uzticamu līdzekli ķīmisko reaktoru darbības uzlabošanai, lai panāktu labākus reakciju rezultātus. Hielscher Ultrasonics piedāvā dažādus reaktoru risinājumus jūsu ķīmiskā procesa pilnveidošanai. Uzziniet, kā ultraskaņa var uzlabot jūsu ķīmiskā reaktora darbību!

Kā lieljaudas ultraskaņa uzlabo ķīmisko reaktoru darbību?

Vienas vai vairāku ultraskaņas zonžu (sonotrožu) integrēšana ļauj ievadīt ķīmiskajā reaktorā spēcīgus ultraskaņas viļņus. Intensīva šķidrumu un suspensiju apstrāde ar ultraskaņu ne tikai rada spēcīgu turbulenci akustisko svārstību ietekmē, bet ir pazīstama arī ar daudziem efektiem, kurus apzīmē ar terminu „sonoķīmija”.

Kas ir sonoķīmija? Kā tā veicina reakcijas?

Augstas intensitātes ultraskaņu / lieljaudas ultraskaņu izmanto ķīmiskajās sistēmās, lai ierosinātu un/vai veicinātu reakcijas, uzlabotu konversijas ātrumu un iznākumu vai mainītu reakciju norises ceļus. Fizikālā parādība, kas izraisa sonoķīmiskos efektus, ir akustiskā kavitācija. Kad šķidrā vidē ievada augstas intensitātes ultraskaņas viļņus, tie izplatās šķidrumā, radot pārmaiņus zema spiediena (retinājuma) un augsta spiediena (saspieduma) ciklus. Zema spiediena / retinājuma laikā šķidrumā rodas sīki vakuuma burbulīši, kas aug vairāku spiediena ciklu laikā, līdz vakuuma burbulītis sasniedz stāvokli, kurā tas vairs nespēj absorbēt enerģiju. Sasniedzis maksimālo izmēru, burbulītis augsta spiediena cikla laikā strauji sabrūk uz iekšu. Šīs implozīvās burbulīša sabrukšanas laikā var novērot kavitācijas parādību. Ultraskaņas kavitācija rada tā sauktos „karstos punktus”, kuriem raksturīgi ekstremāli apstākļi, piemēram, temperatūra līdz ∼5000 K ar ļoti lielu uzsilšanas/atdzišanas ātrumu > 1000 K s^-1, spiediens līdz ∼1000 bar, kā arī attiecīgas temperatūras un spiediena starpības. Šķidruma strūklas un bīdes spēki intensīvi samaisa šķidrumu vai suspensiju.

Sonoķīmijas ķīmiskos efektus (piemēram, radikāļu veidošanos, molekulu liekšanos u. c.) un fizikālos / fizikāli mehāniskos efektus sekmīgi izmanto daudzās ķīmiskajās reakcijās, piemēram, organiskajā katalīzē, organokatalītiskajās reakcijās, fāžu pārneses reakcijās, nanodaļiņu sintēzē, izgulsnēšanā / kristalizācijā, sola–gēla reakcijās, Suzuki savienošanas reakcijā, Dīlsa–Oldera reakcijās, Manniha reakcijās, Mihaela pievienošanās reakcijā, Virca tipa savienošanas reakcijās un daudzās citās. Sonoķīmiski veicinātām reakcijām bieži raksturīgs ievērojami lielāks konversijas ātrums, augstāks iznākums, paātrināta un pilnīgāka reakcijas norise; tās var veikt ar maigākas iedarbības šķīdinātājiem apkārtējās vides apstākļos, tās rada mazāk nevēlamu blakusproduktu un savas augstās efektivitātes dēļ sekmē zaļo ķīmiju.

Ķīmiskie periodiskas darbības reaktori ar ultraskaņas iedarbību

Ultraskaņas apstrādes ierīču integrēšana atvērtos vai slēgtos periodiskas darbības reaktoros ir plaši izmantota metode reakciju paātrināšanai laboratorijās, pilotiekārtās un ražotnēs. Atkarībā no tvertnes izmēra, ģeometrijas un ķīmiskās reakcijas sistēmas periodiskas darbības reaktorā var integrēt vienu vai vairākas sonotrodes. Apstrādi ar ultraskaņu bieži izmanto arī, lai uzlabotu nepārtraukti maisāmos reaktorus (CSTR).

Ultraskaņas pusperiodiskas darbības reaktori: Protams, apstrādi ar ultraskaņu var integrēt arī pusperiodiskas darbības reaktoros. Pusperiodiskas darbības sistēmās vienu ķīmisko reaģentu iepilda reaktorā, bet otru ķīmisko vielu pievieno ar nemainīgu plūsmas ātrumu (piemēram, lēni padodot, lai novērstu blakusreakcijas), abām vielām savienojoties ultraskaņas karstajā punktā. Alternatīvi nepārtraukti izvada reaktorā notiekošās ķīmiskās reakcijas produktu, piemēram, sintezētas nogulsnes vai kristālus, vai gala produkta starpproduktu, ko var izvadīt fāžu atdalīšanās rezultātā.

Ar ultraskaņu maisīts ķīmiskais caurplūdes reaktors

Caurplūdes reaktorā, ko dēvē arī par plūsmas šūnu vai plūsmā iebūvētu reaktoru, reaģentus caur vienu vai vairākām padeves atverēm ievada reakcijas kamerā, kur notiek ķīmiskā reakcija. Pēc noteikta uzturēšanās laika, kas nepieciešams konkrētās reakcijas norisei, vidi nepārtraukti izvada no reaktora. Ultraskaņas plūsmas šūnas un plūsmā iebūvēti reaktori nodrošina nepārtrauktu produkta ražošanu, kas ir atkarīga tikai no nepārtrauktas reaģentu padeves.

Attēlā redzama ultraskaņas apstrādes ierīce UIP1000hdT ar periodiskas darbības reaktoru (pa kreisi) un ar plūsmas šūnas reaktoru apstrādei plūsmā (pa labi).

Augstas veiktspējas ķīmiskie sonoreaktori

Hielscher Ultrasonics ir jūsu uzticamais sonoķīmisko reaktoru un augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtu ražotājs; šīs iekārtas var uzticami uzlabot jūsu ķīmisko reakciju. Hielscher Ultrasonics produktu klāstā ir dažādu tipu un klašu laboratorijas sonoreaktori un liela mēroga rūpnieciskie sonoreaktori darbam periodiskā un caurplūdes režīmā. Izmantojot Hielscher augstas veiktspējas apstrādi ar ultraskaņas zondi, periodiskas darbības un caurplūdes reaktoros tiek uzticami panākti vairāki uzlabojumi – piemēram, lielāks reakcijas ātrums, pilnīgāka konversija, lielāks iznākums, precīza reakcijas kontrole un izcila kopējā efektivitāte. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces un sonoreaktori ir izstrādāti augstai veiktspējai un izturībai, un tos var uzstādīt darbam ar agresīvām ķīmiskām vielām, prasīgos vides apstākļos un lielas slodzes lietojumos.
Hielscher ultraskaņas reaktori ir izstrādāti, īpašu uzmanību pievēršot vienmērīgai vides apstarošanai ar ultraskaņu, lai akustiskā spiediena lauks varētu vienmērīgi izplatīties. Šīs prasības izpilde uzlabo sonoķīmiskās reakcijas kopējo efektivitāti, jo ultraskaņa nodrošina visaugstāko procesa intensifikāciju.

Sonoķīmiskajā reaktorā notiekošo parādību shematisks attēlojums.
Attēls un pētījums: ©Dahlem et al., 1999.

Produktu klāsts aptver kompaktas laboratorijas ultraskaņas apstrādes ierīces pētniecībai un izstrādei, jaudīgas galda un pilotmēroga ultraskaņas sistēmas, kā arī pilnībā rūpnieciskām prasībām atbilstošas iekārtas liela apjoma ražošanai. Tas ļauj bez riska pārbaudīt procesa īstenojamību mazā mērogā un pēc tam pilnīgi lineāri palielināt mērogu līdz lielākiem tilpumiem.

Precīza apstrādes ar ultraskaņu kontrole

Digitālais krāsu displejs un viedā programmatūra ar attālinātu vadību pārlūkprogrammā un automātisku datu reģistrēšanu integrētā SD kartē ļauj detalizēti iestatīt un uzraudzīt ultraskaņas parametrus sonoķīmiskajā reaktorā.
Sonoķīmiski veicinātu reakciju pievilcība ir efektivitāte, ko var uzticami sasniegt, optimizējot procesu. Katrai konkrētajai reakcijai var noteikt optimālo ultraskaņas amplitūdu, ievadīto ultraskaņas jaudu, temperatūru un spiedienu. Tas ļauj atrast ideālos apstrādes ar ultraskaņu parametrus, lai sasniegtu optimālus reakcijas rezultātus un efektivitāti.

Temperatūras kontrole

Visi mūsu digitālie ultraskaņas procesori ir aprīkoti ar pieslēdzamu temperatūras sensoru nepārtrauktai temperatūras uzraudzībai, ko var ievietot šķidrumā, lai pastāvīgi mērītu šķidruma pamatmasas temperatūru. Pilnveidota programmatūra ļauj iestatīt temperatūras diapazonu. Kad temperatūras robežvērtība tiek pārsniegta, ultraskaņas procesors automātiski pārtrauc darbību, līdz šķidruma temperatūra ir pazeminājusies līdz noteiktai iestatītajai vērtībai, un tad automātiski atsāk apstrādi ar ultraskaņu. Visi temperatūras mērījumi, kā arī citi svarīgi ultraskaņas procesa dati tiek automātiski ierakstīti iebūvētā SD kartē, un tos var viegli pārskatīt procesa kontroles vajadzībām.
Hielscher sonoķīmiskie reaktori ir pieejami ar dzesēšanas apvalkiem. Papildus var pievienot siltummaiņus un dzesēšanas iekārtas, lai nodrošinātu vēlamo procesa temperatūru.

Viegli pieejami komponenti ideāla ķīmiskā reaktora komplektēšanai

Plašais viegli pieejamo ultraskaņas ierīču, zonžu (sonotrodu), amplitūdas pastiprinātāju, periodiskas darbības reaktoru un plūsmas šūnu klāsts, kā arī daudzi papildu piederumi ļauj konfigurēt ideālu ultraskaņas ķīmisko reaktoru (sonoreaktoru) jūsu konkrētajam procesam.
Visas iekārtas jau ir optimizētas vienmērīgam akustiskās kavitācijas sadalījumam un stabiliem plūsmas režīmiem, kas ir svarīgākie konstrukcijas aspekti viendabīgu, uzticamu rezultātu iegūšanai ar ultraskaņu maisītā ķīmiskajā reaktorā.
Nevēlamu oksidēšanos var novērst, caurpūšot reaktoru ar inertu gāzi, piemēram, izveidojot slāpekļa aizsargatmosfēru.

Pielāgoti risinājumi jūsu ķīmiskajam reaktoram

Lai gan Hielscher piedāvā dažādus no nerūsējošā tērauda vai stikla izgatavotus periodiskas darbības un plūsmas līnijā integrējamus reaktorus dažādos izmēros un ar dažādu ģeometriju, mēs labprāt izgatavosim jūsu īpašo ķīmiskā reaktora tvertni, ņemot vērā jūsu konkrētā procesa prasību analīzi un projektēšanas pamatprincipus. Mūsu inženieru un tehnisko izstrādātāju komanda ar ilggadēju pieredzi projektēs jūsu prasībām atbilstošu ķīmisko reaktoru. Piemēram, izmēru, materiālu, ģeometriju, padeves un izplūdes atveres, ultraskaņas zonžu skaitu u. c. var paredzēt tā, lai jūsu ķīmiskajam procesam izveidotu ideālu ķīmisko reaktoru, kura darbību veicina ultraskaņa.

Tālāk redzamajā tabulā ir sniegts priekšstats par mūsu ultraskaņas procesoru aptuveno apstrādes jaudu: