Zoptymalizowana wydajność reaktora chemicznego dzięki ultradźwiękom o dużej mocy

Wiadomo, że ultradźwięki intensyfikują i/lub inicjują reakcje chemiczne. Dlatego integracja wysokowydajnych ultradźwięków jest uważana za niezawodne narzędzie do promowania reaktorów chemicznych w celu poprawy wyników reakcji. Hielscher Ultrasonics oferuje różne rozwiązania reaktorów, aby dostosować proces chemiczny. Dowiedz się, jak ultradźwięki mogą poprawić reaktor chemiczny!

W jaki sposób ultradźwięki usprawniają reaktory chemiczne?

Integracja jednej lub więcej sond ultradźwiękowych (sonotrod) pozwala na sprzężenie silnych fal ultradźwiękowych z reaktorem chemicznym. Intensywne ultradźwięki cieczy i zawiesin nie tylko tworzą silne turbulencje z powodu wibracji akustycznych, ale są znane z wielu efektów, które są zdefiniowane pod terminem "sonochemia".

Czym jest sonochemia? W jaki sposób promuje ona reakcje?

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^-1ciśnienia do ∼1000 barów, a także odpowiednie różnice temperatur i ciśnień. Ciecz lub zawiesina jest silnie mieszana przez strumienie cieczy i siły ścinające.

Efekty chemiczne (np. powstawanie rodników, zginanie cząsteczek itp.) oraz fizyczne / fizyko-mechaniczne efekty sonochemii są z powodzeniem stosowane w wielu reakcjach chemicznych, takich jak kataliza organiczna, reakcje organokatalityczne, Reakcje przeniesienia fazowego, synteza nanocząstek, wytrącanie / krystalizacja, reakcje zol-żel, Sprzęgło Suzuki, Reakcje Dielsa-Aldera, Reakcje Mannicha, Michael Addition, sprzęganie typu Wurtza i wiele innych. Reakcje promowane sonochemicznie często wykazują znacznie zwiększony współczynnik konwersji, wyższą wydajność, przyspieszoną reakcję, bardziej kompletną reakcję, mogą być stosowane z łagodniejszymi rozpuszczalnikami w warunkach otoczenia, wytwarzają mniej niepożądanych produktów ubocznych i przyczyniają się ze względu na wysoką wydajność do zielonej chemii.

Reaktory wsadowe napędzane ultradźwiękami

Integracja ultradźwięków w otwartych lub zamkniętych reaktorach wsadowych jest powszechnie stosowaną techniką przyspieszania reakcji w laboratoriach, zakładach pilotażowych i zakładach produkcyjnych. W zależności od wielkości naczynia, geometrii i systemu reakcji chemicznej, jedna lub wiele sonotrod może być zintegrowanych z reaktorem wsadowym. Ultradźwięki są również często stosowane w celu poprawy Reaktory z ciągłym mieszaniem (CSTR).

Ultradźwiękowe reaktory półzakresowe: Oczywiście, ultradźwięki mogą być również zintegrowane z reaktorami pół wsadowymi. W przypadku systemów pół wsadowych, jeden reagent chemiczny jest ładowany do reaktora, podczas gdy druga substancja chemiczna jest dodawana przy ciągłym natężeniu przepływu (na przykład przy powolnym podawaniu, aby zapobiec reakcjom ubocznym), łącząc się w gorącym punkcie ultradźwiękowym. Alternatywnie, produkt reakcji chemicznej, który wynika z reakcji w reaktorze, jest stale usuwany, np. zsyntetyzowane osady lub kryształy, lub półprodukt produktu końcowego, który można usunąć z powodu separacji faz.

Przepływowy reaktor chemiczny z atomizacją ultradźwiękową

W reaktorze przepływowym, znanym również jako komora przepływowa lub reaktor liniowy, reagenty są podawane przez jeden lub wiele portów zasilających do komory reakcyjnej, w której zachodzi reakcja chemiczna. Po określonym czasie retencji, który jest potrzebny do zajścia określonej reakcji, medium jest w sposób ciągły odprowadzane z reaktora. Ultradźwiękowe komory przepływowe i reaktory liniowe pozwalają na nieprzerwaną produkcję produktu, która zależy wyłącznie od ciągłego dostarczania odczynników.

Zdjęcie przedstawia Ultradźwiękowiec UIP1000hdT z reaktorem wsadowym (po lewej) i z reaktorem z komorą przepływową do przetwarzania inline (po prawej).

Wysokowydajne sonoreaktory chemiczne

Hielscher Ultrasonics jest zaufanym producentem reaktorów sonochemicznych i wysokowydajnych urządzeń ultradźwiękowych, które mogą niezawodnie poprawić reakcję chemiczną. Asortyment produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje różne typy i klasy laboratoryjnych i przemysłowych sonoreaktorów wielkoskalowych do pracy w trybie wsadowym i przepływowym. Dzięki wysokowydajnej sondzie ultradźwiękowej typu Hielscher, wiele postępów – takie jak zwiększona szybkość reakcji, pełniejsza konwersja, wyższa wydajność, precyzyjna kontrola reakcji i doskonała ogólna wydajność. – są niezawodnie osiągane w reaktorach wsadowych i przepływowych. Zaprojektowane z myślą o wysokiej wydajności i wytrzymałości, ultradźwięki i sono-reaktory Hielscher mogą być instalowane do stosowania z agresywnymi chemikaliami, w wymagających środowiskach i ciężkich zastosowaniach.
Reaktory ultradźwiękowe Hielscher są zaprojektowane z naciskiem na równomierne napromieniowanie ultradźwiękowe medium, tak aby pole ciśnienia akustycznego mogło się równomiernie rozszerzać. Spełnienie tego wymogu poprawia ogólną wydajność reakcji sonochemicznej, ponieważ ultradźwięki osiągają najwyższą intensyfikację procesu.

Schematyczny widok zjawisk zachodzących w reaktorze sonochemicznym.
Zdjęcie i opracowanie: ©Dahlem et al., 1999.

Asortyment produktów obejmuje kompaktowe ultradźwięki laboratoryjne do R&D, wydajne stacjonarne i pilotażowe systemy ultradźwiękowe, a także w pełni przemysłowy sprzęt do produkcji wielkoseryjnej. Pozwala to na pozbawione ryzyka testowanie wykonalności na małą skalę, a następnie całkowicie liniowe skalowanie do większych objętości.

Precyzyjna kontrola sonikacji

Cyfrowy kolorowy wyświetlacz i inteligentne oprogramowanie ze zdalnym sterowaniem przez przeglądarkę i automatycznym protokołowaniem danych na zintegrowanej karcie SD umożliwiają zaawansowane ustawianie i monitorowanie parametrów ultradźwiękowych w reaktorze sonochemicznym.
Piękno reakcji napędzanych sonochemicznie polega na wydajności, którą można niezawodnie osiągnąć poprzez optymalizację procesu. Dla każdej konkretnej reakcji można określić optymalną amplitudę ultradźwięków, moc wejściową ultradźwięków, temperaturę i ciśnienie. Pozwala to na znalezienie idealnych parametrów sonikacji, tak aby uzyskać optymalne wyniki reakcji i wydajność.

kontrola temperatury

Wszystkie nasze cyfrowe ultradźwięki są wyposażone w podłączany czujnik temperatury do ciągłego monitorowania temperatury, który można włożyć do cieczy w celu ciągłego pomiaru temperatury nasypowej. Zaawansowane oprogramowanie umożliwia ustawienie zakresu temperatury. Po przekroczeniu limitu temperatury ultradźwiękowiec automatycznie zatrzymuje się, aż temperatura w cieczy obniży się do określonego punktu nastawy i ponownie rozpocznie automatyczną sonikację. Wszystkie pomiary temperatury, a także inne ważne dane procesu ultradźwiękowego są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD i mogą być łatwo przeglądane w celu kontroli procesu.
Reaktory sonochemiczne firmy Hielscher są dostępne z płaszczami chłodzącymi. Dodatkowo można podłączyć wymienniki ciepła i agregaty chłodnicze, aby zapewnić pożądaną temperaturę procesu.

Łatwo dostępne komponenty do stworzenia idealnego reaktora chemicznego

Szeroka gama łatwo dostępnych urządzeń ultradźwiękowych, sond (sonotrod), klaksonów wspomagających, reaktorów wsadowych i komórek przepływowych, a także liczne dodatkowe akcesoria pozwalają skonfigurować idealny reaktor ultradźwiękowo-chemiczny (sono-reaktor) dla konkretnego procesu.
Cały sprzęt jest już zoptymalizowany pod kątem równomiernego rozkładu kawitacji akustycznej i stabilnych wzorców przepływu, które są najważniejszymi aspektami projektowania w celu uzyskania jednorodnych, wiarygodnych wyników w mieszanym ultradźwiękowo reaktorze chemicznym.
Niepożądanego utleniania można uniknąć poprzez przedmuchanie reaktora gazem obojętnym, np. kocem azotowym.

Indywidualne rozwiązania dla reaktorów chemicznych

Podczas gdy Hielscher oferuje różne rozwiązania reaktorów wsadowych i liniowych w różnych rozmiarach i geometriach, wykonane ze stali nierdzewnej lub szkła, z przyjemnością wyprodukujemy specjalny zbiornik reaktora chemicznego, biorąc pod uwagę podstawy analizy i projektowania specyficznych wymagań procesowych. Dzięki doświadczonemu zespołowi inżynierów i programistów projektujemy reaktory chemiczne spełniające wymagania klientów. Na przykład rozmiar, materiał, geometria, porty zasilające i wyładowcze, liczba sond ultradźwiękowych itp. mogą być zaprojektowane w celu stworzenia idealnego reaktora chemicznego promowanego ultradźwiękami dla procesu chemicznego.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: