Ултразвуково усилени реактори с фиксиран слой
Sonication can improve catalytic reactions in fixed-bed reactors mainly by intensifying mass transfer around and inside the packed catalyst bed. Additionally, sonication removes passivation and fouling layers from the catalyst surface thereby continuously regenerating the catalyst.
How Sonication Improves Fixed-Bed Catalysis
In a fixed-bed reactor, the catalyst particles remain stationary while liquid, gas, or multiphase reactants flow through the bed. Reaction performance is often limited by external mass transfer, pore diffusion, channeling, fouling, and heat-transfer gradients. Ultrasound can reduce several of these limitations by generating acoustic cavitation, microstreaming, shear forces, and pressure oscillations.
Соникатор UIP2000hdT integrated in a fixed bed reactor
Key Effects of Ultrasonically-Intensified Fixed Bed Reactions
- Improved external mass transfer: Ultrasonic microstreaming reduces the stagnant boundary layer around catalyst particles, allowing reactants to reach active sites more efficiently.
- Enhanced pore accessibility: Cavitation-induced pressure fluctuations and liquid movement can improve penetration of reactants into catalyst pores and removal of products from pores.
- Reduction of fouling and passivation: Sonication can help remove deposits, polymer films, coke precursors, or other passivating layers from catalyst surfaces, maintaining catalytic activity for longer.
- Reduced channeling in packed beds: In micropacked-bed studies, ultrasound has been shown to modify flow behavior and reduce dispersion, helping the reactor approach more ideal plug-flow behavior.
- Усъвършенстван топлообмен: Acoustic streaming and turbulence improve local heat dissipation, reducing hot spots or cold zones in the catalyst bed.
- Higher conversion and yield: By improving mass transfer and catalyst accessibility, sonication can increase reaction rate, conversion, and product yield, especially when the reaction is transport-limited rather than purely kinetically limited.
Improved liquid-solid contact: Ultrasound promotes better wetting of catalyst particles, which is especially useful in trickle-bed, slurry-fed, or liquid-phase fixed-bed systems.
How does Sonication Improve Fixed Bed Catalysis?
The main mechanism is acoustic cavitation: ultrasonic waves create microscopic bubbles that grow and collapse violently. Their collapse generates local shear, microjets, shockwaves, and intense mixing. Near catalyst surfaces, these effects can clean, activate, and refresh the solid-liquid interface. Reviews of sonocatalysis describe this as a synergy between ultrasound and solid catalysts, involving improved heat transfer, mass transfer, and localized effects at catalytic surfaces.
Sonication is most beneficial when the fixed-bed reaction suffers from:
- slow diffusion into catalyst pores,
- poor wetting of catalyst particles,
- product accumulation inside pores,
- fouling or surface passivation,
- mass-transfer-limited kinetics,
- multiphase flow maldistribution,
- channeling through the packed bed.
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.
The effects of power ultrasound on heterogeneous chemical reactions are well known and widely used for industrial catalytic processes. Catalytic reactions in a fixed bed reactor benefit from sonication treatment, too. Ultrasonic irradiation of the fixed bed catalyst generates highly reactive surfaces, increases the mass transport between liquid phase (reactants) and catalyst, and removes passivating coatings (e.g. oxide layers) from the surface.
- Подобрена ефективност
- Повишена реактивност
- Повишен процент на реализация
- По-висок добив
- Рециклиране на катализатор
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.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- Ултразвукова предварителна обработка на Ni катализатор за реакции на хидрогениране
- Сонираният катализатор Raney Ni с винена киселина води до много висока енантиоселективност
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- Сонохимично обработени аморфни прахообразни катализатори за повишена реактивност
- Соно-синтез на аморфни метални прахове
Ултразвуково възстановяване на катализатор
Solid catalysts in fixed-bed reactors are commonly used in the form of spherical beads, pellets, extrudates, or cylindrical particles. During chemical reactions, the catalyst surface can become passivated by a fouling layer, resulting in a gradual loss of catalytic activity and/or selectivity over time.
The timescale of catalyst deactivation varies considerably. For example, the deactivation of a cracking catalyst may occur within seconds, whereas an iron catalyst used in ammonia synthesis may remain active for 5–10 years. Nevertheless, catalyst deactivation is observed in virtually all catalytic processes. Although different deactivation mechanisms can occur – including chemical, mechanical, and thermal degradation – fouling is one of the most common causes of catalyst decay.
Fouling refers to the physical deposition of species from the fluid phase onto the catalyst surface and within its pores. These deposits block reactive sites, restrict pore accessibility, and reduce contact between reactants and the active catalyst surface. Catalyst fouling by coke or carbonaceous deposits is often a rapid process; however, in many cases it can be partially or fully reversed by ultrasonic regeneration.
Ultrasonic cavitation is an effective method for removing passivating fouling layers from catalyst surfaces. During sonication, high-intensity ultrasound generates cavitation bubbles in a liquid medium. Their collapse produces localized shear forces, microjets, shock waves, and intense micro-mixing. These effects help detach fouling residues from the catalyst surface, reopen blocked pores, and restore access to active sites.
Ultrasonic catalyst recovery is typically carried out by dispersing the catalyst particles in a liquid, such as deionized water or a suitable solvent, and exposing the suspension to controlled ultrasonic treatment. This process can remove fouling residues from various catalyst materials, including platinum/silica fibre catalysts, nickel catalysts, and other supported metal catalysts. As a result, sonication can contribute to catalyst regeneration, extended catalyst lifetime, and improved process sustainability.
Click here to learn more about the ultrasonic regeneration of spent catalysts!
Sonicators for the Integration into Chemical Reactors
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.
Learn how sonication improves chemical reactions in various reactor designs!
To test the effects of sonication on your chemical reaction, you are welcome to visit our ultrasonic process lab and technical center in Teltow!
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:
- Хидрогениране
- Алцилиране
- Цианация
- етерификация
- Естерификация
- полимеризация
- Алилиране
- Бромиране
(напр. катализатори на Ziegler-Natta, металоцени)
Литература / Препратки
- 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.
Факти, които си струва да знаете
Какво е ултразвукова кавитация?
Ultrasonic cavitation is the formation, growth and violent collapse of microscopic vapor or gas bubbles in a liquid exposed to high-intensity ultrasound. During bubble collapse, extreme local conditions can occur for very short times, including high temperature, high pressure, shock waves, microjets and intense shear forces.
Какво е сонохимия?
Sonochemistry is the use of these ultrasonic cavitation effects to initiate, accelerate or modify chemical and physicochemical processes. It is especially relevant in liquid-phase systems because cavitation enhances mixing, mass transfer, emulsification, particle dispersion, catalyst surface cleaning and, in some cases, radical formation. As a result, sonochemistry is used to intensify reactions such as heterogeneous catalysis, oxidation, extraction, polymerization, crystallization and nanomaterial synthesis.
What is a Heterogeneous Catalytic Reaction?
В химията хетерогенната катализа се отнася до вида каталитична реакция, при която фазите на катализатора и реагентите се различават една от друга. В контекста на хетерогенната химия фазата не се използва само за разграничаване между твърдо, течно и газообразно, но се отнася и до несмесващи се течности, например нефт и вода.
По време на хетерогенна реакция един или повече реагенти претърпяват химическа промяна на границата на границата, например на повърхността на твърд катализатор.
Скоростта на реакцията зависи от концентрацията на реагентите, размера на частиците, температурата, катализатора и други фактори.
Концентрация на реагента: Като цяло увеличаването на концентрацията на реагента увеличава скоростта на реакцията поради по-голямата граница на връзката и по този начин по-голям трансфер на фаза между реагентните частици.
Размер на частиците: Когато един от реагентите е твърда частица, тогава той не може да бъде показан в уравнението на скоростта, тъй като уравнението на скоростта показва само концентрации, а твърдите вещества не могат да имат концентрация, тъй като са в различна фаза. Размерът на частиците на твърдото вещество обаче влияе върху скоростта на реакцията поради наличната повърхност за фазов трансфер.
Температура на реакцията: Температурата е свързана с константата на скоростта чрез уравнението на Арениус: k = Ae-Ea/RT
Където Ea е енергията на активиране, R е универсалната газова константа, а T е абсолютната температура в Келвин. A е коефициентът на честотата на Арениус. e-Ea/RT дава броя на частиците под кривата, които имат енергия, по-голяма от енергията на активиране, Ea.
Катализатор: В повечето случаи реакциите протичат по-бързо с катализатор, тъй като изискват по-малко енергия за активиране. Хетерогенните катализатори осигуряват повърхност на матрицата, на която протича реакцията, докато хомогенните катализатори образуват междинни продукти, които освобождават катализатора по време на следваща стъпка от механизма.
Други фактори: Други фактори като светлината могат да повлияят на определени реакции (фотохимия).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- Отравяне с катализатор е терминът за силна хемосорбция на видове на каталитични места, които блокират местата за каталитична реакция. Отравянето може да бъде обратимо или необратимо.
- Замърсяването се отнася до механично разграждане на катализатора, при което видове от течна фаза се отлагат върху каталитичната повърхност и в порите на катализатора.
- Термичното разграждане и синтероване водят до загуба на каталитична повърхност, опорна площ и активни фазови поддържащи реакции.
- Образуването на пара означава форма на химическо разграждане, при която газовата фаза реагира с катализаторната фаза, за да произведе летливи съединения.
- Реакциите пара-твърдо вещество и твърдо-твърдо вещество водят до химическа дезактивация на катализатора. Парата, опората или промоторът реагират с катализатора, така че се получава неактивна фаза.
- Износването или смачкването на частиците катализатор води до загуба на каталитичен материал поради механична абразия. Вътрешната повърхност на катализатора се губи поради механично индуцирано смачкване на частицата катализатор.
Read more about how sonication can reactivate spent catalysts!
What is Nucleophilic Substitution?
Nucleophilic substitution is a fundamental class of reactions in organic (and inorganic) chemistry, in which a nucleophile selectively bonds in form of a Lewis base (as electron pair donator) with an organic complex with or attacks the positive or partially positive (+) charge of an atom or a group of atoms to replace a leaving group. The positive or partially positive atom, which is the electron pair acceptor, is called an electrophile. The whole molecular entity of the electrophile and the leaving group is usually called the substrate.
Нуклеофилното заместване може да се наблюдава като два различни пътя – SN1 и SN2 реакция. Каква форма на механизъм на реакцията – sN1 или SN2 – се осъществява, в зависимост от структурата на химичните съединения, вида на нуклеофила и разтворителя.

