Ultrasəslə intensivləşdirilmiş sabit laylı reaktorlar
Ultrasəslə emal əsasən doldurulmuş katalizator layının ətrafında və daxilində kütlə ötürülməsini intensivləşdirməklə sabit laylı reaktorlarda katalitik reaksiyaları yaxşılaşdıra bilər. Bundan əlavə, ultrasəslə emal katalizatorun səthindən passivləşdirici və çirklənmə laylarını təmizləyərək katalizatoru fasiləsiz regenerasiya edir.
Ultrasəslə emal sabit laylı katalizi necə yaxşılaşdırır
Sabit laylı reaktorda katalizator hissəcikləri hərəkətsiz qalır, maye, qaz və ya çoxfazalı reagentlər isə laydan keçir. Reaksiyanın effektivliyi çox vaxt xarici kütlə ötürülməsi, məsamələrdə diffuziya, kanalların əmələ gəlməsi, çirklənmə və istilik ötürülməsi qradiyentləri ilə məhdudlaşır. Ultrasəs akustik kavitasiya, mikroaxınlar, kəsilmə qüvvələri və təzyiq rəqsləri yaradaraq bu məhdudiyyətlərin bir neçəsini azalda bilər.
UIP2000hdT sonikatoru sabit laylı reaktora inteqrasiya edilmişdir
Ultrasəslə intensivləşdirilmiş sabit laylı reaksiyaların əsas təsirləri
- Xarici kütlə ötürülməsinin yaxşılaşması: Ultrasəs mikroaxınları katalizator hissəciklərinin ətrafındakı durğun sərhəd layını azaldaraq reagentlərin aktiv mərkəzlərə daha səmərəli çatmasına imkan verir.
- Məsamələrə əlçatanlığın artması: Kavitasiyanın yaratdığı təzyiq dəyişmələri və mayenin hərəkəti reagentlərin katalizator məsamələrinə nüfuz etməsini və məhsulların məsamələrdən çıxarılmasını yaxşılaşdıra bilər.
- Çirklənmənin və passivləşmənin azalması: Ultrasəslə emal katalizator səthlərindən çöküntülərin, polimer təbəqələrinin, koks prekursorlarının və ya digər passivləşdirici layların təmizlənməsinə kömək edərək katalitik aktivliyi daha uzun müddət saxlaya bilər.
- Doldurulmuş laylarda kanalların əmələ gəlməsinin azalması: Mikrodoldurulmuş laylarla bağlı tədqiqatlarda ultrasəsin axının davranışını dəyişdirdiyi və dispersiyanı azaltdığı göstərilmişdir; bu, reaktorun daha ideal tıxac axını davranışına yaxınlaşmasına kömək edir.
- İstilik ötürülməsinin yaxşılaşması: Akustik axınlar və turbulentlik yerli istilik yayılmasını yaxşılaşdıraraq katalizator layındakı həddindən artıq isti sahələri və ya soyuq zonaları azaldır.
- Daha yüksək çevrilmə və çıxım: Kütlə ötürülməsini və katalizatora əlçatanlığı yaxşılaşdırmaqla ultrasəslə emal reaksiyanın sürətini, çevrilməni və məhsul çıxımını artıra bilər; bu, xüsusilə reaksiyanın yalnız kinetika ilə deyil, daşınma ilə məhdudlaşdığı hallara aiddir.
Maye ilə bərk faza arasındakı təmasın yaxşılaşması: Ultrasəs katalizator hissəciklərinin daha yaxşı islanmasına kömək edir; bu, xüsusilə damcı axınlı, suspenziya ilə qidalanan və ya maye fazalı sabit laylı sistemlərdə faydalıdır.
Ultrasəslə emal sabit laylı katalizi necə yaxşılaşdırır?
Əsas mexanizm akustik kavitasiyadır: ultrasəs dalğaları böyüyən və şiddətlə çökən mikroskopik qabarcıqlar yaradır. Onların çökməsi yerli kəsilmə təsirləri, mikroşırnaqlar, zərbə dalğaları və intensiv qarışma yaradır. Katalizator səthlərinin yaxınlığında bu təsirlər bərk və maye fazalar arasındakı sərhədi təmizləyə, aktivləşdirə və yeniləyə bilər. Sonokatalizə dair icmallarda bu, ultrasəs və bərk katalizatorlar arasında sinergiya kimi təsvir edilir; buraya istilik ötürülməsinin, kütlə ötürülməsinin yaxşılaşması və katalitik səthlərdə yerli təsirlər daxildir.
Ultrasəslə emal sabit laylı reaksiyada aşağıdakı problemlər olduqda ən çox fayda verir:
- katalizator məsamələrinə yavaş diffuziya,
- katalizator hissəciklərinin zəif islanması,
- məhsulun məsamələrin daxilində toplanması,
- çirklənmə və ya səthin passivləşməsi,
- kütlə ötürülməsi ilə məhdudlaşan kinetika,
- çoxfazalı axının qeyri-bərabər paylanması,
- doldurulmuş layda axın kanallarının əmələ gəlməsi.
Sabit laylı katalizatorlar
Sabit laylar (bəzən doldurulmuş lay da adlandırılır) adətən katalizator qranulları ilə doldurulur; bunlar çox vaxt diametri 1–5mm olan dənəciklərdir. Onlar reaktora vahid lay şəklində, ayrı-ayrı qabıqlarda və ya borularda yerləşdirilə bilər. Katalizatorlar əsasən nikel, mis, osmium, platin və rodium kimi metallara əsaslanır.
Güclü ultrasəsin heterogen kimyəvi reaksiyalara təsirləri yaxşı məlumdur və sənaye katalitik proseslərində geniş istifadə olunur. Sabit laylı reaktordakı katalitik reaksiyalar da ultrasəslə emaldan faydalanır. Sabit laylı katalizatora ultrasəs təsiri yüksək reaksiya qabiliyyətli səthlər yaradır, maye faza (reagentlər) ilə katalizator arasında kütlə daşınmasını artırır və səthdən passivləşdirici örtükləri (məsələn, oksid laylarını) təmizləyir.
İşlənmiş katalizatorların yenidən aktivləşdirilməsi və təkrar istifadəsi üçün axın hüceyrəsi ilə təchiz edilmiş UIP1500hdT sonikatoru
- Səmərəliliyin yaxşılaşması
- Reaksiya qabiliyyətinin artması
- Çevrilmə sürətinin artması
- Daha yüksək çıxım
- Katalizatorun təkrar istifadəsi
Katalitik reaksiyaların ultrasəslə intensivləşdirilməsi
Ultrasəslə qarışdırma və çalxalama reagentlə katalizator hissəcikləri arasındakı təması yaxşılaşdırır, yüksək reaksiya qabiliyyətli səthlər yaradır və kimyəvi reaksiyanı başladır və/və ya gücləndirir.
Katalizatorların ultrasəslə hazırlanması kristallaşma davranışında, dispersiya / deaqqlomerasiyada və səth xassələrində dəyişikliklərə səbəb ola bilər. Bundan əlavə, passivləşdirici səth laylarının təmizlənməsi, daha yaxşı dispersiya və kütlə ötürülməsinin artırılması əvvəlcədən hazırlanmış katalizatorların xüsusiyyətlərinə təsir göstərə bilər.
Ultrasəslə yaxşılaşdırılmış reaksiyalara nümunələr
- Hidrogenləşmə reaksiyaları üçün Ni katalizatorunun ultrasəslə ilkin emalı
- Şərab turşusu ilə ultrasəslə emal edilmiş Raney Ni katalizatoru çox yüksək enantioselektivlik təmin edir
- Ultrasəslə sintez edilmiş Fischer-Tropsch katalizatorları
- Reaksiya qabiliyyətini artırmaq üçün sonokimyəvi emal edilmiş amorf toz katalizatorlar
- Amorf metal tozlarının sonosintezi
Katalizatorların ultrasəslə bərpası
Sabit laylı reaktorlarda bərk katalizatorlar adətən sferik dənəciklər, qranullar, ekstrudatlar və ya silindrik hissəciklər şəklində istifadə olunur. Kimyəvi reaksiyalar zamanı katalizatorun səthi çirklənmə layı ilə passivləşə bilər və nəticədə zamanla katalitik aktivlik və/və ya selektivlik tədricən azalır.
Katalizatorun deaktivləşmə müddəti əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir. Məsələn, krekinq katalizatorunun deaktivləşməsi saniyələr ərzində baş verə bilər, ammonyak sintezində istifadə olunan dəmir katalizatoru isə 5–10 il aktiv qala bilər. Bununla belə, katalizatorun deaktivləşməsi demək olar ki, bütün katalitik proseslərdə müşahidə olunur. Kimyəvi, mexaniki və termik deqradasiya daxil olmaqla müxtəlif deaktivləşmə mexanizmləri baş verə bilsə də, çirklənmə katalizatorun fəaliyyətini itirməsinin ən geniş yayılmış səbəblərindən biridir.
Çirklənmə axıcı fazadan maddələrin katalizator səthinə və onun məsamələrinin daxilinə fiziki çökməsini ifadə edir. Bu çöküntülər reaktiv mərkəzləri bloklayır, məsamələrə əlçatanlığı məhdudlaşdırır və reagentlərlə katalizatorun aktiv səthi arasındakı təması azaldır. Katalizatorun koks və ya karbonlu çöküntülərlə çirklənməsi çox vaxt sürətli prosesdir; lakin bir çox halda bu çirklənmə ultrasəslə regenerasiya vasitəsilə qismən və ya tam aradan qaldırıla bilər.
Ultrasəs kavitasiyası katalizator səthlərindən passivləşdirici çirklənmə laylarının təmizlənməsi üçün effektiv üsuldur. Ultrasəslə emal zamanı yüksək intensivlikli ultrasəs maye mühitdə kavitasiya qabarcıqları yaradır. Onların çökməsi yerli kəsilmə qüvvələri, mikroşırnaqlar, zərbə dalğaları və intensiv mikroqarışma yaradır. Bu təsirlər çirklənmə qalıqlarının katalizator səthindən ayrılmasına, bloklanmış məsamələrin yenidən açılmasına və aktiv mərkəzlərə əlçatanlığın bərpasına kömək edir.
Katalizatorların ultrasəslə bərpası adətən katalizator hissəciklərini deionlaşdırılmış su və ya uyğun həlledici kimi bir mayedə dispersləşdirmək və suspenziyanı nəzarət olunan ultrasəs emalına məruz qoymaqla həyata keçirilir. Bu proses platin/silisium dioksid lifli katalizatorlar, nikel katalizatorları və digər daşıyıcılı metal katalizatorlar daxil olmaqla müxtəlif katalizator materiallarından çirklənmə qalıqlarını təmizləyə bilər. Nəticədə ultrasəslə emal katalizatorun regenerasiyasına, xidmət müddətinin uzanmasına və prosesin dayanıqlılığının yaxşılaşmasına töhfə verə bilər.
Kimyəvi reaktorlara inteqrasiya üçün sonikatorlar
Hielscher Ultrasonics güclü ultrasəsin sabit laylı reaktorlara inteqrasiyası üçün müxtəlif ultrasəs prosessorları və onların variantlarını təklif edir. Sabit laylı reaktorlara quraşdırılmaq üçün müxtəlif ultrasəs sistemləri mövcuddur. Daha mürəkkəb reaktor növləri üçün biz fərdi tələblərə uyğunlaşdırılmış ultrasəs həlləri təklif edirik.
Ultrasəslə emalın müxtəlif konstruksiyalı reaktorlarda kimyəvi reaksiyaları necə yaxşılaşdırdığını öyrənin!
Ultrasəslə emalın kimyəvi reaksiyanıza təsirlərini yoxlamaq üçün sizi Teltow şəhərindəki ultrasəs prosesləri laboratoriyamıza və texniki mərkəzimizə dəvət edirik!
Bu gün bizimlə əlaqə saxlayın! Kimyəvi prosesinizin ultrasəslə intensivləşdirilməsini sizinlə məmnuniyyətlə müzakirə edərik!
Aşağıdakı cədvəl Hielscher sonikatorlarının təxmini emal gücü haqqında məlumat verir:
Ultrasəs axın sistemi
- Hidrogenləşmə
- “Alcylation” reaksiyası
- Sianlaşdırma
- Eterləşmə
- Esterləşmə
- Polimerləşmə
- Allilləşmə
- Bromlaşdırma
(məsələn, Ziegler-Natta katalizatorları, metallosenlər)
Ədəbiyyat / İstinadlar
- Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Heterogeneous Catalyst Deactivation and Regeneration: A Review. Catalysts 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Recovery of Nickel from Spent Ni/Al2O3 Catalysts using Acid Leaching, Chelation and Ultrasonication. Research Journal of Recent Sciences Vol. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, K.R.; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, M.S.; Uppalaiah, K. (2012): Ultrasonically Assisted Regioselective Nitration of Aromatic Compounds in Presence of Certain Group V and VI Metal Salts. Green and Sustainable Chemistry, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” In: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Bilməyə dəyər faktlar
Ultrasəs kavitasiyası nədir?
Ultrasəs kavitasiyası yüksək intensivlikli ultrasəsə məruz qalan mayedə mikroskopik buxar və ya qaz qabarcıqlarının əmələ gəlməsi, böyüməsi və şiddətlə çökməsidir. Qabarcıqların çökməsi zamanı çox qısa müddətlər ərzində yüksək temperatur, yüksək təzyiq, zərbə dalğaları, mikroşırnaqlar və intensiv kəsilmə qüvvələri daxil olmaqla ekstremal yerli şərait yarana bilər.
Sonokimya nədir?
Sonokimya kimyəvi və fiziki-kimyəvi prosesləri başlatmaq, sürətləndirmək və ya dəyişdirmək üçün ultrasəs kavitasiyasının bu təsirlərindən istifadə edilməsidir. O, xüsusilə maye fazalı sistemlərdə əhəmiyyətlidir, çünki kavitasiya qarışmanı, kütlə ötürülməsini, emulsiyalaşdırmanı, hissəciklərin dispersləşdirilməsini, katalizator səthinin təmizlənməsini və bəzi hallarda radikalların əmələ gəlməsini gücləndirir. Nəticədə sonokimya heterogen kataliz, oksidləşmə, ekstraksiya, polimerləşmə, kristallaşma və nanomaterial sintezi kimi reaksiyaları intensivləşdirmək üçün istifadə olunur.
Heterogen katalitik reaksiya nədir?
Kimyada heterogen kataliz katalizatorun və reagentlərin fazalarının bir-birindən fərqləndiyi katalitik reaksiya növünü ifadə edir. Heterogen kimya kontekstində faza anlayışı yalnız bərk, maye və qaz hallarını fərqləndirmək üçün istifadə olunmur, həm də bir-biri ilə qarışmayan mayelərə, məsələn, yağ və suya aiddir.
Heterogen reaksiya zamanı bir və ya bir neçə reagent fazalararası sərhəddə, məsələn, bərk katalizatorun səthində kimyəvi dəyişikliyə uğrayır.
Reaksiyanın sürəti reagentlərin qatılığından, hissəcik ölçüsündən, temperaturdan, katalizatordan və digər amillərdən asılıdır.
Reagentin qatılığı: Ümumiyyətlə, reagentin qatılığının artması daha böyük fazalararası sərhəd və bunun nəticəsində reagent hissəcikləri arasında daha çox fazalararası ötürülmə hesabına reaksiyanın sürətini artırır.
Hissəcik ölçüsü: Reagentlərdən biri bərk hissəcik olduqda, onu sürət tənliyində göstərmək mümkün deyil, çünki sürət tənliyi yalnız qatılıqları göstərir və bərk maddələr fərqli fazada olduqlarına görə qatılığa malik ola bilməzlər. Bununla belə, bərk maddənin hissəcik ölçüsü fazalararası ötürülmə üçün mövcud səth sahəsinə görə reaksiyanın sürətinə təsir edir.
Reaksiyanın temperaturu: Temperatur Arrhenius tənliyi vasitəsilə sürət sabiti ilə əlaqələnir: k = Ae-Ea/RT
Burada Ea aktivləşmə enerjisi, R universal qaz sabiti, T isə Kelvinlə ifadə olunan mütləq temperaturdur. A Arrhenius (tezlik) amilidir. e-Ea/RT enerjisi aktivləşmə enerjisi Ea-dan böyük olan, əyrinin altında yerləşən hissəciklərin sayını verir.
Katalizator: Əksər hallarda reaksiyalar katalizatorla daha sürətli gedir, çünki daha az aktivləşmə enerjisi tələb olunur. Heterogen katalizatorlar reaksiyanın baş verdiyi şablon səth təmin edir, homogen katalizatorlar isə mexanizmin sonrakı mərhələsində katalizatoru sərbəst buraxan aralıq məhsullar əmələ gətirir.
Digər amillər: İşıq kimi digər amillər müəyyən reaksiyalara təsir edə bilər (fotokimya).
Katalizatorun deaktivləşməsinin hansı növləri var?
- Katalizatorun zəhərlənməsi maddələrin katalitik mərkəzlərdə güclü kimyəvi adsorbsiyasını ifadə edən termindir; bu maddələr katalitik reaksiya üçün mərkəzləri bloklayır. Zəhərlənmə dönər və ya dönməz ola bilər.
- Çirklənmə katalizatorun mexaniki deqradasiyasını ifadə edir; bu zaman axıcı fazadan maddələr katalitik səthə və katalizatorun məsamələrinə çökür.
- Termik deqradasiya və sinterləşmə katalitik səth sahəsinin, daşıyıcının səth sahəsinin və aktiv faza ilə daşıyıcı arasındakı reaksiyaların itirilməsinə səbəb olur.
- Buxar əmələ gəlməsi qaz fazasının katalizator fazası ilə reaksiyaya girərək uçucu birləşmələr yaratdığı kimyəvi deqradasiya formasını ifadə edir.
- Buxar–bərk və bərk–bərk reaksiyaları katalizatorun kimyəvi deaktivləşməsinə səbəb olur. Buxar, daşıyıcı və ya promotor katalizatorla reaksiyaya girir və nəticədə qeyri-aktiv faza yaranır.
- Katalizator hissəciklərinin aşınması və ya əzilməsi mexaniki sürtünmə nəticəsində katalitik materialın itirilməsinə səbəb olur. Katalizator hissəciyinin mexaniki təsirlə əzilməsi nəticəsində katalizatorun daxili səth sahəsi itirilir.
Ultrasəslə emalın işlənmiş katalizatorları necə yenidən aktivləşdirə biləcəyi haqqında daha çox oxuyun!
Nukleofil əvəzetmə nədir?
Nukleofil əvəzetmə üzvi (və qeyri-üzvi) kimyada fundamental reaksiya sinfidir; bu reaksiyalarda nukleofil Lewis əsası (elektron cütü donoru) kimi ayrılan qrupu əvəz etmək üçün üzvi komplekslə seçici şəkildə rabitə yaradır və ya atomun, yaxud atomlar qrupunun müsbət və ya qismən müsbət (+) yükünə hücum edir. Elektron cütünün akseptoru olan müsbət və ya qismən müsbət yüklü atom elektrofil adlanır. Elektrofilin və ayrılan qrupun birlikdə təşkil etdiyi bütöv molekulyar vahid adətən substrat adlanır.
Nukleofil əvəzetmə iki fərqli yolla müşahidə oluna bilər – SN1 və SN2 reaksiyaları. Reaksiya mexanizminin hansı formasının – SN1 və ya SN2 – baş verməsi kimyəvi birləşmələrin quruluşundan, nukleofilin növündən və həlledicidən asılıdır.