Optimalizovaná účinnosť chemických reaktorov pomocou vysokovýkonnej ultrazvukovej úpravy

Je dobre známe, že ultrazvuková úprava zintenzívňuje a/alebo iniciuje chemické reakcie. Integrácia vysokovýkonného ultrazvuku sa preto považuje za spoľahlivý nástroj na zlepšenie fungovania chemických reaktorov a dosiahnutie lepších výsledkov reakcií. Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne reaktorové riešenia na doladenie vášho chemického procesu. Zistite, ako môže ultrazvuk zlepšiť váš chemický reaktor!

Ako výkonový ultrazvuk zlepšuje chemické reaktory?

Integrácia jednej alebo viacerých ultrazvukových sond (sonotród) umožňuje vnášať výkonné ultrazvukové vlny do chemického reaktora. Intenzívna ultrazvuková úprava kvapalín a suspenzií nielenže vytvára silné turbulencie v dôsledku akustických vibrácií, ale je známa aj viacerými účinkami, ktoré sa súhrnne označujú pojmom „sonochémia“.

Čo je sonochémia? Ako podporuje reakcie?

Ultrazvuk s vysokou intenzitou / vysokovýkonný ultrazvuk sa aplikuje na chemické systémy s cieľom iniciovať a/alebo podporovať reakcie, zlepšiť mieru konverzie a výťažky alebo zmeniť reakčné dráhy. Fyzikálnym javom zodpovedným za sonochemické účinky je akustická kavitácia. Keď sa ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou vnášajú do kvapalného média, šíria sa kvapalinou a vytvárajú striedajúce sa cykly nízkeho tlaku (zriedenia) a vysokého tlaku (stlačenia). Počas fázy nízkeho tlaku / zriedenia vznikajú v kvapaline nepatrné vákuové bubliny, ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov, až kým vákuová bublina nedosiahne bod, v ktorom už nedokáže absorbovať ďalšiu energiu. Pri dosiahnutí maximálnej veľkosti bublina počas cyklu vysokého tlaku prudko imploduje. Počas implozívneho kolapsu bubliny možno pozorovať jav kavitácie. Ultrazvuková kavitácia vytvára takzvané „horúce miesta“, ktoré sa vyznačujú extrémnymi podmienkami, ako sú teplota až ∼5000 K s veľmi vysokými rýchlosťami ohrevu/ochladzovania > 1000 K s^-1, tlaky až ∼1000 bar, ako aj príslušné teplotné a tlakové rozdiely. Kvapalina alebo suspenzia sa intenzívne premiešava prúdmi kvapaliny a šmykovými silami.

Chemické účinky (napr. tvorba radikálových častíc, ohýbanie molekúl atď.) a fyzikálne / fyzikálno-mechanické účinky sonochémie sa úspešne využívajú pri mnohých chemických reakciách, ako sú organická katalýza, organokatalytické reakcie, reakcie s fázovým prenosom, syntéza nanočastíc, zrážanie / kryštalizácia, reakcie sól-gél, Suzukiho kopulácia, Dielsove-Alderove reakcie, Mannichove reakcie, Michaelova adícia, kopulácia Wurtzovho typu a mnohé ďalšie. Sonochemicky podporované reakcie často vykazujú výrazne zvýšenú mieru konverzie, vyššie výťažky, zrýchlený a úplnejší priebeh reakcie, možno ich uskutočňovať s miernejšími rozpúšťadlami pri podmienkach okolitého prostredia, vytvárajú menej nežiaducich vedľajších produktov a vďaka svojej vysokej účinnosti prispievajú k zelenej chémii.

Chemické vsádzkové reaktory poháňané ultrazvukom

Integrácia ultrazvukových prístrojov do otvorených alebo uzavretých vsádzkových reaktorov je bežne používanou technikou na urýchlenie reakcií v laboratóriách, poloprevádzkových zariadeniach a výrobných prevádzkach. V závislosti od veľkosti nádoby, geometrie a chemického reakčného systému možno do vsádzkového reaktora integrovať jednu alebo viac sonotród. Pôsobenie ultrazvuku sa často využíva aj na zlepšenie činnosti kontinuálne miešaných reaktorov (CSTR).

Ultrazvukové polov vsádzkové reaktory: Samozrejme, sonikáciu možno integrovať aj do polov vsádzkových reaktorov. V polov vsádzkových systémoch sa do reaktora vloží jeden chemický reaktant, zatiaľ čo druhá chemická látka sa pridáva pri konštantnom prietoku (napríklad pomalým dávkovaním na zabránenie vedľajším reakciám), pričom sa spájajú v ultrazvukovom horúcom mieste. Alternatívne sa nepretržite odvádza produkt chemickej reakcie vznikajúci reakciou v reaktore, napr. syntetizované zrazeniny alebo kryštály, alebo medziprodukt konečného produktu, ktorý možno odstrániť vďaka separácii fáz.

Chemický prietokový reaktor miešaný ultrazvukom

V prietokovom reaktore, známom aj ako prietoková cela alebo inline reaktor, sa reaktanty privádzajú cez jeden alebo viac vstupných otvorov do reakčnej komory, kde prebieha chemická reakcia. Po určitom čase zdržania potrebnom na priebeh konkrétnej reakcie sa médium nepretržite odvádza z reaktora. Ultrazvukové prietokové cely a inline reaktory umožňujú neprerušovanú výrobu produktu, ktorá závisí iba od nepretržitého prísunu reagencií.

Na obrázku je zobrazený ultrazvukový prístroj UIP1000hdT so vsádzkovým reaktorom (vľavo) a s prietokovým reaktorom na inline spracovanie (vpravo).

Vysokovýkonné chemické sonoreaktory

Hielscher Ultrasonics je váš dôveryhodný výrobca sonochemických reaktorov a vysokovýkonných ultrazvukových zariadení, ktoré môžu spoľahlivo zlepšiť vašu chemickú reakciu. Sortiment Hielscher Ultrasonics zahŕňa rôzne typy a triedy laboratórnych a veľkokapacitných priemyselných sonoreaktorov na vsádzkovú a prietokovú prevádzku. Vďaka vysokovýkonnej sondovej sonikácii Hielscher sa vo vsádzkových a prietokových reaktoroch spoľahlivo dosahujú viaceré zlepšenia – napríklad zvýšená reakčná rýchlosť, úplnejšia konverzia, vyššie výťažky, presné riadenie reakcie a vynikajúca celková účinnosť. Ultrazvukové prístroje a sonoreaktory Hielscher, navrhnuté s dôrazom na vysoký výkon a robustnosť, možno inštalovať na použitie s agresívnymi chemikáliami, v náročných prostrediach a aplikáciách s vysokým zaťažením.
Ultrazvukové reaktory Hielscher sú navrhnuté s dôrazom na rovnomerné ožarovanie média ultrazvukom, aby sa pole akustického tlaku mohlo rovnomerne šíriť. Splnenie tejto požiadavky zlepšuje celkovú účinnosť sonochemickej reakcie, pretože ultrazvuk dosahuje najvyššiu intenzifikáciu procesu.

Schematické znázornenie javov prebiehajúcich v sonochemickom reaktore.
Obrázok a štúdia: ©Dahlem et al., 1999.

Sortiment zahŕňa kompaktné laboratórne ultrazvukové prístroje na výskum a vývoj, výkonné stolové a poloprevádzkové ultrazvukové systémy, ako aj zariadenia plne priemyselnej triedy na veľkoobjemovú výrobu. To umožňuje bezrizikové testovanie uskutočniteľnosti v malom meradle a následné úplne lineárne zväčšovanie mierky na väčšie objemy.

Presné riadenie sonikácie

Digitálny farebný displej a inteligentný softvér so vzdialeným ovládaním cez prehliadač a automatickým zaznamenávaním údajov na integrovanú SD kartu umožňujú sofistikované nastavovanie a monitorovanie ultrazvukových parametrov v sonochemickom reaktore.
Prednosťou sonochemicky vyvolaných reakcií je účinnosť, ktorú možno spoľahlivo dosiahnuť optimalizáciou procesu. Pre každú konkrétnu reakciu možno určiť optimálnu amplitúdu ultrazvuku, privádzaný ultrazvukový výkon, teplotu a tlak. To umožňuje nájsť ideálne parametre sonikácie na dosiahnutie optimálnych výsledkov reakcie a účinnosti.

Regulácia teploty

Všetky naše digitálne ultrazvukové procesory sú vybavené pripojiteľným snímačom teploty na nepretržité monitorovanie teploty, ktorý možno ponoriť do kvapaliny na priebežné meranie teploty v jej objeme. Sofistikovaný softvér umožňuje nastaviť teplotný rozsah. Pri prekročení teplotného limitu ultrazvukový procesor automaticky preruší činnosť, kým teplota kvapaliny neklesne na určitú nastavenú hodnotu, a potom automaticky obnoví sonikáciu. Všetky merania teploty, ako aj ďalšie dôležité údaje o ultrazvukovom procese sa automaticky zaznamenávajú na zabudovanú kartu SD a možno ich jednoducho skontrolovať na účely riadenia procesu.
Sonochemické reaktory Hielscher sú dostupné s chladiacimi plášťami. Okrem toho možno pripojiť výmenníky tepla a chladiace jednotky na zabezpečenie požadovanej procesnej teploty.

Ľahko dostupné komponenty na zostavenie ideálneho chemického reaktora

Široká ponuka ľahko dostupných ultrazvukových zariadení, sond (sonotród), zosilňovačov amplitúdy, vsádzkových reaktorov a prietokových komôr, ako aj množstvo ďalšieho príslušenstva umožňujú nakonfigurovať ideálny ultrazvukový chemický reaktor (sonoreaktor) pre váš konkrétny proces.
Všetky zariadenia sú už optimalizované na rovnomerné rozloženie akustickej kavitácie a stabilné prúdenie, čo sú najdôležitejšie konštrukčné aspekty na dosiahnutie homogénnych a spoľahlivých výsledkov v chemickom reaktore miešanom ultrazvukom.
Nežiaducej oxidácii možno zabrániť preplachovaním reaktora inertným plynom, napr. vytvorením dusíkovej atmosféry.

Riešenia na mieru pre váš chemický reaktor

Hielscher ponúka rôzne riešenia vsádzkových a inline reaktorov rôznych veľkostí a geometrií, vyrobených z nehrdzavejúcej ocele alebo skla, a zároveň vám radi vyrobíme špeciálnu nádobu chemického reaktora so zohľadnením analytických a konštrukčných zásad vyplývajúcich z vašich konkrétnych procesných požiadaviek. S tímom inžinierov a technických vývojárov s dlhoročnými skúsenosťami navrhneme váš chemický reaktor tak, aby spĺňal vaše nároky. Napríklad veľkosť, materiál, geometriu, vstupné a výstupné otvory, počet ultrazvukových sond atď. možno navrhnúť tak, aby vznikol ideálny chemický reaktor s ultrazvukovou podporou pre váš chemický proces.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových procesorov: