Optimizirana učinkovitost kemijskih reaktorjev z visokozmogljivo sonikacijo

Znano je, da sonikacija intenzivira in/ali sproži kemijske reakcije. Zato vključitev visokozmogljivega ultrazvoka velja za zanesljivo sredstvo za izboljšanje delovanja kemijskih reaktorjev in doseganje boljših reakcijskih rezultatov. Hielscher Ultrasonics ponuja različne reaktorske rešitve za prilagoditev vašega kemijskega procesa. Spoznajte, kako lahko ultrazvok izboljša vaš kemijski reaktor!

Kako močnostni ultrazvok izboljša kemijske reaktorje?

Vgradnja ene ali več ultrazvočnih sond (sonotrod) omogoča vnos močnih ultrazvočnih valov v kemijski reaktor. Intenzivna sonikacija tekočin in suspenzij ne ustvarja le močne turbulence zaradi akustičnih vibracij, temveč je znana tudi po številnih učinkih, ki jih opredeljujemo z izrazom »sonokemija«.

Kaj je sonokemija? Kako spodbuja reakcije?

Visokointenzivni ultrazvok / ultrazvok velike moči se uporablja v kemijskih sistemih za sprožitev in/ali spodbujanje reakcij, izboljšanje stopnje pretvorbe in izkoristkov ali za spremembo reakcijskih poti. Fizikalni pojav, odgovoren za sonokemijske učinke, je akustična kavitacija. Ko se visokointenzivni ultrazvočni valovi vnesejo v tekoči medij, potujejo skozi tekočino in ustvarjajo izmenjujoče se cikle nizkega tlaka (redčenja) in visokega tlaka (stiskanja). Med fazo nizkega tlaka / redčenja v tekočini nastanejo drobni vakuumski mehurčki, ki rastejo skozi več tlačnih ciklov, dokler vakuumski mehurček ne doseže točke, ko ne more več absorbirati dodatne energije. Ko mehurček doseže največjo velikost, med ciklom visokega tlaka silovito implodira. Med implozijskim kolapsom mehurčka lahko opazujemo pojav kavitacije. Ultrazvočna kavitacija ustvarja tako imenovane »vroče točke«, za katere so značilne ekstremne razmere, kot so temperature do ∼5000 K z zelo visokimi hitrostmi segrevanja/ohlajanja > 1000 K s^-1, tlaki do ∼1000 bar ter ustrezne temperaturne in tlačne razlike. Tekočinski curki in strižne sile intenzivno mešajo tekočino ali suspenzijo.

Kemijski učinki (npr. nastajanje radikalskih zvrsti, upogibanje molekul itd.) ter fizikalni / fizikalno-mehanski učinki sonokemije se uspešno uporabljajo pri številnih kemijskih reakcijah, kot so organska kataliza, organokatalitske reakcije, reakcije s prenosom med fazami, sinteza nanodelcev, obarjanje / kristalizacija, sol-gel reakcije, Suzukijevo spajanje, Diels-Alderjeve reakcije, Mannichove reakcije, Michaelova adicija, spajanje Wurtzovega tipa in številne druge. Sonokemijsko spodbujene reakcije pogosto izkazujejo znatno povečano stopnjo pretvorbe, višje izkoristke, hitrejši in popolnejši potek reakcije, omogočajo uporabo blažjih topil pri pogojih okolice, ustvarjajo manj neželenih stranskih produktov in zaradi svoje visoke učinkovitosti prispevajo k zeleni kemiji.

Kemijski šaržni reaktorji z ultrazvočnim pogonom

Vgradnja ultrazvočnih procesorjev 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 kemijski reakcijski sistem je mogoče v šaržni reaktor vgraditi eno ali več sonotrod. Sonikacija se pogosto uporablja tudi za izboljšanje delovanja reaktorjev z neprekinjenim mešanjem (CSTR).

Ultrazvočni polšaržni reaktorji: Sonikacijo je seveda mogoče vključiti tudi v polšaržne reaktorje. Pri polšaržnih sistemih se v reaktor vnese en kemijski reaktant, druga kemikalija pa se dodaja s stalnim pretokom (na primer s počasnim dovajanjem za preprečevanje stranskih reakcij), pri čemer se združita v ultrazvočni vroči točki. Druga možnost je neprekinjeno odstranjevanje produkta kemijske reakcije, ki nastane pri reakciji v reaktorju, npr. sintetiziranih oborin ali kristalov oziroma intermediata pri nastajanju končnega produkta, ki ga je mogoče odstraniti zaradi ločitve faz.

Kemijski pretočni reaktor z ultrazvočnim mešanjem

V pretočnem reaktorju, znanem tudi kot pretočna celica ali reaktor v pretočni liniji, se reaktanti skozi enega ali več dovodnih priključkov dovajajo v reakcijsko komoro, kjer poteka kemijska reakcija. Po določenem zadrževalnem času, potrebnem za potek posamezne reakcije, se medij neprekinjeno odvaja iz reaktorja. Ultrazvočne pretočne celice in reaktorji v pretočni liniji omogočajo neprekinjeno proizvodnjo produkta, ki je odvisna samo od neprekinjene oskrbe z reagenti.

Slika prikazuje ultrazvočni procesor UIP1000hdT s šaržnim reaktorjem (levo) in z reaktorjem s pretočno celico za obdelavo v pretočni liniji (desno).

Visokozmogljivi kemijski sonoreaktorji

Hielscher Ultrasonics je vaš zaupanja vreden proizvajalec sonokemijskih reaktorjev in visokozmogljive ultrazvočne opreme, ki lahko zanesljivo izboljša vašo kemijsko reakcijo. Ponudba izdelkov Hielscher Ultrasonics vključuje različne vrste in razrede laboratorijskih ter velikih industrijskih sonoreaktorjev za šaržno in pretočno delovanje. Z visokozmogljivo sonikacijo s sondami Hielscher se v šaržnih in pretočnih reaktorjih zanesljivo dosežejo številne izboljšave – kot so povečana hitrost reakcije, popolnejša pretvorba, višji izkoristki, natančen nadzor reakcije in odlična skupna učinkovitost. Ultrazvočni procesorji in sonoreaktorji Hielscher so zasnovani za visoko zmogljivost in robustnost ter jih je mogoče vgraditi za uporabo z agresivnimi kemikalijami, v zahtevnih okoljih in pri zahtevnih aplikacijah.
Ultrazvočni reaktorji Hielscher so zasnovani s poudarkom na enakomernem ultrazvočnem obsevanju medija, da se lahko polje akustičnega tlaka enakomerno širi. Izpolnjevanje te zahteve izboljša skupno učinkovitost sonokemijske reakcije, saj ultrazvok doseže največjo intenzifikacijo procesa.

Shematski prikaz pojavov, ki potekajo v sonokemijskem reaktorju.
Slika in študija: ©Dahlem et al., 1999.

Ponudba izdelkov obsega kompaktne laboratorijske ultrazvočne procesorje za raziskave in razvoj, zmogljive namizne in pilotne ultrazvočne sisteme ter opremo povsem industrijske kakovosti za proizvodnjo velikih količin. To omogoča preizkušanje izvedljivosti v majhnem merilu brez tveganja in nato povsem linearno povečevanje merila na večje prostornine.

Natančen nadzor sonikacije

Digitalni barvni zaslon in pametna programska oprema z oddaljenim upravljanjem prek brskalnika ter samodejnim beleženjem podatkov na vgrajeno kartico SD omogočata napredno nastavljanje in spremljanje ultrazvočnih parametrov v sonokemijskem reaktorju.
Prednost sonokemijsko vodenih reakcij je učinkovitost, ki jo je mogoče zanesljivo doseči z optimizacijo procesa. Za vsako posamezno reakcijo je mogoče določiti optimalno ultrazvočno amplitudo, vnos ultrazvočne moči, temperaturo in tlak. To omogoča določitev idealnih parametrov sonikacije za doseganje optimalnih reakcijskih rezultatov in učinkovitosti.

Nadzor temperature

Vsi naši digitalni ultrazvočni procesorji so opremljeni s priklopljivim temperaturnim senzorjem za neprekinjeno spremljanje temperature, ki ga je mogoče vstaviti v tekočino za stalno merjenje temperature v njeni masi. Napredna programska oprema omogoča nastavitev temperaturnega območja. Ko je temperaturna meja presežena, ultrazvočni procesor samodejno prekine delovanje, dokler se temperatura tekočine ne zniža na določeno nastavljeno vrednost, nato pa samodejno znova začne sonikacijo. Vse meritve temperature in drugi pomembni podatki ultrazvočnega procesa se samodejno beležijo na vgrajeno kartico SD in jih je mogoče preprosto pregledati za nadzor procesa.
Sonokemijski reaktorji Hielscher so na voljo s hladilnimi plašči. Poleg tega je mogoče priključiti toplotne izmenjevalnike in hladilne enote za zagotavljanje želene procesne temperature.

Komponente, ki so takoj na voljo za sestavo idealnega kemijskega reaktorja

Obsežna ponudba ultrazvočnih naprav, sond (sonotrod), ojačevalnih rogov, šaržnih reaktorjev in pretočnih celic, ki so takoj na voljo, ter številne dodatne opreme omogoča konfiguracijo idealnega ultrazvočnega kemijskega reaktorja (sonoreaktorja) za vaš specifični proces.
Vsa oprema je že optimizirana za enakomerno porazdelitev akustične kavitacije in stabilne vzorce toka, kar sta najpomembnejša vidika zasnove za doseganje homogenih, zanesljivih rezultatov v kemijskem reaktorju z ultrazvočnim mešanjem.
Neželeni oksidaciji se je mogoče izogniti z izpiranjem reaktorja z inertnim plinom, npr. z dušikovo zaščitno atmosfero.

Prilagojene rešitve za vaš kemijski reaktor

Hielscher ponuja različne rešitve šaržnih reaktorjev in reaktorjev v pretočni liniji različnih velikosti in geometrij iz nerjavnega jekla ali stekla, z veseljem pa izdelamo tudi vašo posebno kemijsko reaktorsko posodo ob upoštevanju analize in osnov zasnove, ki izhajajo iz specifičnih zahtev vašega procesa. Z ekipo inženirjev in tehničnih razvijalcev z dolgoletnimi izkušnjami zasnujemo kemijski reaktor, ki izpolnjuje vaše zahteve. Na primer, velikost, material, geometrijo, dovodne in odvodne priključke, število ultrazvočnih sond itd. je mogoče zasnovati tako, da ustvarimo idealen kemijski reaktor z ultrazvočnim spodbujanjem za vaš kemijski proces.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev: