Wiadomo, że ultradźwięki intensyfikują i/lub inicjują reakcje chemiczne. Dlatego też integracja wysokowydajnych ultradźwięków jest uważana za niezawodne narzędzie do wspierania reaktorów chemicznych w celu uzyskania lepszych wyników reakcji. Firma Hielscher Ultrasonics oferuje różne rozwiązania w zakresie reaktorów, aby udoskonalić Twój proces chemiczny. Dowiedz się, jak ultradźwięki mogą ulepszyć Twój reaktor chemiczny!

Jak ultradźwięki o dużej mocy usprawniają reaktory chemiczne?

Zintegrowanie jednej lub kilku sond ultradźwiękowych (sonotrod) pozwala na sprzężenie silnych fal ultradźwiękowych w reaktorze chemicznym. Intensywna ultradźwiękowa obróbka cieczy i zawiesin nie tylko powoduje silne turbulencje w wyniku drgań akustycznych, ale jest znana z wielu efektów, które są zdefiniowane pod pojęciem "sonochemii".

Co to jest sonochemia? Jak wspomaga reakcje?

Ultradźwięki o wysokim natężeniu / ultradźwięki o dużej mocy są stosowane w układach chemicznych w celu zainicjowania i/lub promowania reakcji, zwiększenia stopnia konwersji i wydajności lub przełączania ścieżek reakcji. Zjawiskiem fizycznym odpowiedzialnym za efekty sonochemiczne jest kawitacja akustyczna. Kiedy fale ultradźwiękowe o wysokim natężeniu są sprzężone z ciekłym medium, fale przemieszczają się przez ciecz tworząc naprzemienne cykle niskiego ciśnienia (rarefakcja) i wysokiego ciśnienia (kompresja). Podczas niskiego ciśnienia / rarefakcji, w cieczy powstają drobne pęcherzyki próżniowe, które rosną przez kilka cykli ciśnieniowych, aż do momentu, gdy pęcherzyk próżniowy osiągnie punkt, w którym nie może absorbować dalszej energii. W punkcie maksymalnego wzrostu pęcherzyków, pęcherzyk imploduje gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Podczas implozyjnego zapadania się pęcherzyka można zaobserwować zjawisko kawitacji. Kawitacja ultradźwiękowa tworzy tzw. "gorące punkty", które charakteryzują się ekstremalnymi warunkami, takimi jak temperatura do ∼ 5000 K z bardzo dużymi szybkościami nagrzewania/chłodzenia > 1000 K s^-1ciśnienia do ∼ 1000 barów, jak również odpowiednie różnice temperatur i ciśnień. Ciecz lub zawiesina jest silnie mieszana przez strumienie cieczy i siły ścinające.

Efekty chemiczne (np. tworzenie rodników, uelastycznianie molekuł itp.) i 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, Sprzęg Suzuki, Reakcje Dielsa-Aldera, Reakcje Mannicha, Dodatek Michaela, sprzęganie typu Wurtza i wiele innych. Reakcje promowane sonochemicznie często charakteryzują się znacznie zwiększonym współczynnikiem konwersji, wyższą wydajnością, przyspieszoną reakcją, bardziej kompletną reakcją, mogą być stosowane z łagodniejszymi rozpuszczalnikami w warunkach otoczenia, tworzą mniej niepożądanych produktów ubocznych i przyczyniają się ze względu na swoją wysoką wydajność do zielonej chemii.

Reaktory wsadowe napędzane ultradźwiękami

Integracja ultradźwiękowców w otwartych lub zamkniętych reaktorach okresowych jest powszechnie stosowaną techniką przyspieszania reakcji w laboratoriach, instalacjach pilotażowych i zakładach produkcyjnych. W zależności od wielkości zbiornika, geometrii i systemu reakcji chemicznej, w reaktorze wsadowym może być zintegrowana jedna lub kilka sonotrod. Ultradźwięki są również często stosowane do poprawy reaktory z ciągłym mieszaniem (CSTR).

Ultradźwiękowe reaktory półseryjne: Oczywiście sonikacja może być również zintegrowana z reaktorami półseryjnymi. W przypadku systemów półsubstratowych, jedna substancja chemiczna jest ładowana do reaktora, podczas gdy druga substancja chemiczna jest dodawana w sposób ciągły (np. przy powolnym podawaniu, aby zapobiec reakcjom ubocznym) i łączona w gorącym punkcie ultradźwiękowym. Alternatywnie, produkt reakcji chemicznej, który powstaje w wyniku reakcji w reaktorze jest w sposób ciągły usuwany, np. zsyntetyzowane osady lub kryształy, lub półprodukt produktu końcowego, który może być usunięty ze względu na separację faz.

Przepływowy reaktor chemiczny z ultradźwiękami

W reaktorze przepływowym, znanym również jako komórka przepływowa lub reaktor liniowy, reagenty są doprowadzane przez jeden lub wiele portów zasilających do komory reakcyjnej, gdzie zachodzi reakcja chemiczna. Po upływie określonego czasu retencji, który jest potrzebny do zajścia określonej reakcji, medium jest w sposób ciągły odprowadzane z reaktora. Ultradźwiękowe komory przepływowe i reaktory inline pozwalają na nieprzerwaną produkcję produktu, która jest uzależniona jedynie od ciągłego dostarczania reagentów.

Na zdjęciu widać ultradźwiękowiec UIP1000hdT z reaktorem wsadowym (po lewej) i z reaktorem z komorą przepływową do przetwarzania w linii (po prawej).

Wysokowydajne chemiczne sono-reaktory

Hielscher Ultrasonics jest zaufanym producentem reaktorów sonochemicznych i wysokowydajnych urządzeń ultradźwiękowych, które w niezawodny sposób poprawiają przebieg reakcji chemicznych. Asortyment produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje różne typy i klasy laboratoryjnych i przemysłowych sonoreaktorów wielkoskalowych do pracy w trybie wsadowym i przepływowym. Wysokowydajne ultradźwięki sondowe firmy Hielscher umożliwiają osiągnięcie wielu postępów – takie jak zwiększona szybkość reakcji, pełniejsza konwersja, wyższa wydajność, precyzyjna kontrola reakcji i doskonała ogólna wydajność – są niezawodnie osiągane w reaktorach okresowych i przepływowych. Zaprojektowane z myślą o wysokiej wydajności i solidności, ultradźwiękowe urządzenia Hielscher i reaktory soniczne mogą być instalowane do pracy z trudnymi chemikaliami, w wymagających środowiskach i ciężkich zastosowaniach.
Reaktory ultradźwiękowe firmy Hielscher są projektowane z myślą o równomiernym naświetlaniu medium ultradźwiękami, tak aby pole ciśnienia akustycznego mogło się równomiernie rozszerzać. Spełnienie tego warunku zwiększa ogólną efektywność reakcji sonochemicznej, ponieważ ultradźwięki osiągają najwyższą intensywność procesu.

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

Asortyment produktów obejmuje kompaktowe ultradźwięki laboratoryjne dla R&D, wydajne systemy ultradźwiękowe do zastosowań laboratoryjnych i pilotażowych, jak również w pełni przemysłowe urządzenia do produkcji wielkoseryjnej. Pozwala to na pozbawione ryzyka testowanie wykonalności w małej skali, a następnie całkowicie liniowe zwiększanie skali do większych ilości.

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 sono-chemicznym.
Piękno reakcji napędzanych sonochemicznie polega na wydajności, którą można niezawodnie osiągnąć poprzez optymalizację procesu. Optymalna amplituda ultradźwięków, moc wejściowa ultradźwięków, temperatura i ciśnienie mogą być określone dla każdej konkretnej reakcji. Pozwala to na znalezienie idealnych parametrów sonikacji, tak aby osiągnąć optymalne wyniki reakcji i wydajność.

kontrola temperatury

Wszystkie nasze cyfrowe ultradźwięki są wyposażone w czujnik temperatury do ciągłej kontroli temperatury, który może być umieszczony w cieczy w celu ciągłego pomiaru temperatury nasypowej. Zaawansowane oprogramowanie umożliwia ustawienie zakresu temperatury. Po przekroczeniu temperatury granicznej ultradźwiękowiec automatycznie przerywa pracę, aż temperatura w cieczy obniży się do określonego punktu nastawy i ponownie rozpoczyna automatyczną sonikację. Wszystkie pomiary temperatury jak również inne ważne dane procesowe ultradźwięków są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD i mogą być w prosty sposób przeglądane w celu kontroli procesu.
Reaktory sonochemiczne firmy Hielscher są dostępne z płaszczem chłodzącym. Dodatkowo można podłączyć wymienniki ciepła i agregaty chłodnicze w celu zapewnienia żądanej temperatury procesu.

Łatwo dostępne komponenty do złożenia idealnego reaktora chemicznego

Szeroka gama dostępnych urządzeń ultradźwiękowych, sond (sonotrod), rogów wspomagających, reaktorów porcjowych i cel przepływowych oraz licznych akcesoriów dodatkowych pozwala na skonfigurowanie idealnego reaktora ultradźwiękowo-chemicznego (sono-reaktora) dla konkretnego procesu.
Wszystkie urządzenia są już zoptymalizowane pod kątem równomiernego rozkładu kawitacji akustycznej i stabilnych wzorców przepływu, które są najważniejszymi aspektami projektowania w celu uzyskania jednorodnych, niezawodnych wyników w reaktorze chemicznym z mieszaniem ultradźwiękowym.
Niepożądanego utleniania można uniknąć przez przedmuchiwanie reaktora gazem obojętnym, np. azotem.

Indywidualne rozwiązania dla Twojego reaktora chemicznego

Podczas gdy Hielscher oferuje różne rozwiązania reaktorów okresowych i liniowych w różnych rozmiarach i geometriach, wykonanych ze stali nierdzewnej lub szkła, chętnie wyprodukujemy dla Państwa specjalny zbiornik reaktora chemicznego, uwzględniając analizę i podstawy projektowe Państwa specyficznych wymagań procesowych. Dzięki wieloletniemu doświadczonemu zespołowi inżynierów i projektantów technicznych, zaprojektujemy Państwa reaktor chemiczny spełniający Państwa wymagania. Na przykład, rozmiar, materiał, geometria, porty zasilające i wylotowe, liczba sond ultradźwiękowych itp. mogą być zaprojektowane w celu stworzenia idealnego reaktora chemicznego z promowaniem ultradźwiękowym dla Twojego procesu chemicznego.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: