Optimerad kemisk reaktor effektivitet genom högeffekt ultraljud

Ultraljud är välkänt för att intensifiera och / eller initiera kemiska reaktioner. Därför anses integrationen av högpresterande ultraljud vara ett tillförlitligt verktyg för att främja kemiska reaktorer för förbättrade reaktionsresultat. Hielscher Ultrasonics erbjuder olika reaktorlösningar för att justera din kemiska process. Lär dig hur ultraljud kan förbättra din kemiska reaktor!

Hur förbättrar Power Ultrasound kemiska reaktorer?

Integrationen av en eller flera ultraljudssonder (sonotroder) gör det möjligt att koppla kraftfulla ultraljudsvågor till den kemiska reaktorn. Intensiv ultraljud av vätskor och uppslamningar skapar inte bara stark turbulens på grund av akustiska vibrationer utan är känd för flera effekter, som definieras under termen "sonokemi".

Vad är sonokemi? Hur främjar det reaktioner?

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, tryck på upp till ∼1000 bar samt respektive temperatur- och tryckskillnader. Vätskan eller uppslamningen omrörs kraftigt av vätskestrålar och skjuvkrafter.

De kemiska effekterna (t.ex. bildandet av radikala arter, böjning av molekyler etc.) och fysikaliska/fysikalisk-mekaniska effekterna av sonokemi tillämpas framgångsrikt på många kemiska reaktioner såsom organisk katalys, organokatalytiska reaktioner, Reaktioner vid fasöverföring, Syntes av nanopartiklar, Nederbörd / Kristallisation, Sol-Gel reaktioner, Suzuki koppling, Diels-Alder reaktioner, Mannich reaktioner, Michael Tillägg, koppling av Wurtz-typ och många andra. Sonokemiskt främjade reaktioner visar ofta en signifikant ökad omvandlingsfrekvens, högre utbyten, accelererad reaktion, mer fullständig reaktion, kan användas med mildare lösningsmedel under omgivningsförhållanden, skapar mindre oönskade biprodukter och bidrar på grund av sin höga effektivitet till grön kemi.

Ultraljudsdrivna kemiska satsreaktorer

Integreringen av ultraljudsapparater i öppna eller slutna satsreaktorer är en vanligt tillämpad teknik för att påskynda reaktioner i laboratorier, pilotanläggningar och produktionsanläggningar. Beroende på kärlstorlek, geometri och det kemiska reaktionssystemet kan en eller flera sonotroder integreras i satsreaktorn. Ultraljud används också ofta för att förbättra Kontinuerligt omrörda reaktorer (CSTR).

Ultraljud semi-batch reaktorer: Självklart, ultraljudsbehandling kan också integreras i semi-batch reaktorer. För semi-batchsystem laddas en kemisk reaktant in i reaktorn, medan en andra kemikalie tillsätts med en kontinuerlig flödeshastighet (till exempel vid en långsam matning för att förhindra sidoreaktioner) som kombineras i den ultraljuds-heta punkten. Alternativt avlägsnas kontinuerligt en produkt från en kemisk reaktion som är ett resultat av reaktionen i reaktorn, t.ex. syntetiserade fällningar eller kristaller, eller en mellanprodukt av slutprodukten som kan avlägsnas på grund av fasseparation.

Ultraljudsomrörd kemisk genomströmningsreaktor

I en genomströmningsreaktor, även känd som flödescell eller inline-reaktor, matas reaktanterna genom en eller flera matningsportar in i reaktionskammaren, där den kemiska reaktionen sker. Efter en viss retentionstid som krävs för att en specifik reaktion ska inträffa, släpps mediet kontinuerligt ut från reaktorn. Ultraljudsflödesceller och inline-reaktorer möjliggör en oavbruten produktion av produkten, som endast är beroende av kontinuerlig tillförsel av reagens.

Bilden visar Ultraljudsapparat UIP1000hdT med satsvis reaktor (vänster) och med flödescellsreaktor för inline-bearbetning (höger).

Högpresterande kemiska sonoreaktorer

Hielscher Ultrasonics är din pålitliga tillverkare för sono-kemiska reaktorer och högpresterande ultraljudsutrustning som på ett tillförlitligt sätt kan förbättra din kemiska reaktion. Hielscher Ultrasonics produktsortiment omfattar olika typer och klasser av laboratorie- och industriella storskaliga sonorokatorer för batch- och genomströmningsläge. Med Hielscher högpresterande sond-typ ultraljud, flera framsteg – såsom förbättrad reaktionshastighet, mer fullständig omvandling, högre avkastning, exakt reaktionskontroll och utmärkt total effektivitet – uppnås på ett tillförlitligt sätt i sats- och genomströmningsreaktorer. Hielscher ultraljudsapparater och sono-reaktorer är utformade för hög prestanda och robusthet och kan installeras för användning med starka kemikalier, i krävande miljöer och tunga applikationer.
Hielscher ultraljudsreaktorer är utformade med fokus på en enhetlig ultraljudsbestrålning av mediet så att det akustiska tryckfältet kan expandera jämnt. Att uppfylla detta krav förbättrar den totala effektiviteten i den sonokemiska reaktionen eftersom ultraljudet uppnår högsta processintensifiering.

Schematisk bild av de fenomen som äger rum i en sonokemisk reaktor.
Bild och studie: ©Dahlem et al., 1999.

Produktsortimentet omfattar kompakta laboratorieultraljudsapparater för R&D, kraftfulla ultraljudssystem för bänkskivor och pilotsystem samt utrustning av helindustriell kvalitet för produktion av stora volymer. Detta möjliggör riskfri genomförbarhetstestning i liten skala och den efterföljande helt linjära uppskalningen till större volymer.

Exakt ultraljudsbehandling kontroll

Den digitala färgdisplayen och den smarta programvaran med fjärrkontroll till webbläsaren och automatisk dataprotokollering på ett integrerat SD-kort gör det möjligt att ställa in och övervaka ultraljudsparametrarna i den sonokemiska reaktorn.
Det fina med sonokemiskt drivna reaktioner är den effektivitet som kan uppnås på ett tillförlitligt sätt via processoptimering. Optimal ultraljudsamplitude, ultraljudseffekt, temperatur och tryck kan bestämmas för varje enskild reaktion. Detta gör det möjligt att hitta de perfekta parametrarna för ultraljudsbehandling så att optimala reaktionsresultat och effektivitet uppnås.

Temperaturkontroll

Alla våra digitala ultraljudsapparater är utrustade med en pluggbar temperatursensor för kontinuerlig temperaturövervakning, som kan sättas in i vätskan för konstant mätning av bulktemperaturen. Sofistikerad programvara gör det möjligt att ställa in ett temperaturområde. När temperaturgränsen överskrids pausar ultraljudaren automatiskt tills temperaturen i vätskan har sjunkit till ett visst börvärde och börjar automatiskt ultraljudsbehandling igen. Alla temperaturmätningar samt andra viktiga ultraljudsprocessdata registreras automatiskt på ett inbyggt SD-kort och kan enkelt revideras för processtyrning.
Sonokemiska reaktorer från Hielscher finns med kylmantel. Dessutom kan värmeväxlare och kylaggregat anslutas för att säkerställa önskad processtemperatur.

Lättillgängliga komponenter för att montera den ideala kemiska reaktorn

Den stora portföljen av lättillgängliga ultraljudsenheter, sonder (sonotrodes), boosters, horn, satsreaktorer och flödesceller samt många ytterligare tillbehör gör det möjligt att konfigurera den perfekta ultraljudskemiska reaktorn (sono-reaktorn) för din specifika process.
All utrustning är redan optimerad för jämn fördelning av akustisk kavitation och stabila flödesmönster, vilket är de viktigaste designaspekterna för att få homogena, tillförlitliga resultat i en ultraljudsomrörd kemisk reaktor.
Oönskad oxidation kan undvikas genom att rena reaktorn med en inert gas, t.ex. kvävefilt.

Skräddarsydda lösningar för din kemiska reaktor

Medan Hielscher erbjuder olika batch- och inline-reaktorlösningar i olika storlekar och geometrier, tillverkade av rostfritt stål eller glas, är vi glada att tillverka ditt speciella kemiska reaktorkärl med tanke på analys- och designgrunderna för dina specifika processkrav. Med ett mångårigt erfaret team av ingenjörer och tekniska utvecklare designar vi din kemiska reaktor som uppfyller dina krav. Till exempel kan storlek, material, geometri, matnings- och urladdningsportar, antal ultraljudssonder etc. utformas för att skapa den perfekta ultraljudsfrämjade kemiska reaktorn för din kemiska process.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: