Eficiência otimizada dos reatores químicos através de ultrassonicação de alta potência

A ultrassonicação é bem conhecida por intensificar e/ou iniciar reações químicas. Por isso, a integração de ultrassons de elevado desempenho é considerada uma ferramenta fiável para melhorar o funcionamento dos reatores químicos e obter melhores resultados de reação. A Hielscher Ultrasonics oferece várias soluções de reatores para ajustar o seu processo químico. Descubra como os ultrassons podem melhorar o seu reator químico!

Como melhoram os ultrassons de potência os reatores químicos?

A integração de uma ou mais sondas ultrassónicas (sonotrodos) permite acoplar ondas ultrassónicas potentes ao reator químico. A ultrassonicação intensa de líquidos e suspensões não só cria forte turbulência devido à vibração acústica, como também é conhecida pelos seus múltiplos efeitos, definidos pelo termo «sonoquímica».

O que é a sonoquímica? Como promove as reações?

Os ultrassons de alta intensidade / alta potência são aplicados a sistemas químicos para iniciar e/ou promover reações, melhorar a taxa de conversão e os rendimentos ou alterar as vias de reação. O fenómeno físico responsável pelos efeitos sonoquímicos é a cavitação acústica. Quando ondas ultrassónicas de alta intensidade são acopladas a um meio líquido, as ondas propagam-se através do líquido, criando ciclos alternados de baixa pressão (rarefação) e alta pressão (compressão). Durante a fase de baixa pressão / rarefação, surgem no líquido minúsculas bolhas de vácuo, que crescem ao longo de vários ciclos de pressão até a bolha de vácuo atingir um ponto em que já não consegue absorver mais energia. No ponto de crescimento máximo da bolha, esta implode violentamente durante um ciclo de alta pressão. Durante o colapso implosivo da bolha, pode observar-se o fenómeno de cavitação. A cavitação ultrassónica cria os chamados «pontos quentes», caracterizados por condições extremas, como temperaturas de até ∼5000 K, com taxas de aquecimento/arrefecimento muito elevadas, de > 1000 K s^-1, pressões de até ∼1000 bar, bem como os respetivos diferenciais de temperatura e pressão. O líquido ou a suspensão são intensamente agitados por jatos de líquido e forças de cisalhamento.

Os efeitos químicos (por exemplo, a formação de espécies radicalares, a flexão de moléculas, etc.) e os efeitos físicos / físico-mecânicos da sonoquímica são aplicados com sucesso a numerosas reações químicas, como a catálise orgânica, reações organocatalíticas, reações de transferência de fase, síntese de nanopartículas, precipitação / cristalização, reações sol-gel, acoplamento de Suzuki, reações de Diels-Alder, reações de Mannich, adição de Michael, acoplamento do tipo Wurtz e muitas outras. As reações promovidas por sonoquímica apresentam frequentemente uma taxa de conversão significativamente superior, rendimentos mais elevados, uma reação acelerada e mais completa, podem ser realizadas com solventes mais suaves em condições ambientais, geram menos subprodutos indesejados e contribuem, devido à sua elevada eficiência, para a química verde.

Reatores químicos por lotes acionados por ultrassons

A integração de sonicadores em reatores por lotes abertos ou fechados é uma técnica habitualmente aplicada para acelerar reações em laboratórios, instalações-piloto e unidades de produção. Dependendo do tamanho do recipiente, da geometria e do sistema de reação química, podem ser integrados um ou vários sonotrodos no reator por lotes. A ultrassonicação também é frequentemente utilizada para melhorar os reatores de agitação contínua (CSTR).

Reatores ultrassónicos semidescontínuos: Naturalmente, a sonicação também pode ser integrada em reatores semidescontínuos. Nos sistemas semidescontínuos, um reagente químico é carregado no reator, enquanto uma segunda substância química é adicionada com um caudal contínuo (por exemplo, com uma alimentação lenta para evitar reações secundárias), combinando-se no ponto quente ultrassónico. Em alternativa, um produto de uma reação química que ocorre no reator é removido continuamente, por exemplo, precipitados ou cristais sintetizados, ou um intermediário na formação do produto final que possa ser removido devido à separação de fases.

Reator químico de fluxo contínuo agitado por ultrassons

Num reator de fluxo contínuo, também conhecido como célula de fluxo ou reator em linha, os reagentes são introduzidos através de uma ou várias entradas de alimentação na câmara de reação, onde ocorre a reação química. Após um determinado tempo de retenção necessário para que ocorra uma reação específica, o meio é descarregado continuamente do reator. As células de fluxo ultrassónicas e os reatores em linha permitem uma produção ininterrupta de produto, que depende apenas do fornecimento contínuo dos reagentes.

A imagem mostra o sonicador UIP1000hdT com reator por lotes (à esquerda) e com reator de célula de fluxo para processamento em linha (à direita).

Sonorreatores químicos de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é o seu fabricante de confiança de reatores sonoquímicos e equipamento ultrassónico de elevado desempenho que pode melhorar de forma fiável a sua reação química. A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics inclui vários tipos e classes de sonorreatores de laboratório e industriais de grande escala, para funcionamento por lotes e em fluxo contínuo. Com a ultrassonicação de elevado desempenho por sondas da Hielscher, são alcançadas de forma fiável várias melhorias – como uma maior velocidade de reação, uma conversão mais completa, rendimentos mais elevados, um controlo preciso da reação e uma excelente eficiência global – em reatores por lotes e de fluxo contínuo. Concebidos para um elevado desempenho e robustez, os sonicadores e sonorreatores Hielscher podem ser instalados para utilização com substâncias químicas agressivas, em ambientes exigentes e em aplicações de serviço pesado.
Os reatores ultrassónicos Hielscher são concebidos com especial atenção à irradiação ultrassónica uniforme do meio, para que o campo de pressão acústica se possa expandir uniformemente. O cumprimento deste requisito melhora a eficiência global da reação sonoquímica, uma vez que os ultrassons permitem alcançar a máxima intensificação do processo.

Vista esquemática dos fenómenos que ocorrem num reator sonoquímico.
Imagem e estudo: ©Dahlem et al., 1999.

A gama de produtos abrange sonicadores de laboratório compactos para I&D, sistemas ultrassónicos potentes de bancada e à escala-piloto, bem como equipamento de nível totalmente industrial para produção de grandes volumes. Isto permite realizar ensaios de viabilidade sem risco a pequena escala e, posteriormente, aumentar a escala de forma completamente linear para volumes maiores.

Controlo preciso da sonicação

O ecrã digital a cores e o software inteligente com controlo remoto através do navegador e registo automático de dados num cartão SD integrado permitem configurar e monitorizar de forma sofisticada os parâmetros ultrassónicos no reator sonoquímico.
O atrativo das reações promovidas por sonoquímica reside na eficiência que pode ser alcançada de forma fiável através da otimização do processo. É possível determinar a amplitude ultrassónica, a potência ultrassónica fornecida, a temperatura e a pressão ideais para cada reação específica. Isto permite encontrar os parâmetros de sonicação ideais para alcançar resultados e eficiência de reação ótimos.

Controlo da temperatura

Todos os nossos sonicadores digitais estão equipados com um sensor de temperatura conectável para monitorização contínua da temperatura, que pode ser inserido no líquido para medir constantemente a temperatura da massa líquida. O software sofisticado permite definir um intervalo de temperatura. Quando o limite de temperatura é ultrapassado, o sonicador interrompe automaticamente o funcionamento até que a temperatura do líquido desça até um determinado valor definido e, em seguida, retoma automaticamente a sonicação. Todas as medições de temperatura, bem como outros dados importantes do processo ultrassónico, são registadas automaticamente num cartão SD integrado e podem ser facilmente consultadas para controlo do processo.
Os reatores sonoquímicos Hielscher estão disponíveis com camisas de arrefecimento. Além disso, podem ser ligados permutadores de calor e unidades de refrigeração para garantir a temperatura de processo desejada.

Componentes prontamente disponíveis para montar o reator químico ideal

O vasto portefólio de dispositivos ultrassónicos, sondas (sonotrodos), cornetas amplificadoras, reatores por lotes e células de fluxo prontamente disponíveis, bem como numerosos acessórios adicionais, permite configurar o reator químico ultrassónico (sonorreator) ideal para o seu processo específico.
Todo o equipamento já está otimizado para uma distribuição uniforme da cavitação acústica e padrões de escoamento estáveis, que são os aspetos de conceção mais importantes para obter resultados homogéneos e fiáveis num reator químico agitado por ultrassons.
A oxidação indesejada pode ser evitada através da purga do reator com um gás inerte, por exemplo, uma atmosfera protetora de azoto.

Soluções personalizadas para o seu reator químico

Embora a Hielscher ofereça várias soluções de reatores por lotes e em linha, em diversos tamanhos e geometrias, fabricados em aço inoxidável ou vidro, teremos todo o gosto em fabricar o recipiente do seu reator químico especial, tendo em conta os fundamentos de análise e conceção dos requisitos específicos do seu processo. Com uma equipa de engenheiros e especialistas em desenvolvimento técnico com muitos anos de experiência, concebemos o seu reator químico para satisfazer as suas exigências. Por exemplo, o tamanho, o material, a geometria, as entradas de alimentação e as saídas de descarga, o número de sondas ultrassónicas, etc., podem ser definidos para criar o reator químico promovido por ultrassons ideal para o seu processo químico.

A tabela abaixo apresenta uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: