Повышение эффективности химических реакторов с помощью обработки ультразвуком высокой мощности

Обработка ультразвуком хорошо известна своей способностью интенсифицировать и/или инициировать химические реакции. Поэтому внедрение высокопроизводительных ультразвуковых систем считается надёжным способом улучшения работы химических реакторов для получения лучших результатов реакций. Hielscher Ultrasonics предлагает различные реакторные решения для оптимизации вашего химического процесса. Узнайте, как ультразвук может улучшить работу вашего химического реактора!

Как мощный ультразвук улучшает работу химических реакторов?

Установка одного или нескольких ультразвуковых зондов (сонотродов) позволяет передавать мощные ультразвуковые волны в химический реактор. Интенсивная обработка жидкостей и суспензий ультразвуком не только создаёт сильную турбулентность благодаря акустическим колебаниям, но и известна множеством эффектов, объединённых термином «сонохимия».

Что такое сонохимия? Как она способствует протеканию реакций?

Ультразвук высокой интенсивности / ультразвук высокой мощности применяют к химическим системам для инициирования и/или стимулирования реакций, повышения степени превращения и выхода продуктов либо изменения путей протекания реакций. Физическое явление, обусловливающее сонохимические эффекты, – акустическая кавитация. При передаче ультразвуковых волн высокой интенсивности в жидкую среду волны распространяются через жидкость, создавая чередующиеся циклы низкого давления (разрежения) и высокого давления (сжатия). В фазе низкого давления / разрежения в жидкости возникают мельчайшие вакуумные пузырьки, которые растут в течение нескольких циклов изменения давления, пока вакуумный пузырёк не достигнет состояния, при котором больше не может поглощать энергию. При достижении максимального размера пузырёк резко схлопывается во время цикла высокого давления. При таком схлопывании пузырька наблюдается явление кавитации. Ультразвуковая кавитация создаёт так называемые «горячие точки», характеризующиеся экстремальными условиями, такими как температура до ∼5000 K при очень высоких скоростях нагрева/охлаждения > 1000 K s^-1, давление до ∼1000 bar, а также соответствующие перепады температуры и давления. Жидкость или суспензия интенсивно перемешивается струями жидкости и силами сдвига.

Химические эффекты (например, образование радикальных частиц, изгибание молекул и т. д.) и физические / физико-механические эффекты сонохимии успешно применяются во множестве химических реакций, таких как органический катализ, органокаталитические реакции, межфазные реакции, синтез наночастиц, осаждение / кристаллизация, золь-гель реакции, сочетание Сузуки, реакции Дильса–Альдера, реакции Манниха, присоединение Михаэля, сочетание типа Вюрца и многие другие. Реакции, стимулируемые сонохимически, часто характеризуются значительно повышенной степенью превращения, более высоким выходом продуктов, ускоренным и более полным протеканием реакции; их можно проводить с менее агрессивными растворителями при условиях окружающей среды. Они образуют меньше нежелательных побочных продуктов и благодаря высокой эффективности способствуют развитию зелёной химии.

Химические реакторы периодического действия с ультразвуковой обработкой

Установка ультразвуковых аппаратов в открытые или закрытые реакторы периодического действия – широко применяемый метод ускорения реакций в лабораториях, на пилотных установках и производственных предприятиях. В зависимости от размера и геометрии ёмкости, а также химической реакционной системы в реактор периодического действия можно установить один или несколько сонотродов. Обработка ультразвуком также часто применяется для улучшения работы реакторов с непрерывным перемешиванием (CSTR).

Ультразвуковые реакторы полупериодического действия: Разумеется, обработку ультразвуком можно также внедрить в реакторы полупериодического действия. В полупериодических системах один химический реагент загружают в реактор, а второй химический реагент добавляют с постоянным расходом (например, при медленной подаче для предотвращения побочных реакций), и они смешиваются в ультразвуковой горячей точке. Другой вариант – непрерывное удаление продукта химической реакции, образующегося в реакторе, например синтезированных осадков или кристаллов либо промежуточного вещества в процессе образования конечного продукта, которое можно удалить за счёт разделения фаз.

Химический проточный реактор с ультразвуковым перемешиванием

В проточном реакторе, также называемом проточной ячейкой или реактором для обработки в потоке, реагенты подаются через один или несколько входных патрубков в реакционную камеру, где протекает химическая реакция. После определённого времени пребывания, необходимого для протекания конкретной реакции, среда непрерывно выводится из реактора. Ультразвуковые проточные ячейки и реакторы для обработки в потоке обеспечивают непрерывное производство продукта, которое зависит только от непрерывной подачи реагентов.

На изображении показан ультразвуковой аппарат UIP1000hdT с реактором периодического действия (слева) и с реактором в виде проточной ячейки для обработки в потоке (справа).

Высокопроизводительные химические сонохимические реакторы

Hielscher Ultrasonics – ваш надёжный производитель сонохимических реакторов и высокопроизводительного ультразвукового оборудования, способного надёжно улучшить протекание вашей химической реакции. Ассортимент Hielscher Ultrasonics включает различные типы и классы лабораторных и крупномасштабных промышленных сонохимических реакторов для периодического и проточного режимов работы. Высокопроизводительная обработка ультразвуком с помощью зондовых аппаратов Hielscher надёжно обеспечивает в периодических и проточных реакторах многочисленные преимущества – повышение скорости реакции, более полное превращение, более высокий выход продуктов, точное управление реакцией и превосходную общую эффективность. Ультразвуковые аппараты и сонохимические реакторы Hielscher, разработанные для высокой производительности и прочности, можно устанавливать для работы с агрессивными химическими веществами, в сложных условиях и при высоких нагрузках.
Ультразвуковые реакторы Hielscher проектируются с акцентом на равномерное ультразвуковое облучение среды, чтобы поле акустического давления могло распространяться равномерно. Соблюдение этого требования повышает общую эффективность сонохимической реакции, поскольку ультразвук обеспечивает наивысшую интенсификацию процесса.

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

Ассортимент включает компактные лабораторные ультразвуковые аппараты для исследований и разработок, мощные настольные и пилотные ультразвуковые системы, а также оборудование полноценного промышленного класса для производства больших объёмов продукции. Это позволяет без риска проверять осуществимость процесса в малом масштабе, а затем выполнять полностью линейное масштабирование до больших объёмов.

Точное управление обработкой ультразвуком

Цифровой цветной дисплей и интеллектуальное программное обеспечение с дистанционным управлением через браузер и автоматическим протоколированием данных на встроенную SD-карту позволяют выполнять точную настройку и мониторинг ультразвуковых параметров в сонохимическом реакторе.
Привлекательность сонохимически стимулируемых реакций заключается в эффективности, которую можно надёжно достичь за счёт оптимизации процесса. Для каждой конкретной реакции можно определить оптимальные амплитуду ультразвуковых колебаний, вводимую ультразвуковую мощность, температуру и давление. Это позволяет найти идеальные параметры обработки ультразвуком, обеспечивающие оптимальные результаты реакции и эффективность.

Контроль температуры

Все наши цифровые ультразвуковые аппараты оснащены подключаемым датчиком температуры для непрерывного контроля температуры, который можно поместить в жидкость для постоянного измерения температуры её основного объёма. Современное программное обеспечение позволяет задать диапазон температур. При превышении предельной температуры ультразвуковой аппарат автоматически приостанавливает работу до снижения температуры жидкости до определённого заданного значения, после чего автоматически возобновляет обработку ультразвуком. Все измерения температуры, а также другие важные данные процесса ультразвуковой обработки автоматически записываются на встроенную SD-карту и могут быть легко просмотрены для контроля процесса.
Сонохимические реакторы Hielscher доступны с охлаждающими рубашками. Кроме того, для обеспечения требуемой температуры процесса можно подключить теплообменники и холодильные установки.

Готовые к поставке компоненты для сборки идеального химического реактора

Широкий ассортимент готовых к поставке ультразвуковых устройств, зондов (сонотродов), усиливающих рупоров, реакторов периодического действия и проточных ячеек, а также многочисленных дополнительных принадлежностей позволяет сконфигурировать идеальный ультразвуковой химический реактор (сонохимический реактор) для вашего конкретного процесса.
Всё оборудование уже оптимизировано для равномерного распределения акустической кавитации и стабильных режимов течения, которые являются важнейшими аспектами конструкции для получения однородных и надёжных результатов в химическом реакторе с ультразвуковым перемешиванием.
Нежелательного окисления можно избежать путём продувки реактора инертным газом, например с созданием азотной защитной атмосферы.

Индивидуальные решения для вашего химического реактора

Hielscher предлагает различные решения для периодических и поточных реакторов разных размеров и геометрии, изготовленных из нержавеющей стали или стекла; при этом мы с удовольствием изготовим специальную ёмкость химического реактора для вас, учитывая результаты анализа и основы проектирования, определяемые требованиями вашего конкретного процесса. Наша команда инженеров и технических разработчиков с многолетним опытом спроектирует химический реактор, отвечающий вашим требованиям. Например, размер, материал, геометрию, входные и выходные патрубки, количество ультразвуковых зондов и т. д. можно спроектировать так, чтобы создать идеальный химический реактор с ультразвуковой интенсификацией для вашего химического процесса.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: