Оптимізація ефективності хімічного реактора за допомогою високоефективної ультразвукової обробки

Відомо, що ультразвукова обробка інтенсифікує та/або ініціює хімічні реакції. Тому інтеграція високоефективного ультразвуку вважається надійним інструментом для модернізації хімічних реакторів з метою покращення результатів реакцій. Hielscher Ultrasonics пропонує різноманітні рішення для реакторів, щоб оптимізувати ваш хімічний процес. Дізнайтеся, як ультразвук може покращити ваш хімічний реактор!

Як потужний ультразвук покращує хімічні реактори?

Інтеграція одного або кількох ультразвукових зондів (сонотродів) дозволяє передавати потужні ультразвукові хвилі в хімічний реактор. Інтенсивна ультразвукова обробка рідин та суспензій не лише створює сильну турбулентність завдяки акустичним вібраціям, а й відома своїми багатьма ефектами, які визначаються терміном «сонохімія».

Що таке сонохімія? Як вона сприяє реакціям?

Високоінтенсивний ультразвук / потужний ультразвук застосовується до хімічних систем для ініціювання та/або прискорення реакцій, покращення ступеня перетворення та виходу продуктів або зміни шляхів реакції. Фізичним явищем, відповідальним за сонохімічні ефекти, є акустична кавітація. Коли високоінтенсивні ультразвукові хвилі передаються в рідке середовище, хвилі поширюються через рідину, створюючи чергування циклів низького тиску (розрідження) та високого тиску (стиснення). Під час фази низького тиску / розрідження в рідині утворюються крихітні вакуумні бульбашки, які зростають протягом кількох циклів тиску, доки вакуумна бульбашка не досягне точки, де вона не може поглинати подальшу енергію. У точці максимального зростання бульбашки вона імплосує під час циклу високого тиску. Під час імплосивного колапсу бульбашки спостерігається явище кавітації. Ультразвукова кавітація створює так звані «гарячі точки», які характеризуються екстремальними умовами, такими як температура до ∼5000 K з дуже високими швидкостями нагрівання/охолодження > 1000 K s^-1, тисками до ∼1000 bar, а також відповідними температурними та тисковими градієнтами. Рідина або суспензія інтенсивно перемішується струменями рідини та зсувними силами.

Хімічні ефекти (наприклад, утворення радикальних частинок, деформація молекул тощо) та фізичні / фізико-механічні ефекти сонохімії успішно застосовуються до численних хімічних реакцій, таких як органічний каталіз, органокаталітичні реакції, реакції фазового переносу, синтез наночастинок, осадження / кристалізація, золь-гель реакції, реакція Сузукі, реакції Дільса–Альдера, реакції Манніха, реакція Міхаеля, реакції Вюрца та багато інших. Реакції, прискорені сонохімічно, часто демонструють значно підвищений ступінь перетворення, вищі виходи продуктів, прискорену реакцію, більш повне протікання реакції, можуть проводитися з м’якшими розчинниками за кімнатних умов, утворюють менше небажаних побічних продуктів і сприяють розвитку зеленої хімії завдяки високій ефективності.

Партійні хімічні реактори з ультразвуковим приводом

Інтеграція ультразвукових обробників у відкриті або закриті реактори періодичної дії є поширеною технікою для прискорення реакцій у лабораторіях, пілотних установках та виробничих приміщеннях. Залежно від розміру посудини, геометрії та системи хімічної реакції, у реактор періодичної дії можна інтегрувати один або кілька сонотродів. Ультразвукову обробку також часто використовують для покращення реакторів з безперервним перемішуванням (CSTR).

Ультразвукові напівавтоматичні реактори: Звісно, ультразвукову обробку можна також інтегрувати в напівавтоматичні реактори. Для напівавтоматичних систем один хімічний реагент завантажується в реактор, тоді як другий хімічний реагент додається зі сталою об’ємною витратою (наприклад, при повільному подаванні для запобігання побічним реакціям), з’єднуючись у гарячій точці ультразвукової кавітації. Альтернативно, продукт хімічної реакції, який утворюється в результаті реакції в реакторі, безперервно видаляється, наприклад, синтезовані осади або кристали, або проміжний продукт утворення кінцевого продукту, який можна видалити завдяки фазовому розділенню.

Хімічний проточний реактор з ультразвуковим перемішуванням

У проточному реакторі, також відомому як проточна комірка або вбудований реактор, реагенти подаються через один або кілька впускних портів у реакційну камеру, де відбувається хімічна реакція. Після певного часу утримання, необхідного для протікання конкретної реакції, середовище безперервно виводиться з реактора. Ультразвукові проточні комірки та вбудовані реактори дозволяють здійснювати безперервне виробництво продукту, яке залежить лише від безперервної подачі реагентів.

На зображенні показано ультразвуковий обробник UIP1000hdT з реактором періодичної дії (ліворуч) та з проточною коміркою для вбудованої обробки (праворуч).

Високоефективні хімічні сонохімічні реактори

Hielscher Ultrasonics є вашим надійним виробником сонохімічних реакторів та високоефективного ультразвукового обладнання, яке може надійно покращити вашу хімічну реакцію. Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics включає різні типи та класи лабораторних та промислових великомасштабних сонохімічних реакторів для режимів періодичної дії та проточного режиму. Завдяки високоефективній ультразвуковій обробці зондового типу від Hielscher, у реакторах періодичної дії та проточних реакторах надійно досягаються численні переваги – такі як підвищена швидкість реакції, більш повне перетворення, вищі виходи, точне керування реакцією та відмінна загальна ефективність. Розроблені для високої продуктивності та надійності, ультразвукові обробники та сонохімічні реактори Hielscher можуть бути встановлені для використання з агресивними хімікатами, у складних умовах та для важких промислових застосувань.
Ультразвукові реактори Hielscher розроблені з акцентом на рівномірне ультразвукове опромінення середовища, щоб поле акустичного тиску могло рівномірно поширюватися. Виконання цієї вимоги підвищує загальну ефективність сонохімічної реакції, оскільки ультразвук досягає найвищого інтенсифікування процесу.

Схематичний вигляд явищ, що відбуваються в сонохімічному реакторі.
Зображення та дослідження: ©Dahlem et al., 1999.

Асортимент продукції охоплює компактні лабораторні ультразвукові обробники для НДДКР, потужні настільні та пілотні ультразвукові системи, а також повністю промислове обладнання для виробництва великих об’ємів. Це дозволяє проводити безризикові перевірки доцільності в малих масштабах та подальше повністю лінійне масштабування до більших об’ємів.

Точне керування ультразвуковою обробкою

Цифровий кольоровий дисплей та розумне програмне забезпечення з дистанційним керуванням через браузер та автоматичним протоколюванням даних на вбудованій SD-карті дозволяють здійснювати складне налаштування та моніторинг ультразвукових параметрів у сонохімічному реакторі.
Краса сонохімічно керованих реакцій полягає в ефективності, яку можна надійно досягти завдяки оптимізації процесу. Для кожної конкретної реакції можна визначити оптимальну амплітуду ультразвуку, потужність ультразвукового введення, температуру та тиск. Це дозволяє знайти ідеальні параметри ультразвукової обробки, щоб досягти оптимальних результатів реакції та ефективності.

Керування температурою

Усі наші цифрові ультразвукові пристрої оснащені знімним температурним датчиком для безперервного моніторингу температури, який можна занурити в рідину для постійного вимірювання об’ємної температури. Складне програмне забезпечення дозволяє встановити температурний діапазон. Коли температурний ліміт перевищується, ультразвуковий пристрій автоматично зупиняється, доки температура в рідині не знизиться до певної заданої точки, і автоматично відновлює ультразвукову обробку. Усі вимірювання температури, а також інші важливі дані про ультразвуковий процес автоматично записуються на вбудовану SD-картку, і їх можна легко переглянути для контролю процесу.
Сонохімічні реактори від Hielscher доступні з охолоджувальними сорочками. Крім того, можна підключити теплообмінники та чилери, щоб забезпечити бажану температуру процесу.

Готові до використання компоненти для збирання ідеального хімічного реактора

Великий портфель готових до використання ультразвукових пристроїв, зондів (сонотродів), підсилювальних рогів, реакторів періодичної дії та проточних комірок, а також численних додаткових аксесуарів дозволяє налаштувати ідеальний ультразвуковий хімічний реактор (соно-реактор) для вашого конкретного процесу.
Усе обладнання вже оптимізоване для рівномірного розподілу акустичної кавітації та стабільних потоків, які є найважливішими аспектами проектування для отримання однорідних, надійних результатів в ультразвуковому хімічному реакторі з перемішуванням.
Небажане окиснення можна уникнути, продуваючи реактор інертним газом, наприклад, азотною подушкою.

Індивідуальні рішення для вашого хімічного реактора

Хоча Hielscher пропонує різноманітні рішення для реакторів періодичної та потокової дії різних розмірів і геометрій, виготовлені з нержавіючої сталі або скла, ми раді виготовити ваш спеціальний хімічний реакторний судно, враховуючи аналітичні та проектні основи ваших конкретних вимог до процесу. З командою інженерів і технічних розробників із багаторічним досвідом ми спроектуємо ваш хімічний реактор відповідно до ваших потреб. Наприклад, розмір, матеріал, геометрія, порти подачі та розвантаження, кількість ультразвукових зондів тощо можна спроектувати, щоб створити ідеальний ультразвуковий хімічний реактор для вашого хімічного процесу.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових пристроїв: