Optimalizovaná účinnosť chemického reaktora vďaka vysokovýkonnému ultrazvuku

Ultrazvuk je dobre známy tým, že zintenzívňuje a/alebo iniciuje chemické reakcie. Preto sa integrácia vysokovýkonného ultrazvuku považuje za spoľahlivý nástroj na podporu chemických reaktorov pre lepšie výsledky reakcií. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne riešenia reaktorov na vyladenie vášho chemického procesu. Zistite, ako môže ultrazvuk zlepšiť váš chemický reaktor!

Ako výkonový ultrazvuk zlepšuje chemické reaktory?

Integrácia jednej alebo viacerých ultrazvukových sond (sonotrod) umožňuje spojiť silné ultrazvukové vlny do chemického reaktora. Intenzívna ultrazvuková detekcia kvapalín a suspenzií nielenže vytvára silné turbulencie v dôsledku akustických vibrácií, ale je známa viacerými účinkami, ktoré sú definované pod pojmom "sonochémia".

Čo je sonochémia? Ako podporuje reakcie?

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, tlaky až ∼1000 barov, ako aj príslušné teplotné a tlakové rozdiely. Kvapalina alebo kaša je silne premiešaná kvapalnými prúdmi a šmykovými silami.

Chemické účinky (napr. tvorba radikálových zložiek, ohýbanie molekúl atď.) a fyzikálne/fyzikálno-mechanické účinky sonochémie sa úspešne aplikujú na množstvo chemických reakcií, ako je organická katalýza, organokatalytické reakcie, Reakcie fázového prenosu, syntéza nanočastíc, zrážanie / kryštalizácia, Reakcie sol-gél, Spojka Suzuki, Diels-Alderove reakcie, Mannichove reakcie, Michaelov doplnok, spojka typu Wurtz a mnoho ďalších. Sonochemicky podporované reakcie často vykazujú výrazne zvýšenú mieru konverzie, vyššie výťažky, zrýchlenú reakciu, úplnejšiu reakciu, môžu byť použité s miernejšími rozpúšťadlami v okolitých podmienkach, vytvárajú menej nežiaducich vedľajších produktov a vďaka svojej vysokej účinnosti prispievajú k zelenej chémii.

Ultrazvukom poháňané chemické dávkové reaktory

Integrácia ultrazvukových prístrojov do otvorených alebo uzavretých dávkových reaktorov je bežne používaná technika na urýchlenie reakcií v laboratóriách, pilotných zariadeniach a výrobných zariadeniach. V závislosti od veľkosti nádoby, geometrie a systému chemickej reakcie je možné do vsádkového reaktora integrovať jednu alebo viac sonotród. Ultrazvuk sa tiež často používa na zlepšenie Reaktory s nepretržitým miešaním (CSTR).

Ultrazvukové polodávkové reaktory: Ultrazvuk je samozrejme možné integrovať aj do polodávkových reaktorov. V prípade polodávkových systémov sa do reaktora vloží jeden chemický reaktant, zatiaľ čo druhá chemikália sa pridáva pri nepretržitom prietoku (napríklad pri pomalom prívode, aby sa zabránilo vedľajším reakciám), ktorá sa kombinuje v ultrazvukovom horúcom mieste. Alternatívne sa priebežne odstraňuje produkt chemickej reakcie, ktorý je výsledkom reakcie v reaktore, napr. syntetizované zrazeniny alebo kryštály, alebo medziprodukt konečného produktu, ktorý je možné odstrániť oddelením fáz.

Ultrazvukom miešaný chemický prietokový reaktor

V prietokovom reaktore, tiež známom ako prietokový článok alebo inline reaktor, sa reaktanty privádzajú cez jeden alebo viacero napájacích otvorov do reakčnej komory, kde prebieha chemická reakcia. Po určitom retenčnom čase, ktorý je potrebný na to, aby došlo ku konkrétnej reakcii, sa médium nepretržite vypúšťa z reaktora. Ultrazvukové prietokové články a inline reaktory umožňujú nepretržitú výrobu produktu, ktorá je závislá len od nepretržitého prísunu činidiel.

Na obrázku je zobrazená Ultrazvuk UIP1000hdT so vsádkovým 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 produktov Hielscher Ultrasonics zahŕňa rôzne typy a triedy laboratórnych a priemyselných veľkých sonoreaktorov pre dávkový a prietokový režim. S vysokovýkonnou ultrazvukovou sondou Hielscher je viacnásobné pokroky – ako je zlepšená rýchlosť reakcie, úplnejšia konverzia, vyššie výťažky, presná kontrola reakcie a vynikajúca celková účinnosť – sa spoľahlivo dosahujú v vsádzkových a prietokových reaktoroch. Ultrazvukové a sonoreaktory Hielscher, navrhnuté pre vysoký výkon a robustnosť, môžu byť inštalované na použitie s agresívnymi chemikáliami, v náročných prostrediach a náročných aplikáciách.
Ultrazvukové reaktory Hielscher sú navrhnuté so zameraním na rovnomerné ultrazvukové ožarovanie média tak, aby sa akustické tlakové pole mohlo rovnomerne rozširovať. Splnenie tejto požiadavky zlepšuje celkovú účinnosť sonochemickej reakcie, pretože ultrazvuk dosahuje najvyššiu intenzifikáciu procesu.

Schematický pohľad na javy prebiehajúce v sonochemickom reaktore.
Obrázok a štúdia: ©Dahlem et al., 1999.

Sortiment zahŕňa kompaktné laboratórne ultrazvukové prístroje pre R&D, výkonné stolové a pilotné ultrazvukové systémy, ako aj plne priemyselné zariadenia pre veľkosériovú výrobu. To umožňuje bezrizikové testovanie uskutočniteľnosti v malom meradle a následné úplne lineárne škálovanie na väčšie objemy.

Presné ovládanie sonikácie

Digitálny farebný displej a inteligentný softvér s diaľkovým ovládaním prehliadača a automatickým protokolovaním údajov na integrovanej SD karte umožňujú sofistikované nastavenie a monitorovanie ultrazvukových parametrov v sonochemickom reaktore.
Krása sonochemicky riadených reakcií spočíva v účinnosti, ktorú možno spoľahlivo dosiahnuť optimalizáciou procesov. Pre každú konkrétnu reakciu je možné určiť optimálnu ultrazvukovú amplitúdu, ultrazvukový príkon, teplotu a tlak. To umožňuje nájsť ideálne parametre sonikácie, aby sa dosiahli optimálne výsledky reakcie a účinnosť.

regulácia teploty

Všetky naše digitálne ultrazvuky sú vybavené zásuvným snímačom teploty na nepretržité monitorovanie teploty, ktorý je možné vložiť do kvapaliny na konštantné meranie objemovej teploty. Sofistikovaný softvér umožňuje nastavenie teplotného rozsahu. Po prekročení teplotného limitu sa ultrazvuk automaticky pozastaví, kým teplota v kvapaline neklesne na určitú nastavenú hodnotu a nezačne automaticky sonikovať. Všetky merania teploty, ako aj ďalšie dôležité údaje o ultrazvukových procesoch sa automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu a možno ich jednoducho revidovať pre riadenie procesu.
Sonochemické reaktory od spoločnosti Hielscher sú k dispozícii s chladiacimi plášťami. Okrem toho je možné pripojiť výmenníky tepla a chladiace jednotky, aby sa zabezpečila požadovaná procesná teplota.

Ľahko dostupné komponenty na zostavenie ideálneho chemického reaktora

Široké portfólio ľahko dostupných ultrazvukových zariadení, sond (sonotrody), zosilňovacích rohov, dávkových reaktorov a prietokových článkov, ako aj množstvo ďalšieho príslušenstva umožňuje nakonfigurovať ideálny ultrazvukovo-chemický reaktor (sono-reaktor) pre váš konkrétny proces.
Všetky zariadenia sú už optimalizované pre rovnomerné rozloženie akustickej kavitácie a stabilné prietokové vzory, čo sú najdôležitejšie konštrukčné aspekty na získanie homogénnych a spoľahlivých výsledkov v ultrazvukovo miešanom chemickom reaktore.
Nežiaducej oxidácii sa dá vyhnúť prepláchnutím reaktora inertným plynom, napr. dusíkovou prikrývkou.

Riešenia na mieru pre váš chemický reaktor

Zatiaľ čo spoločnosť Hielscher ponúka rôzne vsádkové a inline reaktorové riešenia v rôznych veľkostiach a geometriách, vyrobené z nehrdzavejúcej ocele alebo skla, sme radi, že vyrobíme vašu špeciálnu nádobu na chemický reaktor s ohľadom na základy analýzy a návrhu vašich špecifických procesných požiadaviek. S dlhoročným skúseným tímom inžinierov a technických vývojárov navrhneme váš chemický reaktor tak, aby spĺňal vaše požiadavky. Napríklad veľkosť, materiál, geometria, napájacie a vybíjacie porty, počet ultrazvukových sond atď. môžu byť navrhnuté tak, aby sa vytvoril ideálny ultrazvukovo podporovaný chemický reaktor pre váš chemický proces.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: