Оптимизированная эффективность химического реактора за счет мощного ультразвука

Хорошо известно, что ультразвук усиливает и/или инициирует химические реакции. Таким образом, интеграция высокоэффективного ультразвука считается надежным инструментом для продвижения химических реакторов для улучшения результатов реакции. Hielscher Ultrasonics предлагает различные решения для реакторов для настройки вашего химического процесса. Узнайте, как ультразвук может улучшить ваш химический реактор!

Как силовой ультразвук улучшает работу химических реакторов?

Интеграция одного или нескольких ультразвуковых зондов (сонотродов) позволяет связывать мощные ультразвуковые волны с химическим реактором. Интенсивное ультразвуковое воздействие жидкостей и суспензий не только создает сильные турбулентности из-за акустической вибрации, но и известно многочисленными эффектами, которые определяются термином «сонохимия».

Что такое сонохимия? Как это способствует реакции?

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^-1, давление до ∼1000 бар, а также соответствующие перепады температур и давления. Жидкость или суспензия сильно перемешивается струями жидкости и силами сдвига.

Химические эффекты (например, образование радикальных веществ, изгибание молекул и т.д.) и физические/физико-механические эффекты сонохимии успешно применяются к многочисленным химическим реакциям, таким как органический катализ. Органокаталитические реакции, Реакции фазового переноса, Синтез наночастиц, осаждение / кристаллизация, золь-гель реакции, Муфта Suzuki, Реакции Дильса-Альдера, Реакции Манниха, Майкл добавление, муфты типа Вюрца и многие другие. Сонохимически продуцированные реакции часто демонстрируют значительно повышенную скорость конверсии, более высокие выходы, ускоренную реакцию, более полную реакцию, могут использоваться с более мягкими растворителями в условиях окружающей среды, создавать меньше нежелательных побочных продуктов и способствуют благодаря своей высокой эффективности зеленой химии.

Реакторы периодического действия с ультразвуковым управлением

Интеграция ультразвуковых аппаратов в реакторы открытого или закрытого действия является широко применяемым методом для ускорения реакций в лабораториях, пилотных установках и на производственных объектах. В зависимости от размера емкости, геометрии и системы химических реакций в реактор периодического действия может быть интегрирован один или несколько сонотродов. Ультразвуковое исследование также часто используется для улучшения Реакторы с непрерывным перемешиванием (КСТ).

Ультразвуковые полупериодические реакторы: Конечно, ультразвуковая обработка может быть интегрирована и в реакторы периодического действия. В системах полупериодического действия один химический реагент загружается в реактор, в то время как второй химический агент добавляется с непрерывной скоростью потока (например, при медленной подаче для предотвращения побочных реакций), смешиваясь в ультразвуковой горячей точке. В качестве альтернативы, продукт химической реакции, возникающий в результате реакции в реакторе, непрерывно удаляется, например, синтезированные осадки или кристаллы, или промежуточный продукт конечного продукта, который может быть удален за счет разделения фаз.

Проточный химический реактор с ультразвуковым перемешиванием

В проточном реакторе, также известном как проточная ячейка или поточный реактор, реагенты подаются через один или несколько подающих отверстий в реакционную камеру, где происходит химическая реакция. После определенного времени удержания, необходимого для протекания определенной реакции, среда непрерывно выгружается из реактора. Ультразвуковые проточные ячейки и поточные реакторы обеспечивают непрерывное производство продукта, которое зависит только от непрерывной подачи реагентов.

На рисунке показан Ультразвуковой аппарат UIP1000hdT с реактором периодического действия (слева) и с реактором с проточной ячейкой для поточной обработки (справа).

Высокопроизводительные химические сонореакторы

Hielscher Ultrasonics - ваш надежный производитель сонохимических реакторов и высокопроизводительного ультразвукового оборудования, которое может надежно улучшить вашу химическую реакцию. Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics включает в себя различные типы и классы лабораторных и промышленных крупномасштабных гидролокаторов для периодического и проточного режима. Благодаря высокопроизводительному ультразвуковому преобразователю Hielscher множество усовершенствований – такие как улучшенная скорость реакции, более полное преобразование, более высокий выход, точное управление реакцией и превосходная общая эффективность – надежно достигаются в периодических и проточных реакторах. Ультразвуковые аппараты и сонореакторы Hielscher, разработанные для обеспечения высокой производительности и надежности, могут быть установлены для использования с агрессивными химическими веществами, в сложных условиях и тяжелых условиях эксплуатации.
Ультразвуковые реакторы Hielscher спроектированы с фокусом равномерного ультразвукового облучения среды, так что поле акустического давления может расширяться равномерно. Выполнение этого требования повышает общую эффективность сонохимической реакции, так как ультразвук обеспечивает максимальную интенсификацию процесса.

Схематическое изображение явлений, происходящих в сонохимическом реакторе.
Рисунок и исследование: ©Dahlem et al., 1999.

Ассортимент продукции включает в себя компактные лабораторные ультразвуковые аппараты для R&D, мощные настольные и пилотные ультразвуковые системы, а также полностью промышленное оборудование для крупносерийного производства. Это позволяет проводить безрисковые технико-экономические испытания в небольших масштабах и последующее полностью линейное масштабирование до больших объемов.

Точное управление ультразвуком

Цифровой цветной дисплей и интеллектуальное программное обеспечение с дистанционным управлением через браузер и автоматическим протоколированием данных на встроенной SD-карте позволяют выполнять сложную настройку и мониторинг ультразвуковых параметров в сонохимическом реакторе.
Прелесть сонохимических реакций заключается в эффективности, которая может быть надежно достигнута за счет оптимизации процесса. Для каждой конкретной реакции можно определить оптимальную амплитуду ультразвука, потребляемую мощность ультразвука, температуру и давление. Это позволяет найти идеальные параметры ультразвуковой обработки для достижения оптимальных результатов реакции и эффективности.

Контроль температуры

Все наши цифровые ультразвуковые аппараты оснащены вставным датчиком температуры для непрерывного контроля температуры, который может быть вставлен в жидкость для постоянного измерения объемной температуры. Сложное программное обеспечение позволяет устанавливать температурный диапазон. При превышении температурного предела ультразвуковой аппарат автоматически делает паузу до тех пор, пока температура в жидкости не снизится до определенного заданного значения, и снова начинает автоматическое ультразвуковое исследование. Все измерения температуры, а также другие важные данные ультразвукового процесса автоматически записываются на встроенную SD-карту и могут быть легко пересмотрены для управления процессом.
Сонохимические реакторы Hielscher поставляются с охлаждающими рубашками. Кроме того, можно подключить теплообменники и чиллеры для обеспечения желаемой температуры процесса.

Легкодоступные компоненты для сборки идеального химического реактора

Широкий ассортимент доступных ультразвуковых приборов, зондов (сонотродов), бустерных рупоров, реакторов периодического действия и проточных ячеек, а также многочисленные дополнительные аксессуары позволяют сконфигурировать идеальный ультразвуковой химический реактор (сонореактор) для вашего конкретного процесса.
Все оборудование уже оптимизировано для равномерного распределения акустической кавитации и стабильных потоков, которые являются наиболее важными аспектами конструкции для получения однородных и надежных результатов в химическом реакторе с ультразвуковым перемешиванием.
Нежелательного окисления можно избежать, продув реактор инертным газом, например, азотным слотом.

Индивидуальные решения для вашего химического реактора

В то время как Hielscher предлагает различные решения для реакторов периодического действия и линейных реакторов различных размеров и геометрии, изготовленных из нержавеющей стали или стекла, мы рады изготовить для вас специальный корпус химического реактора с учетом анализа и конструктивных основ ваших конкретных технологических требований. Благодаря многолетней опытной команде инженеров и технических разработчиков мы спроектируем ваш химический реактор в соответствии с вашими требованиями. Например, размер, материал, геометрия, подводящие и разгрузочные отверстия, количество ультразвуковых датчиков и т. д. могут быть спроектированы таким образом, чтобы создать идеальный химический реактор с ультразвуковым давлением для вашего химического процесса.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: