Optimerad effektivitet i kemiska reaktorer med högeffektsultraljud

Ultraljudsbehandling är välkänd för att intensifiera och/eller initiera kemiska reaktioner. Därför betraktas integrering av högpresterande ultraljud som ett tillförlitligt verktyg för att förbättra kemiska reaktorer och uppnå bättre reaktionsresultat. Hielscher Ultrasonics erbjuder olika reaktorlösningar för att finjustera din kemiska process. Läs om hur ultraljud kan förbättra din kemiska reaktor!

Hur förbättrar högeffektsultraljud kemiska reaktorer?

Integrering av en eller flera ultraljudssonder (sonotroder) gör det möjligt att koppla in kraftfulla ultraljudsvågor i den kemiska reaktorn. Intensiv ultraljudsbehandling av vätskor och suspensioner skapar inte bara kraftig turbulens genom akustiska vibrationer, utan är också känd för flera effekter som sammanfattas under begreppet ”sonokemi”.

Vad är sonokemi? Hur främjar den reaktioner?

Högintensivt ultraljud / högeffektsultraljud används i kemiska system för att initiera och/eller främja reaktioner, förbättra omvandlingsgraden och utbytet eller ändra reaktionsvägar. Det fysikaliska fenomen som ligger bakom sonokemiska effekter är akustisk kavitation. När högintensiva ultraljudsvågor kopplas in i ett flytande medium fortplantas vågorna genom vätskan och skapar omväxlande cykler med lågt tryck (förtunning) och högt tryck (kompression). Under lågtrycksfasen / förtunningen uppstår mycket små vakuumbubblor i vätskan. Dessa växer under flera tryckcykler tills vakuumbubblan når en punkt där den inte kan absorbera mer energi. När bubblan har nått sin maximala storlek imploderar den våldsamt under en högtryckscykel. Under den implosiva bubbelkollapsen kan fenomenet kavitation observeras. Ultraljudskavitation skapar så kallade ”heta punkter”, som kännetecknas av extrema förhållanden såsom temperaturer på upp till ∼5000 K med mycket höga uppvärmnings-/kylningshastigheter på > 1000 K s^-1, tryck på upp till ∼1000 bar samt motsvarande temperatur- och tryckskillnader. Vätskan eller suspensionen rörs om kraftigt av vätskestrålar och skjuvkrafter.

Sonokemins kemiska effekter (t.ex. bildning av radikaler, böjning av molekyler etc.) och fysikaliska / fysikalisk-mekaniska effekter tillämpas framgångsrikt på många kemiska reaktioner såsom organisk katalys, organokatalytiska reaktioner, fasöverföringsreaktioner, syntes av nanopartiklar, utfällning / kristallisation, sol-gel-reaktioner, Suzuki-koppling, Diels-Alder-reaktioner, Mannich-reaktioner, Michael-addition, koppling av Wurtz-typ och många andra. Sonokemiskt främjade reaktioner uppvisar ofta en avsevärt ökad omvandlingsgrad, högre utbyte, snabbare reaktion och mer fullständig reaktion, kan utföras med mildare lösningsmedel vid omgivningsförhållanden, ger färre oönskade biprodukter och bidrar genom sin höga effektivitet till grön kemi.

Ultraljudsdrivna kemiska satsreaktorer

Integrering av ultraljudsprocessorer i öppna eller slutna satsreaktorer är en vanligt förekommande teknik för att påskynda reaktioner i laboratorier, pilotanläggningar och produktionsanläggningar. Beroende på kärlets storlek, geometri och det kemiska reaktionssystemet kan en eller flera sonotroder integreras i satsreaktorn. Ultraljudsbehandling används också ofta för att förbättra kontinuerligt omrörda reaktorer (CSTR).

Ultraljudsreaktorer för halvkontinuerlig drift: Naturligtvis kan ultraljudsbehandling även integreras i halvkontinuerliga reaktorer. I halvkontinuerliga system fylls reaktorn med en kemisk reaktant, medan en andra kemikalie tillsätts med ett kontinuerligt flöde (exempelvis med långsam tillförsel för att förhindra sidoreaktioner), varvid de förenas i ultraljudets heta zon. Alternativt avlägsnas en produkt från den kemiska reaktionen i reaktorn kontinuerligt, t.ex. syntetiserade fällningar eller kristaller, eller en mellanprodukt eller slutprodukt som kan avlägsnas genom fasseparation.

Kemisk genomströmningsreaktor med ultraljudsomrörning

I en genomströmningsreaktor, även kallad flödescell eller inline-reaktor, matas reaktanterna genom en eller flera inmatningsportar in i reaktionskammaren, där den kemiska reaktionen sker. Efter en viss uppehållstid som krävs för att en specifik reaktion ska äga rum töms mediet kontinuerligt ut ur reaktorn. Ultraljudsflödesceller och inline-reaktorer möjliggör oavbruten produktion av produkten, som endast är beroende av kontinuerlig tillförsel av reagenserna.

Bilden visar ultraljudsprocessorn UIP1000hdT med satsreaktor (vänster) och med flödescellsreaktor för inline-bearbetning (höger).

Högpresterande kemiska ultraljudsreaktorer

Hielscher Ultrasonics är din pålitliga tillverkare av sonokemiska reaktorer och högpresterande ultraljudsutrustning som tillförlitligt kan förbättra din kemiska reaktion. Hielscher Ultrasonics produktsortiment omfattar olika typer och klasser av ultraljudsreaktorer för laboratorier och storskalig industriell användning i satsvis drift och genomströmningsdrift. Med Hielschers högpresterande ultraljudsbehandling med sonder uppnås tillförlitligt flera förbättringar – såsom ökad reaktionshastighet, fullständigare omvandling, högre utbyten, exakt reaktionsstyrning och utmärkt total effektivitet – i satsreaktorer och genomströmningsreaktorer. Hielschers ultraljudsprocessorer och ultraljudsreaktorer är konstruerade för hög prestanda och robusthet och kan installeras för användning med aggressiva kemikalier, i krävande miljöer och för tillämpningar med hög belastning.
Hielschers ultraljudsreaktorer är konstruerade med fokus på en jämn ultraljudsbestrålning av mediet så att det akustiska tryckfältet kan breda ut sig jämnt. När detta krav uppfylls förbättras den sonokemiska reaktionens totala effektivitet, eftersom ultraljudet uppnår den högsta processintensifieringen.

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

Produktsortimentet omfattar kompakta ultraljudsprocessorer för forskning och utveckling i laboratorier, kraftfulla ultraljudssystem för bänk- och pilotskala samt utrustning helt i industriklass för produktion av stora volymer. Detta möjliggör riskfria genomförbarhetstester i liten skala och efterföljande helt linjär uppskalning till större volymer.

Exakt styrning av ultraljudsbehandlingen

Den digitala färgskärmen och den smarta programvaran med fjärrstyrning via webbläsare och automatisk dataloggning på ett integrerat SD-kort möjliggör avancerad inställning och övervakning av ultraljudsparametrarna i den sonokemiska reaktorn.
Fördelen med sonokemiskt drivna reaktioner är den effektivitet som tillförlitligt kan uppnås genom processoptimering. Optimal ultraljudsamplitud, tillförd ultraljudseffekt, temperatur och tryck kan fastställas för varje enskild reaktion. Detta gör det möjligt att hitta de idealiska parametrarna för ultraljudsbehandlingen så att optimala reaktionsresultat och optimal effektivitet uppnås.

Temperaturreglering

Alla våra digitala ultraljudsprocessorer är utrustade med en anslutningsbar temperatursensor för kontinuerlig temperaturövervakning, som kan föras in i vätskan för kontinuerlig mätning av bulktemperaturen. Avancerad programvara gör det möjligt att ställa in ett temperaturintervall. När temperaturgränsen överskrids pausar ultraljudsprocessorn automatiskt tills temperaturen i vätskan har sjunkit till ett visst börvärde och återupptar sedan automatiskt ultraljudsbehandlingen. Alla temperaturmätningar samt andra viktiga processdata för ultraljudsbehandlingen registreras automatiskt på ett inbyggt SD-kort och kan enkelt granskas för processkontroll.
Sonokemiska reaktorer från Hielscher finns med kylmantlar. Dessutom kan värmeväxlare och kylaggregat anslutas för att säkerställa önskad processtemperatur.

Lättillgängliga komponenter för att bygga den idealiska kemiska reaktorn

Det stora utbudet av lättillgängliga ultraljudsapparater, sonder (sonotroder), förstärkarhorn, satsreaktorer och flödesceller samt många ytterligare tillbehör gör det möjligt att konfigurera den idealiska ultraljudskemiska reaktorn (sonoreaktorn) för just din process.
All utrustning är redan optimerad för jämn fördelning av akustisk kavitation och stabila flödesmönster, vilket är de viktigaste konstruktionsaspekterna för att uppnå homogena, tillförlitliga resultat i en kemisk reaktor med ultraljudsomrörning.
Oönskad oxidation kan undvikas genom att spola reaktorn med en inert gas, till exempel genom att skapa en kvävgasatmosfär.

Skräddarsydda lösningar för din kemiska reaktor

Hielscher erbjuder olika sats- och inlinereaktorlösningar i olika storlekar och geometrier, tillverkade av rostfritt stål eller glas, och tillverkar gärna ditt specialanpassade kemiska reaktorkärl med hänsyn till de analys- och konstruktionsprinciper som dina specifika processkrav bygger på. Med ett team av ingenjörer och tekniska utvecklare med lång erfarenhet utformar vi din kemiska reaktor så att den uppfyller dina krav. Exempelvis kan storlek, material, geometri, inmatnings- och utloppsportar, antal ultraljudssonder med mera utformas för att skapa den idealiska ultraljudsfrämjade kemiska reaktorn för din kemiska process.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsprocessorers ungefärliga bearbetningskapacitet: