Eficiência do reator químico otimizado por ultrassom de alta potência

Ultrasonication é bem conhecido para intensificar e / ou iniciar reações químicas. Portanto, a integração de ultrassom de alto desempenho é considerada como uma ferramenta confiável para promover reatores químicos para melhores resultados de reação. Hielscher Ultrasonics oferece várias soluções de reator para ajustar o seu processo químico. Saiba como o ultrassom pode melhorar o seu reator químico!

Como é que os ultra-sons de potência melhoram os reactores químicos?

A integração de uma ou mais sondas ultra-sónicas (sonotrodos) permite acoplar poderosas ondas de ultra-sons no reator químico. A ultrassonografia intensa de líquidos e lamas não só cria fortes turbulências devido à vibração acústica, mas é conhecida por múltiplos efeitos, que são definidos sob o termo "sonoquímica".

O que é sonoquímica? Como é que promove as reacções?

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^-1pressões de até ∼1000 bar, bem como os respectivos diferenciais de temperatura e pressão. O líquido ou lama é fortemente agitado por jactos de líquido e forças de cisalhamento.

Os efeitos químicos (por exemplo, a formação de espécies radicais, a flexão de moléculas, etc.) e os efeitos físicos / físico-mecânicos da sonoquímica são aplicados com sucesso a numerosas reacções químicas, como a catálise orgânica, reacções organocatalíticas, Reacções de transferência de fase, síntese de nanopartículas, precipitação / cristalização, reacções sol-gel, Acoplamento Suzuki, Reacções de Diels-Alder, Reacções de Mannich, Aditamento Michaelacoplamento do tipo Wurtz e muitos outros. As reacções promovidas por sonoquímica apresentam frequentemente uma taxa de conversão significativamente maior, rendimentos mais elevados, reação acelerada, reação mais completa, podem ser utilizadas com solventes mais suaves em condições ambientais, criam menos subprodutos indesejados e contribuem, devido à sua elevada eficiência, para a química verde.

Reactores químicos descontínuos acionados por ultra-sons

A integração de ultrassons em reactores descontínuos abertos ou fechados é uma técnica comummente aplicada para acelerar reacções em laboratórios, instalações piloto e instalações de produção. Dependendo do tamanho do recipiente, da geometria e do sistema de reação química, um ou vários sonotrodos podem ser integrados no reator descontínuo. A ultrassonografia é também frequentemente utilizada para melhorar reactores de agitação contínua (CSTR).

Reactores ultra-sónicos de semi-batelada: Naturalmente, a sonicação também pode ser integrada em reactores de semi-batelada. Para sistemas de semi-batelada, um reagente químico é carregado no reator, enquanto um segundo produto químico é adicionado a uma taxa de fluxo contínuo (por exemplo, a uma alimentação lenta para evitar reacções laterais) ficando combinado no ponto quente ultrassónico. Em alternativa, um produto de uma reação química, que resulta da reação no reator, é continuamente removido, por exemplo, precipitados ou cristais sintetizados, ou um produto final intermédio que pode ser removido devido à separação de fases.

Reator de fluxo químico agitado por ultra-sons

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

A imagem mostra o ultrassonicador UIP1000hdT com reator descontínuo (esquerda) e com reator de célula de fluxo para processamento em linha (direita).

Sono-reactores químicos de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é o seu fabricante de confiança para reactores sonoquímicos e equipamento ultrassónico de alto desempenho que pode melhorar de forma fiável a sua reação química. A gama de produtos Hielscher Ultrasonics inclui vários tipos e classes de sonoreactores laboratoriais e industriais de grande escala para o modo batch e flow-through. Com a ultrassonografia de alto desempenho do tipo sonda da Hielscher, vários avanços – tais como melhor velocidade de reação, conversão mais completa, rendimentos mais elevados, controlo preciso da reação e excelente eficiência global – são alcançados de forma fiável em reactores descontínuos e de fluxo contínuo. Concebidos para um elevado desempenho e robustez, os ultrassonicadores e sono-reactores Hielscher podem ser instalados para utilização com produtos químicos agressivos, em ambientes exigentes e em aplicações pesadas.
reatores ultra-sônicos Hielscher são projetados com foco de uma irradiação ultra-sônica uniforme do meio de modo que o campo de pressão acústica pode expandir uniformemente. O cumprimento deste requisito melhora a eficiência global da reação sonoquímica, uma vez que o ultrassom atinge a maior intensificação do processo.

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

A gama de produtos abrange ultra-sons de laboratório compactos para R&D, poderosos sistemas ultra-sónicos de bancada e piloto, bem como equipamento de nível totalmente industrial para produção de grandes volumes. Isto permite a realização de testes de viabilidade sem riscos em pequena escala e o subsequente aumento de escala completamente linear para volumes maiores.

Controlo preciso da sonicação

O visor digital a cores e o software inteligente com controlo remoto através de um browser e o registo automático de dados num cartão SD integrado permitem uma configuração e monitorização sofisticadas dos parâmetros ultra-sónicos no reator sono-químico.
A beleza das reacções sonoquímicas é a eficiência que pode ser alcançada de forma fiável através da otimização do processo. A amplitude ultra-sônica ideal, a entrada de energia de ultrassom, a temperatura e a pressão podem ser determinadas para cada reação particular. Isto permite encontrar os parâmetros de sonicação ideais para que os resultados da reação óptima e eficiência são alcançados.

controlo da temperatura

Todos os nossos ultrassons digitais estão equipados com um sensor de temperatura conectável para monitorização contínua da temperatura, que pode ser inserido no líquido para medição constante da temperatura a granel. Um software sofisticado permite a definição de um intervalo de temperatura. Quando o limite de temperatura é excedido, o ultrassom faz uma pausa automática até que a temperatura no líquido baixe para um determinado ponto definido e começa a sonicar automaticamente de novo. Todas as medições de temperatura, bem como outros dados importantes do processo ultrassónico, são automaticamente registados num cartão SD incorporado e podem ser facilmente revistos para controlo do processo.
Os reactores sonoquímicos da 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

A vasta gama de dispositivos ultra-sónicos prontamente disponíveis, sondas (sonotrodos), boosters horns, reactores descontínuos e células de fluxo, bem como numerosos acessórios adicionais, permitem configurar o reator ultrassónico-químico ideal (sono-reator) para o seu processo específico.
Todo o equipamento já está optimizado para uma distribuição uniforme da cavitação acústica e padrões de fluxo estáveis, que são os aspectos de design mais importantes para obter resultados homogéneos e fiáveis num reator químico agitado por ultra-sons.
A oxidação indesejada pode ser evitada purgando o reator com um gás inerte, por exemplo, nitrogénio em manta.

Soluções personalizadas para o seu reator químico

Embora a Hielscher ofereça várias soluções de reactores em batelada e em linha em vários tamanhos e geometrias, fabricados em aço inoxidável ou vidro, temos todo o prazer em fabricar o 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 técnicos com uma longa experiência, concebemos o seu reator químico de acordo com as suas exigências. Por exemplo, o tamanho, o material, a geometria, as portas de alimentação e de descarga, o número de sondas ultra-sónicas, etc., podem ser concebidos de modo a criar o reator químico ideal promovido por ultra-sons para o seu processo químico.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: