Ултразвуково усилени реактори с фиксиран слой

Ултразвуковото обработване може да подобри каталитичните реакции в реактори с фиксирано легло, главно чрез засилване на масообмена около и вътре в набитото каталитично легло. Освен това ултразвуковото обработване премахва пасивационните и замърсяващите слоеве от повърхността на катализатора, като по този начин непрекъснато регенерира катализатора.

Как ултразвуковото въздействие подобрява катализата в неподвижно легло

В реактор с фиксирано легло частиците на катализатора остават неподвижни, докато течни, газови или многофазни реагенти преминават през леглото. Ефективността на реакцията често се ограничава от външния масов пренос, дифузията през порите, канализирането, наслагването и градиентите на топлопредаване. Ултразвукът може да намали някои от тези ограничения чрез генериране на акустична кавитация, микропотоци, срязващи сили и колебания на налягането.

Основни ефекти при реакциите в неподвижно легло, усилвани с ултразвук

• Подобрен външен масов обмен: Ултразвуковото микропоточене намалява застоялия граничен слой около частиците на катализатора, което позволява на реагентите да достигнат активните центрове по-ефективно.
• Подобрена достъпност на порите: Колебанията в налягането и движението на течността, предизвикани от кавитация, могат да подобрят проникването на реагентите в порите на катализатора и отстраняването на продуктите от порите.
• Намаляване на обрастването и пасивиране: Ултразвуковата обработка може да спомогне за отстраняването на отлагания, полимерни филми, прекурсори на кокс или други пасивиращи слоеве от повърхностите на катализаторите, като по този начин се поддържа каталитичната активност за по-дълго време.

Подобрен контакт между течността и твърдото вещество: Ултразвукът спомага за по-доброто овлажняване на частиците на катализатора, което е особено полезно в системи с капково легло, системи със захранване със суспензия или системи с фиксирано легло в течна фаза.

• Намалено канализиране в плътни слоеве: В изследвания с микропакетирани слоеве е доказано, че ултразвукът променя поведението на потока и намалява дисперсията, като по този начин помага на реактора да се доближи до по-идеалното поведение на запушен поток.
• Усъвършенстван топлообмен: Акустичното проветряване и турбулентността подобряват локалното разсейване на топлината, като намаляват горещите точки или студените зони в каталитичния слой.
• По-висока конверсия и добив: Чрез подобряване на масообмена и достъпа до катализатора ултразвуковата обработка може да повиши скоростта на реакцията, степента на превръщане и добива на продукта, особено когато реакцията е ограничена от транспортни фактори, а не чисто кинетично.

Как ултразвуковата обработка подобрява катализата в неподвижно легло?

Основният механизъм е акустичната кавитация: ултразвуковите вълни създават микроскопични мехурчета, които нарастват и се разрушават бурно. Тяхното разрушаване генерира локално срязване, микроструи, ударни вълни и интензивно смесване. В близост до повърхностите на катализаторите тези ефекти могат да почистят, активират и обновят границата между твърдото и течното състояние. В обзорите на сонокатализата това се описва като синергия между ултразвука и твърдите катализатори, включваща подобрен топлообмен, масов обмен и локализирани ефекти върху каталитичните повърхности.

Ултразвуковото третиране е най-ефективно, когато реакцията в неподвижно легло се сблъсква със следните проблеми:

• бавно проникване в порите на катализатора,
• недостатъчно овлажняване на частиците на катализатора,
• натрупване на продукт в порите,
• образуване на отлагания или пасивиране на повърхността,
• кинетика, ограничена от масопренос,
• неравномерно разпределение на многофазното течение,
• преминаване през набитото слоево легло.

Катализатори с фиксиран слой

Фиксираните легла (понякога наричани още натъпкани легла) обикновено се зареждат с катализаторни пелети, които обикновено са гранули с диаметър от 1-5 мм. Те могат да бъдат заредени в реактора под формата на единично легло, като отделни обвивки или в тръби. Катализаторите се основават предимно на метали като никел, мед, осмий, платина и родий.
Ефектите от мощния ултразвук върху хетерогенните химични реакции са добре известни и широко използвани в промишлените каталитични процеси. Каталитичните реакции в реактор с неподвижно легло също се възползват от обработката с ултразвук. Ултразвуковото облъчване на катализатора в реактора с фиксирано легло създава силно реактивни повърхности, увеличава масовия транспорт между течната фаза (реагенти) и катализатора и отстранява пасивиращите покрития (например оксидни слоеве) от повърхността.

Ултразвукова интензификация на каталитичните реакции

Ултразвуковото смесване и разбъркване подобрява контакта между реагентите и частиците катализатор, създава силно реактивни повърхности и инициира и/или засилва химическата реакция.
Ултразвуковият катализатор може да причини промени в поведението на кристализация, дисперсията / деагломерацията и свойствата на повърхността. Освен това, характеристиките на предварително оформените катализатори могат да бъдат повлияни чрез премахване на пасивиращи повърхностни слоеве, по-добра дисперсия, увеличаване на преноса на маса.

Примери за реакции, подобрени чрез ултразвук

• Ултразвукова предварителна обработка на Ni катализатор за реакции на хидрогениране
• Сонираният катализатор Raney Ni с винена киселина води до много висока енантиоселективност
• Ултразвуково синтезирани катализатори по метода на Фишер-Тропш
• Сонохимично обработени аморфни прахообразни катализатори за повишена реактивност
• Соно-синтез на аморфни метални прахове

Ултразвуково възстановяване на катализатор

Твърдите катализатори в реактори с неподвижно легло обикновено се използват под формата на сферични топчета, пелети, екструдирани продукти или цилиндрични частици. По време на химичните реакции повърхността на катализатора може да се пасивира от наслояване, което води до постепенна загуба на каталитична активност и/или селективност с течение на времето.
Времевата скала на деактивацията на катализаторите варира значително. Например, деактивацията на катализатор за крекинг може да настъпи в рамките на секунди, докато железен катализатор, използван при синтеза на амоняк, може да остане активен в продължение на 5–10 години. Въпреки това деактивация на катализаторите се наблюдава практически във всички каталитични процеси. Въпреки че могат да възникнат различни механизми на деактивация – включително химично, механично и термично разграждане – Наслагването е една от най-честите причини за износването на катализатора.
Под „запушване“ се разбира физическото отлагане на вещества от течната фаза върху повърхността на катализатора и в неговите пори. Тези отлагания блокират реактивните центрове, ограничават достъпа до порите и намаляват контакта между реагентите и активната повърхност на катализатора. Замърсяването на катализатора с кокс или въглеродни отлагания често е бърз процес; въпреки това, в много случаи то може да бъде частично или напълно премахнато чрез ултразвукова регенерация.

Ултразвуковата кавитация е ефективен метод за отстраняване на пасивиращи наслоения от повърхностите на катализаторите. По време на ултразвуковата обработка ултразвукът с висока интензивност генерира кавитационни мехурчета в течна среда. Тяхното разрушаване води до локализирани срязващи сили, микроструи, ударни вълни и интензивно микросмесване. Тези ефекти спомагат за отлепването на остатъците от наслояванията от повърхността на катализатора, отварянето на запушените пори и възстановяването на достъпа до активните центрове.
Възстановяването на катализатора чрез ултразвук обикновено се извършва чрез диспергиране на катализаторните частици в течност, като дейонизирана вода или подходящ разтворител, и подлагане на суспензията на контролирана ултразвукова обработка. Този процес може да отстрани остатъците от нагари от различни катализаторни материали, включително катализатори от платина/силициеви влакна, никелови катализатори и други метални катализатори на носител. В резултат на това ултразвуковата обработка може да допринесе за регенерацията на катализатора, удължаването на неговия експлоатационен срок и подобряването на устойчивостта на процеса.

Кликнете тук, за да научите повече за ултразвуковата регенерация на отработени катализатори!

Ултразвукови апарати за вграждане в химически реактори

Hielscher Ultrasonics предлага различни ултразвукови процесори и вариации за интегриране на силов ултразвук в реактори с фиксиран слой. Предлагат се различни ултразвукови системи за инсталиране в реактори с фиксиран слой. За по-сложни видове реактори предлагаме персонализиран ултразвук Решения.
Разберете как ултразвуковото обработване подобрява химичните реакции в различни типове реактори!
За да проверите ефектите от ултразвуковата обработка върху вашата химична реакция, можете да посетите нашата лаборатория за ултразвукови процеси и техническия ни център в Телтов!
Свържете се с нас днес! Радваме се да обсъдим с Вас ултразвуковата интензификация на Вашия химичен процес!
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на сонаторите на Hielscher: