เพิ่มประสิทธิภาพเครื่องปฏิกรณ์เคมีด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูง

เป็นที่ทราบกันดีว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการและ/หรือเริ่มต้นปฏิกิริยาเคมี ดังนั้น การผสานคลื่นอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงเข้ากับระบบจึงถือเป็นเครื่องมือที่เชื่อถือได้ในการส่งเสริมการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์เคมีเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ของปฏิกิริยาที่ดีขึ้น Hielscher Ultrasonics นำเสนอโซลูชันเครื่องปฏิกรณ์หลากหลายรูปแบบเพื่อปรับปรุงกระบวนการเคมีของคุณ เรียนรู้ว่าคลื่นอัลตราซาวนด์สามารถปรับปรุงเครื่องปฏิกรณ์เคมีของคุณได้อย่างไร!

คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยปรับปรุงเครื่องปฏิกรณ์เคมีได้อย่างไร?

การติดตั้งหัวโพรบอัลตราซาวนด์ (โซโนโทรด) หนึ่งหัวหรือมากกว่าช่วยให้สามารถส่งผ่านพลังงานคลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์เคมีได้ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงกับของเหลวและสารแขวนลอยข้นไม่เพียงสร้างการไหลปั่นป่วนอย่างรุนแรงจากการสั่นสะเทือนทางเสียงเท่านั้น แต่ยังเป็นที่ทราบกันว่าก่อให้เกิดผลหลายประการ ซึ่งเรียกรวมกันว่า “โซโนเคมี”

โซโนเคมีคืออะไร? ช่วยส่งเสริมปฏิกิริยาได้อย่างไร?

มีการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูง / คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงกับระบบเคมีเพื่อเริ่มต้นและ/หรือส่งเสริมปฏิกิริยา เพิ่มอัตราการเปลี่ยนสารและผลได้ หรือเปลี่ยนเส้นทางปฏิกิริยา ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ทำให้เกิดผลทางโซโนเคมีคือคาวิเทชันทางเสียง เมื่อส่งผ่านพลังงานคลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเข้าสู่ตัวกลางของเหลว คลื่นจะเคลื่อนที่ผ่านของเหลว ทำให้เกิดวัฏจักรความดันต่ำ (การขยายตัว) และความดันสูง (การอัดตัว) สลับกัน ในช่วงความดันต่ำ / การขยายตัว จะเกิดฟองสุญญากาศขนาดเล็กมากในของเหลว ซึ่งขยายตัวตลอดหลายวัฏจักรความดันจนกระทั่งฟองสุญญากาศถึงจุดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มเติมได้อีก เมื่อฟองขยายตัวถึงขนาดสูงสุด ฟองจะยุบตัวเข้าด้านในอย่างรุนแรงในช่วงวัฏจักรความดันสูง ระหว่างการยุบตัวเข้าด้านในของฟอง สามารถสังเกตเห็นปรากฏการณ์คาวิเทชันได้ คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราซาวนด์ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า “จุดร้อน” ซึ่งมีลักษณะเป็นสภาวะสุดขั้ว เช่น อุณหภูมิสูงถึง ∼5000 K พร้อมอัตราการให้ความร้อน/การทำให้เย็นที่สูงมาก > 1000 K s^-1, ความดันสูงถึง ∼1000 bar รวมทั้งความแตกต่างของอุณหภูมิและความดันที่เกิดขึ้นตามลำดับ ของเหลวหรือสารแขวนลอยข้นถูกกวนอย่างรุนแรงด้วยลำเจ็ตของเหลวและแรงเฉือน

ผลทางเคมี (เช่น การเกิดอนุมูล การบิดงอของโมเลกุล ฯลฯ) และผลทางกายภาพ / กายภาพเชิงกลของโซโนเคมีถูกนำไปใช้กับปฏิกิริยาเคมีมากมายได้อย่างประสบความสำเร็จ เช่น การเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์, ปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์, ปฏิกิริยาถ่ายโอนเฟส, การสังเคราะห์อนุภาคนาโน, การตกตะกอน / การตกผลึก, ปฏิกิริยาโซล–เจล, ปฏิกิริยาควบคู่ Suzuki, ปฏิกิริยา Diels-Alder, ปฏิกิริยา Mannich, ปฏิกิริยาเติม Michael, ปฏิกิริยาควบคู่แบบ Wurtz และอีกมากมาย ปฏิกิริยาที่ส่งเสริมด้วยโซโนเคมีมักแสดงอัตราการเปลี่ยนสารที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ให้ผลได้สูงขึ้น เกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น และเกิดปฏิกิริยาได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น สามารถใช้กับตัวทำละลายที่มีความรุนแรงน้อยกว่าภายใต้สภาวะแวดล้อมปกติ ก่อให้เกิดผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการน้อยลง และด้วยประสิทธิภาพที่สูงจึงมีส่วนสนับสนุนเคมีสีเขียว

เครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบแบตช์ที่ขับเคลื่อนด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์

การติดตั้งเครื่องอัลตราซาวนด์เข้ากับเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์ชนิดเปิดหรือปิดเป็นเทคนิคที่ใช้กันทั่วไปเพื่อเร่งปฏิกิริยาในห้องปฏิบัติการ โรงงานนำร่อง และสถานประกอบการผลิต โดยสามารถติดตั้งโซโนโทรดหนึ่งหัวหรือหลายหัวเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์ได้ ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปทรงของภาชนะ รวมถึงระบบปฏิกิริยาเคมี นอกจากนี้ ยังมักใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เพื่อปรับปรุงการทำงานของ เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนต่อเนื่อง (CSTR)

เครื่องปฏิกรณ์กึ่งแบตช์ที่ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์: แน่นอนว่า สามารถผสานการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เข้ากับเครื่องปฏิกรณ์กึ่งแบตช์ได้เช่นกัน สำหรับระบบกึ่งแบตช์ จะบรรจุสารตั้งต้นเคมีชนิดหนึ่งลงในเครื่องปฏิกรณ์ ขณะที่เติมสารเคมีชนิดที่สองด้วยอัตราการไหลต่อเนื่อง (ตัวอย่างเช่น ป้อนอย่างช้า ๆ เพื่อป้องกันปฏิกิริยาข้างเคียง) โดยสารทั้งสองจะรวมกันในจุดร้อนที่เกิดจากคลื่นอัลตราซาวนด์ อีกทางเลือกหนึ่งคือ นำผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ออกอย่างต่อเนื่อง เช่น ตะกอนหรือผลึกที่สังเคราะห์ขึ้น หรือสารตัวกลางในการเกิดผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่สามารถนำออกได้ด้วยการแยกเฟส

เครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบไหลผ่านที่กวนด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์

ในเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่าน หรือที่เรียกว่าเซลล์การไหลหรือเครื่องปฏิกรณ์อินไลน์ สารตั้งต้นจะถูกป้อนผ่านช่องป้อนหนึ่งช่องหรือหลายช่องเข้าสู่ห้องปฏิกิริยา ซึ่งเป็นบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาเคมี หลังจากผ่านระยะเวลาพำนักที่จำเป็นต่อการเกิดปฏิกิริยาที่กำหนด ตัวกลางจะถูกระบายออกจากเครื่องปฏิกรณ์อย่างต่อเนื่อง เซลล์การไหลอัลตราซาวนด์และเครื่องปฏิกรณ์อินไลน์ช่วยให้ผลิตผลิตภัณฑ์ได้อย่างไม่หยุดชะงัก โดยขึ้นอยู่กับการจ่ายสารทำปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่องเท่านั้น

ภาพแสดง เครื่องอัลตราซาวนด์ UIP1000hdT พร้อมเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์ (ซ้าย) และพร้อมเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลสำหรับการแปรรูปแบบอินไลน์ (ขวา)

เครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีสมรรถนะสูง

Hielscher Ultrasonics คือผู้ผลิตที่คุณไว้วางใจได้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีและอุปกรณ์อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่สามารถปรับปรุงปฏิกิริยาเคมีของคุณได้อย่างเชื่อถือได้ กลุ่มผลิตภัณฑ์ของ Hielscher Ultrasonics ประกอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีหลากหลายประเภทและระดับ ทั้งสำหรับห้องปฏิบัติการและสำหรับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เพื่อการทำงานแบบแบตช์และแบบไหลผ่าน ด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงแบบหัวโพรบของ Hielscher สามารถบรรลุการปรับปรุงหลายด้านได้อย่างเชื่อถือได้ในเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์และแบบไหลผ่าน – เช่น อัตราปฏิกิริยาที่ดีขึ้น การเปลี่ยนสารที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ผลได้ที่สูงขึ้น การควบคุมปฏิกิริยาที่แม่นยำ และประสิทธิภาพโดยรวมที่ยอดเยี่ยม – เครื่องอัลตราซาวนด์และเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีของ Hielscher ได้รับการออกแบบให้มีสมรรถนะสูงและความทนทาน จึงสามารถติดตั้งเพื่อใช้กับสารเคมีที่มีความรุนแรง ในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดการใช้งานสูง และในการใช้งานหนักได้
เครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์ของ Hielscher ได้รับการออกแบบโดยมุ่งเน้นให้ตัวกลางได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์อย่างสม่ำเสมอ เพื่อให้สนามความดันเสียงสามารถแผ่ขยายได้อย่างสม่ำเสมอ การบรรลุข้อกำหนดนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของปฏิกิริยาโซโนเคมี เนื่องจากคลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการได้สูงสุด

ภาพแผนผังของปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมี
ภาพและการศึกษา: ©Dahlem et al., 1999.

กลุ่มผลิตภัณฑ์ครอบคลุมเครื่องอัลตราซาวนด์ขนาดกะทัดรัดสำหรับการวิจัยและพัฒนาในห้องปฏิบัติการ ระบบอัลตราซาวนด์กำลังสูงแบบตั้งโต๊ะและระดับนำร่อง รวมถึงอุปกรณ์ระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบสำหรับการผลิตปริมาณมาก จึงสามารถทดสอบความเป็นไปได้ในขนาดเล็กโดยปราศจากความเสี่ยง แล้วขยายขนาดไปสู่ปริมาณที่มากขึ้นแบบเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์ได้

การควบคุมการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์อย่างแม่นยำ

จอแสดงผลสีดิจิทัลและซอฟต์แวร์อัจฉริยะที่มีการควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์และการบันทึกข้อมูลอัตโนมัติลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งในตัว ช่วยให้สามารถตั้งค่าและติดตามพารามิเตอร์อัลตราซาวนด์ในเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีได้อย่างละเอียด
จุดเด่นของปฏิกิริยาที่ขับเคลื่อนด้วยโซโนเคมีคือประสิทธิภาพที่สามารถบรรลุได้อย่างเชื่อถือได้ผ่านการปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด สามารถกำหนดแอมพลิจูดอัลตราซาวนด์ กำลังอัลตราซาวนด์ที่ป้อนเข้า อุณหภูมิ และความดันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละปฏิกิริยาได้ ทำให้สามารถหาพารามิเตอร์การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุด เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ของปฏิกิริยาและประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด

การควบคุมอุณหภูมิ

เครื่องอัลตราซาวนด์ดิจิทัลของเราทุกเครื่องติดตั้งเซนเซอร์อุณหภูมิแบบเสียบต่อได้สำหรับการติดตามอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสามารถสอดลงในของเหลวเพื่อวัดอุณหภูมิของของเหลวโดยรวมอย่างต่อเนื่อง ซอฟต์แวร์ที่มีความสามารถขั้นสูงช่วยให้ตั้งค่าช่วงอุณหภูมิได้ เมื่ออุณหภูมิสูงเกินขีดจำกัด เครื่องอัลตราซาวนด์จะหยุดชั่วคราวโดยอัตโนมัติจนกว่าอุณหภูมิของของเหลวจะลดลงถึงค่าที่ตั้งไว้ แล้วจึงเริ่มใช้คลื่นอัลตราซาวนด์อีกครั้งโดยอัตโนมัติ ค่าการวัดอุณหภูมิทั้งหมด รวมถึงข้อมูลสำคัญอื่น ๆ ของกระบวนการอัลตราซาวนด์ จะถูกบันทึกโดยอัตโนมัติลงในการ์ด SD ในตัว และสามารถตรวจสอบย้อนหลังได้ง่ายเพื่อควบคุมกระบวนการ
เครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีจาก Hielscher มีรุ่นที่ติดตั้งแจ็กเก็ตหล่อเย็นให้เลือก นอกจากนี้ ยังสามารถเชื่อมต่อเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและเครื่องทำความเย็นเพื่อให้ได้อุณหภูมิกระบวนการที่ต้องการ

ส่วนประกอบที่พร้อมใช้งานสำหรับประกอบเครื่องปฏิกรณ์เคมีที่เหมาะสมที่สุด

กลุ่มผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ที่พร้อมใช้งาน ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ หัวโพรบ (โซโนโทรด) ฮอร์นเพิ่มแอมพลิจูด เครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์ และเซลล์การไหล รวมถึงอุปกรณ์เสริมเพิ่มเติมจำนวนมาก ช่วยให้สามารถจัดองค์ประกอบเครื่องปฏิกรณ์เคมีอัลตราซาวนด์ (เครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมี) ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกระบวนการเฉพาะของคุณได้
อุปกรณ์ทั้งหมดได้รับการปรับให้เหมาะสมแล้วเพื่อให้คาวิเทชันทางเสียงกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและมีรูปแบบการไหลที่เสถียร ซึ่งเป็นประเด็นการออกแบบที่สำคัญที่สุดเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้ในเครื่องปฏิกรณ์เคมีที่กวนด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์
สามารถหลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชันที่ไม่ต้องการได้โดยไล่อากาศออกจากเครื่องปฏิกรณ์ด้วยก๊าซเฉื่อย เช่น การคลุมด้วยก๊าซไนโตรเจน

โซลูชันที่ปรับแต่งเฉพาะสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เคมีของคุณ

นอกจาก Hielscher จะนำเสนอโซลูชันเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์และแบบอินไลน์หลากหลายรูปแบบ ในขนาดและรูปทรงต่าง ๆ ที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมหรือแก้วแล้ว เรายังยินดีผลิตภาชนะเครื่องปฏิกรณ์เคมีพิเศษของคุณ โดยคำนึงถึงการวิเคราะห์และหลักพื้นฐานในการออกแบบตามข้อกำหนดเฉพาะของกระบวนการของคุณ ด้วยทีมวิศวกรและนักพัฒนาเทคนิคที่มีประสบการณ์ยาวนาน เราออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เคมีของคุณให้ตรงตามความต้องการของคุณ ตัวอย่างเช่น สามารถออกแบบขนาด วัสดุ รูปทรง ช่องป้อนและช่องระบาย จำนวนหัวโพรบอัลตราซาวนด์ ฯลฯ เพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์เคมีที่ส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกระบวนการเคมีของคุณ

ตารางด้านล่างแสดงข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: