Ultrazvučno pojačani reaktori s fiksnim ležajem
- Ultrazvučno miješanje i disperzija aktivira i intenzivira katalitičku reakciju u reaktorima s fiksnim slojem.
- Sonikacija poboljšava prijenos mase i time povećava efikasnost, stopu konverzije i prinos.
- Dodatna prednost je uklanjanje pasivizirajućih slojeva zaprljanja sa čestica katalizatora ultrazvučnom kavitacijom.
Katalizatori sa fiksnim slojem
Fiksni slojevi (ponekad se nazivaju i nabijeni sloj) obično su napunjeni peletima katalizatora, koji su obično granule prečnika od 1-5 mm. Mogu se ubaciti u reaktor u obliku jednog kreveta, kao odvojene školjke ili u cijevima. Katalizatori su uglavnom bazirani na metalima kao što su nikl, bakar, osmijum, platina i rodijum.
Efekti ultrazvuka snage na heterogene hemijske reakcije su dobro poznati i široko se koriste u industrijskim katalitičkim procesima. Katalitičke reakcije u reaktorima s fiksnim slojem također mogu imati koristi od ultrazvučnog tretmana. Ultrazvučno zračenje katalizatora u fiksnom sloju stvara visoko reaktivne površine, povećava transport mase između tekuće faze (reaktanata) i katalizatora i uklanja pasivizirajuće prevlake (npr. oksidne slojeve) sa površine. Ultrazvučna fragmentacija krhkih materijala povećava površinu i time doprinosi povećanju aktivnosti.
Prednosti
- Poboljšana efikasnost
- Povećana reaktivnost
- Povećana stopa konverzije
- veći prinos
- Recikliranje katalizatora
Ultrazvučno intenziviranje katalitičkih reakcija
Ultrazvučno miješanje i miješanje poboljšava kontakt između čestica reaktanata i katalizatora, stvara visoko reaktivne površine i pokreće i/ili pojačava kemijsku reakciju.
Ultrazvučna priprema katalizatora može uzrokovati promjene u ponašanju kristalizacije, disperziji/deaglomeraciji i svojstvima površine. Nadalje, na karakteristike prethodno formiranih katalizatora može se utjecati uklanjanjem pasivizirajućih površinskih slojeva, boljom disperzijom, povećanjem prijenosa mase.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnim efektima na kemijske reakcije (sonohemija)!
Primjeri
- Ultrazvučna predtretman Ni katalizatora za reakcije hidrogenacije
- Sonicirani Raney Ni katalizator s vinskom kiselinom rezultira vrlo visokom enantioselektivnošću
- Ultrazvučno pripremljeni Fischer-Tropsch katalizatori
- Sonohemijski tretirani amorfni praškasti katalizatori za povećanu reaktivnost
- Sono-sinteza amorfnih metalnih prahova
Ultrazvučni oporavak katalizatora
Čvrsti katalizatori u reaktorima s fiksnim slojem uglavnom su u obliku šeričkih perli ili cilindričnih cijevi. Tokom hemijske reakcije, površina katalizatora je pasivizirana slojem zagađivanja, što uzrokuje gubitak katalitičke aktivnosti i/ili selektivnosti tokom vremena. Vremenske skale za raspad katalizatora značajno variraju. Dok se, na primjer, smrtnost katalizatora katalizatora pucanja može dogoditi u roku od nekoliko sekundi, željezni katalizator koji se koristi u sintezi amonijaka može trajati 5-10 godina. Međutim, deaktivacija katalizatora se može uočiti za sve katalizatore. Dok se mogu uočiti različiti mehanizmi (npr. hemijski, mehanički, termički) deaktivacije katalizatora, onečišćenje je jedna od najčešćih vrsta raspada katalizatora. Zagađivanje se odnosi na fizičko taloženje vrsta iz fluidne faze na površinu iu pore katalizatora blokirajući time reaktivna mjesta. Zagađivanje katalizatora koksom i ugljenikom je proces koji se brzo odvija i može se poništiti regeneracijom (npr. ultrazvučni tretman).
Ultrazvučna kavitacija je uspješna metoda za uklanjanje pasivizirajućih zagađivača s površine katalizatora. Obnavljanje ultrazvučnog katalizatora se obično izvodi ultrazvučnom obradom čestica u tekućini (npr. dejonizirana voda) kako bi se uklonili ostaci nečistoća (npr. platina/silika vlakna pt/SF, nikl katalizatori).
ultrazvučni sistemi
Hielscher Ultrasonics nudi razne ultrazvučne procesore i varijacije za integraciju ultrazvuka snage u reaktore s fiksnim ležajem. Dostupni su različiti ultrazvučni sistemi za ugradnju u reaktore sa fiksnim slojem. Za složenije tipove reaktora nudimo prilagođeni ultrazvučni rješenja.
Da biste testirali svoju hemijsku reakciju pod ultrazvučnim zračenjem, dobrodošli ste da posetite našu laboratoriju za ultrazvučne procese i tehnički centar u Teltowu!
Kontaktirajte nas danas! Drago nam je da s vama razgovaramo o ultrazvučnom intenziviranju vašeg hemijskog procesa!
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
Ultrazvučni sistem protoka
- hidrogenacija
- Alcilacija
- Cijanacija
- eterifikacija
- esterifikacija
- polimerizacija
- Alilacija
- Bromiranje
(npr. Ziegler-Natta katalizatori, metalocens)
Literatura/Reference
- Argyle, MD; Bartholomew, CH (2015): Heterogena deaktivacija i regeneracija katalizatora: Pregled. Catalysts 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Oporavak nikla iz istrošenih Ni/Al2O3 katalizatora korištenjem kiselog luženja, helacije i ultrazvučne obrade. Research Journal of Recent Sciences Vol. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, KR; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, MS; Uppalaiah, K. (2012): Ultrazvučno potpomognuta regioselektivna nitracija aromatičnih spojeva u prisutnosti određenih metalnih soli grupe V i VI. Zelena i održiva hemija, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonokataliza” U: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (ur.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvučna kavitacija i sonohemija
Spajanje ultrazvuka snage u tekućine do kojih dolazi do kaše akustična kavitacija. Akustična kavitacija se odnosi na fenomen brzog formiranja, rasta i implozivnog kolapsa šupljina ispunjenih parom. Ovo stvara veoma kratkotrajne „vruće tačke“ sa ekstremnim temperaturnim vrhovima do 5000K, veoma visokim stopama grejanja/hlađenja od preko 109Ks-1, i pritisci od 1000atm sa odgovarajućim diferencijalima – sve unutar nanosekundnog životnog vijeka.
Oblast istraživanja Sonochemistry istražuje učinak ultrazvuka na formiranje akustične kavitacije u tekućinama, koja pokreće i/ili pojačava kemijsku aktivnost u otopini.
Heterogene katalitičke reakcije
U hemiji, heterogena kataliza se odnosi na tip katalitičke reakcije u kojoj se faze katalizatora i reaktanata razlikuju jedna od druge. U kontekstu heterogene hemije, faza se ne koristi samo za razlikovanje čvrstog, tečnog i gasnog, već se odnosi i na tečnosti koje se ne mešaju, npr. naftu i vodu.
Tokom heterogene reakcije, jedan ili više reaktanata prolaze kroz hemijsku promenu na interfejsu, npr. na površini čvrstog katalizatora.
Brzina reakcije zavisi od koncentracije reaktanata, veličine čestica, temperature, katalizatora i drugih faktora.
Koncentracija reaktanta: Općenito, povećanje koncentracije reaktanta povećava brzinu reakcije zbog većeg interfejsa i time većeg prijenosa faze između čestica reaktanta.
Veličina čestica: Kada je jedan od reaktanata čvrsta čestica, onda se ne može prikazati u jednadžbi brzine, jer jednačina brzine pokazuje samo koncentracije, a čvrste tvari ne mogu imati koncentraciju budući da su u drugoj fazi. Međutim, veličina čestica čvrste tvari utječe na brzinu reakcije zbog raspoložive površine za prijenos faze.
Temperatura reakcije: Temperatura je povezana sa konstantom brzine preko Arrheniusove jednačine: k = Ae-Ea/RT
Gdje je Ea energija aktivacije, R je univerzalna plinska konstanta, a T je apsolutna temperatura u Kelvinima. A je Arrhenius (frekvencijski) faktor. e-Ea/RT daje broj čestica ispod krivulje koje imaju energiju veću od energije aktivacije, Ea.
katalizator: U većini slučajeva, reakcije se odvijaju brže s katalizatorom jer zahtijevaju manje energije aktivacije. Heterogeni katalizatori daju površinu šablona na kojoj se dešava reakcija, dok homogeni katalizatori formiraju međuproizvode koji oslobađaju katalizator tokom sledećeg koraka mehanizma.
Ostali faktori: Drugi faktori kao što je svjetlost mogu utjecati na određene reakcije (fotohemija).
Nukleofilna supstitucija
Nukleofilna supstitucija je osnovna klasa reakcija u organskoj (i neorganskoj) hemiji, u kojoj se nukleofil selektivno veže u obliku Lewisove baze (kao donator elektronskog para) sa organskim kompleksom sa ili napada pozitivno ili delimično pozitivno (+ve) naboj atoma ili grupe atoma za zamjenu odlazeće grupe. Pozitivan ili djelomično pozitivan atom, koji je akceptor elektronskog para, naziva se elektrofil. Cijeli molekularni entitet elektrofila i odlazeće grupe obično se naziva supstrat.
Nukleofilna supstitucija se može posmatrati kao dva različita puta – Sn1 i Sn2 reakcija. Koji oblik mehanizma reakcije – sn1 ili Sn2 – odvija, zavisi od strukture hemijskih jedinjenja, tipa nukleofila i rastvarača.
Vrste deaktivacije katalizatora
- Trovanje katalizatorom je izraz za snažnu hemisorpciju vrsta na katalitičkim mjestima koja blokiraju mjesta za katalitičku reakciju. Trovanje može biti reverzibilno ili nepovratno.
- Prljanje se odnosi na mehaničku degradaciju katalizatora, gdje se vrste iz fluidne faze talože na katalitičku površinu iu pore katalizatora.
- Termička degradacija i sinterovanje rezultira gubitkom katalitičke površine, površine potpore i aktivnih faza-nosnih reakcija.
- Formiranje pare znači oblik hemijske degradacije, gde gasna faza reaguje sa fazom katalizatora da bi se proizvela isparljiva jedinjenja.
- Reakcije para-čvrsto i čvrsto-čvrsto stanje rezultiraju hemijskom deaktivacijom katalizatora. Para, nosač ili promotor reagiraju s katalizatorom tako da nastaje neaktivna faza.
- Trešenje ili drobljenje čestica katalizatora rezultira gubitkom katalitičkog materijala zbog mehaničke abrazije. Unutrašnja površina katalizatora se gubi zbog mehaničkog drobljenja čestica katalizatora.