Optimizirana učinkovitost kemičnega reaktorja z ultrazvokom visoke moči

Znano je, da ultrasonication okrepi in / ali sproži kemične reakcije. Zato se integracija visoko zmogljivega ultrazvoka šteje za zanesljivo orodje za spodbujanje kemičnih reaktorjev za boljše rezultate reakcij. Hielscher Ultrasonics ponuja različne reaktorske rešitve za prilagoditev vašega kemičnega procesa. Naučite se, kako lahko ultrazvok izboljša vaš kemični reaktor!

Kako ultrazvok moči izboljša kemične reaktorje?

Integracija ene ali več ultrazvočnih sond (sonotrodov) omogoča združevanje močnih ultrazvočnih valov v kemični reaktor. Intenzivna ultrasonicacija tekočin in gnojevk ne ustvarja le močnih turbulenc zaradi akustičnih vibracij, ampak je znana po več učinkih, ki so opredeljeni pod izrazom "sonokemija".

Kaj je sonokemija? Kako spodbuja reakcije?

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, tlaki do ∼1000 barov ter ustrezne temperaturne in tlačne razlike. Tekočina ali gnojevka je močno vznemirjena s tekočimi curki in strižnimi silami.

Kemični učinki (npr. nastajanje radikalnih vrst, upogibanje molekul itd.) in fizikalno-mehanski učinki sonokemije se uspešno uporabljajo pri številnih kemijskih reakcijah, kot je organska kataliza, organokatalitične reakcije, Reakcije faznega prenosa, sinteza nanodelcev, Padavine / kristalizacija, Sol-gel reakcije, Suzukijeva sklopka, Diels-Alderjeve reakcije, Mannichove reakcije, Dodatek Michaela, Wurtzova sklopka in mnogi drugi. Sonokemično spodbujane reakcije pogosto kažejo znatno povečano stopnjo pretvorbe, višje donose, pospešeno reakcijo, popolnejšo reakcijo, lahko se uporabljajo z blažjimi topili v okoljskih pogojih, ustvarjajo manj neželenih stranskih produktov in prispevajo zaradi svoje visoke učinkovitosti k zeleni kemiji.

Ultrazvočni kemični šaržni reaktorji

Integracija ultrazvočnih aparatov v odprte ali zaprte šaržne reaktorje je pogosto uporabljena tehnika za pospeševanje reakcij v laboratorijih, pilotnih obratih in proizvodnih obratih. Glede na velikost posode, geometrijo in sistem kemične reakcije se lahko v šaržni reaktor vgradi ena ali več sonotrod. Ultrasonication se pogosto uporablja tudi za izboljšanje reaktorji z neprekinjenim mešanjem (CSTR).

Ultrazvočni polšaržni reaktorji: Seveda je ultrazvočno razbijanje mogoče vključiti tudi v polšaržne reaktorje. Za polšaržne sisteme se v reaktor naloži en kemični reaktant, medtem ko se druga kemikalija doda pri neprekinjenem pretoku (na primer pri počasnem dovajanju, da se preprečijo stranske reakcije), ki se združi v ultrazvočni vroči točki. Druga možnost je, da se produkt kemijske reakcije, ki nastane pri reakciji v reaktorju, nenehno odstranjuje, npr. sintetizirane oborine ali kristali ali vmesni produkt končnega produkta, ki ga je mogoče odstraniti zaradi ločevanja faz.

Ultrazvočno vznemirjeni kemični pretočni reaktor

V pretočnem reaktorju, znanem tudi kot pretočna celica ali inline reaktor, se reaktanti dovajajo skozi eno ali več dovodnih odprtin v reakcijsko komoro, kjer poteka kemična reakcija. Po določenem retencijskem času, ki je potreben za izvedbo določene reakcije, se medij neprekinjeno izprazni iz reaktorja. Ultrazvočne pretočne celice in inline reaktorji omogočajo neprekinjeno proizvodnjo izdelka, ki je odvisna le od neprekinjene oskrbe z reagenti.

Na sliki je prikazana ikona Ultrazvočni aparat UIP1000hdT s šaržnim reaktorjem (levo) in reaktorjem s pretočnimi celicami za inline obdelavo (desno).

Visoko zmogljivi kemični sono-reaktorji

Hielscher Ultrasonics je vaš zaupanja vreden proizvajalec sono-kemičnih reaktorjev in visoko zmogljive ultrazvočne opreme, ki lahko zanesljivo izboljša vašo kemično reakcijo. Paleta izdelkov Hielscher Ultrasonics vključuje različne vrste in razrede laboratorijskih in industrijskih velikih sonoreaktorjev za šaržni in pretočni način. S Hielscherjevo visoko zmogljivim ultrazvokom tipa sonde je večkratni napredek – kot so izboljšana hitrost reakcije, popolnejša pretvorba, višji donosi, natančen nadzor reakcije in odlična splošna učinkovitost – zanesljivo dosežejo v šaržnih in pretočnih reaktorjih. Zasnovani za visoko zmogljivost in robustnost, Hielscher ultrazvočni in sono-reaktorji se lahko namestijo za uporabo z ostrimi kemikalijami, v zahtevnih okoljih in težkih aplikacijah.
Hielscher ultrazvočni reaktorji so zasnovani s poudarkom na enakomernem ultrazvočnem obsevanju medija, tako da se lahko polje akustičnega tlaka enakomerno razširi. Izpolnjevanje te zahteve izboljša splošno učinkovitost sonokemične reakcije, saj ultrazvok doseže največjo intenzivnost procesa.

Shematski prikaz pojavov, ki se dogajajo v sonokemičnem reaktorju.
Slika in študija: ©Dahlem et al., 1999.

Paleta izdelkov zajema kompaktne laboratorijske ultrazvočne aparate za R&D, zmogljivi ultrazvočni sistemi in pilotni sistemi ter popolnoma industrijska oprema za proizvodnjo velikih količin. To omogoča testiranje izvedljivosti brez tveganja v majhnem obsegu in posledično popolnoma linearno povečanje na večje količine.

Natančen nadzor ultrazvočnega razbijanja

Digitalni barvni zaslon in pametna programska oprema z daljinskim upravljanjem brskalnika in samodejnim protokoliranjem podatkov na integrirani SD kartici omogočata prefinjeno nastavitev in spremljanje ultrazvočnih parametrov v sonokemičnem reaktorju.
Lepota sonokemično vodenih reakcij je učinkovitost, ki jo je mogoče zanesljivo doseči z optimizacijo procesov. Za vsako posamezno reakcijo lahko določimo optimalno ultrazvočno amplitudo, ultrazvočno moč, temperaturo in tlak. To omogoča iskanje idealnih parametrov ultrazvočne obdelave, tako da se dosežejo optimalni rezultati reakcije in učinkovitost.

Nadzor temperature

Vsi naši digitalni ultrazvočni aparati so opremljeni s priključnim temperaturnim senzorjem za neprekinjeno spremljanje temperature, ki ga je mogoče vstaviti v tekočino za stalno merjenje temperature v nasipu. Prefinjena programska oprema omogoča nastavitev temperaturnega območja. Ko je temperaturna meja presežena, se ultrazvočni aparat samodejno ustavi, dokler se temperatura v tekočini ne spusti na določeno nastavljeno vrednost in začne samodejno spet ultrazvočno. Vse meritve temperature in drugi pomembni ultrazvočni procesni podatki se samodejno zabeležijo na vgrajeno kartico SD in jih je mogoče enostavno pregledati za nadzor procesa.
Sonokemični reaktorji podjetja Hielscher so na voljo s hladilnimi plašči. Poleg tega je mogoče priključiti toplotne izmenjevalnike in hladilne enote, da se zagotovi želena procesna temperatura.

Zlahka dostopne komponente za sestavljanje idealnega kemičnega reaktorja

Velik portfelj enostavno dostopnih ultrazvočnih naprav, sond (sonotrodov), ojačevalnih rogov, šaržnih reaktorjev in pretočnih celic ter številnih dodatnih dodatkov omogoča konfiguracijo idealnega ultrazvočno-kemičnega reaktorja (sono-reaktorja) za vaš specifičen proces.
Vsa oprema je že optimizirana za enakomerno porazdelitev akustične kavitacije in stabilne vzorce pretoka, ki so najpomembnejši vidiki oblikovanja za doseganje homogenih, zanesljivih rezultatov v ultrazvočno vznemirjenem kemičnem reaktorju.
Neželeni oksidaciji se lahko izognemo tako, da reaktor očistimo z inertnim plinom, npr. z dušikovo odejo.

Prilagojene rešitve za vaš kemični reaktor

Medtem ko Hielscher ponuja različne šaržne in inline reaktorske rešitve v različnih velikostih in geometrijah, izdelane iz nerjavečega jekla ali stekla, smo veseli, da lahko izdelamo vašo posebno kemično reaktorsko posodo ob upoštevanju analize in osnov oblikovanja vaših specifičnih procesnih zahtev. Z dolgoletno izkušeno ekipo inženirjev in tehničnih razvijalcev oblikujemo vaš kemični reaktor v skladu z vašimi zahtevami. Na primer, velikost, material, geometrija, vrata za napajanje in praznjenje, število ultrazvočnih sond itd. Lahko oblikujemo tako, da naredimo idealen ultrazvočno promoviran kemični reaktor za vaš kemični proces.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: