Ultrazvukem zesílené reaktory s pevným ložem

Ultrazvukové ozařování může zlepšit katalytické reakce v reaktorech s pevným ložem především tím, že zesiluje přenos hmoty kolem a uvnitř naplněného katalytického lože. Kromě toho ultrazvukové ozařování odstraňuje pasivační a znečišťující vrstvy z povrchu katalyzátoru, čímž katalyzátor průběžně regeneruje.

Jak ultrazvuk zlepšuje katalýzu na pevném loži

V reaktoru s pevným ložem zůstávají částice katalyzátoru nehybné, zatímco kapalné, plynné nebo vícefázové reaktanty protékají ložem. Výkonnost reakce je často omezena vnějším přenosem hmoty, difúzí v pórech, kanálovým prouděním, zanášením a gradienty přenosu tepla. Ultrazvuk může některé z těchto omezení zmírnit tím, že vyvolává akustickou kavitaci, mikroproudění, smykové síly a tlakové oscilace.

Hlavní účinky reakcí v pevném loži zesílených ultrazvukem

• Zlepšený vnější přenos hmoty: Ultrazvukové mikroproudění omezuje stagnující mezní vrstvu kolem částic katalyzátoru, což umožňuje reaktantům účinněji se dostat k aktivním místům.
• Zlepšená přístupnost pórů: Tlakové výkyvy a pohyb kapaliny vyvolané kavitací mohou zlepšit pronikání reaktantů do pórů katalyzátoru a odvod produktů z pórů.
• Omezení tvorby usazenin a pasivace: Ultrazvukové ošetření může pomoci odstranit usazeniny, polymerní vrstvy, prekurzory koksu nebo jiné pasivující vrstvy z povrchů katalyzátorů, čímž se katalytická aktivita udrží po delší dobu.

Lepší kontakt mezi kapalinou a pevnou látkou: Ultrazvuk napomáhá lepšímu smáčení částic katalyzátoru, což je obzvláště užitečné v systémech s kapkovým ložem, se zásobováním suspenzí nebo v systémech s pevným ložem v kapalné fázi.

• Snížení tvorby kanálů v nasypaných ložích: Ve studiích s mikropakovaným ložem bylo prokázáno, že ultrazvuk mění chování proudění a snižuje disperzi, čímž pomáhá reaktoru přiblížit se k ideálnějšímu chování v režimu zátkového proudění.
• Zlepšený přenos tepla: Akustické proudění a turbulence zlepšují lokální odvod tepla, čímž se omezují horká místa či studené zóny v katalytickém loži.
• Vyšší konverze a výnos: Díky zlepšení přenosu hmoty a přístupnosti katalyzátoru může ultrazvukové ozařování zvýšit reakční rychlost, konverzi a výtěžek produktu, zejména pokud je reakce omezena spíše transportem než čistě kinetikou.

Jak ultrazvuk zlepšuje katalýzu na pevném loži?

Hlavním mechanismem je akustická kavitace: ultrazvukové vlny vytvářejí mikroskopické bublinky, které se zvětšují a prudce kolabují. Jejich kolaps vyvolává lokální smykové síly, mikroproudy, rázové vlny a intenzivní míchání. V blízkosti povrchů katalyzátorů mohou tyto jevy čistit, aktivovat a obnovovat rozhraní mezi pevnou látkou a kapalinou. Přehledové studie o sonokatalýze popisují tento jev jako synergii mezi ultrazvukem a pevnými katalyzátory, která zahrnuje zlepšený přenos tepla, přenos hmoty a lokalizované účinky na katalytických površích.

Ultrazvuková léčba je nejúčinnější v případech, kdy reakce v pevném loži trpí:

• pomalá difúze do pórů katalyzátoru,
• nedostatečné smáčení částic katalyzátoru,
• hromadění produktu v pórech,
• usazování nečistot nebo pasivace povrchu,
• kinetika omezená přenosem hmoty,
• nerovnoměrné rozložení vícefázového proudění,
• průtok přes nasypané lože.

Katalyzátory s pevným ložem

Pevná lůžka (někdy také nazývaná balené lože) jsou běžně zatížena peletami katalyzátoru, což jsou obvykle granule o průměrech od 1 do 5 mm. Mohou být do reaktoru zavezeny ve formě samostatného lože, jako samostatné pláště nebo v trubkách. Katalyzátory jsou většinou založeny na kovech, jako je nikl, měď, osmium, platina a rhodium.
Účinky výkonného ultrazvuku na heterogenní chemické reakce jsou dobře známé a široce se využívají v průmyslových katalytických procesech. Katalytické reakce v reaktoru s pevným ložem rovněž těží z ošetření ultrazvukem. Ultrazvukové ozáření katalyzátoru ve fixním loži vytváří vysoce reaktivní povrchy, zvyšuje přenos hmoty mezi kapalnou fází (reaktanty) a katalyzátorem a odstraňuje pasivační povlaky (např. oxidové vrstvy) z povrchu.

Ultrazvuková intenzifikace katalytických reakcí

Ultrazvukové míchání a míchání zlepšuje kontakt mezi částicemi reaktantu a katalyzátoru, vytváří vysoce reaktivní povrchy a iniciuje a/nebo zvyšuje chemickou reakci.
Příprava ultrazvukového katalyzátoru může způsobit změny v krystalizačním chování, disperzi / deaglomeraci a povrchových vlastnostech. Kromě toho mohou být vlastnosti předem vytvořených katalyzátorů ovlivněny odstraněním pasivačních povrchových vrstev, lepší disperzí, zvýšením přenosu hmoty.

Příklady reakcí vylepšených pomocí ultrazvuku

• Ultrazvuková předúprava Ni katalyzátoru pro hydrogenační reakce
• Sonikovaný Raney Ni katalyzátor s kyselinou vinnou má za následek velmi vysokou enantioselektivitu
• Ultrazvukem syntetizované katalyzátory Fischer-Tropschovy reakce
• Sonochemicky ošetřené amorfní práškové katalyzátory pro zvýšenou reaktivitu
• Sonosyntéza amorfních kovových prášků

Ultrazvuková obnova katalyzátoru

Pevné katalyzátory v reaktorech s pevným ložem se běžně používají ve formě kulovitých kuliček, pelet, extrudátů nebo válcovitých částic. Během chemických reakcí může dojít k pasivaci povrchu katalyzátoru vrstvou usazenin, což v průběhu času vede k postupné ztrátě katalytické aktivity a/nebo selektivity.
Časový průběh deaktivace katalyzátoru se značně liší. Například k deaktivaci krakovacího katalyzátoru může dojít během několika sekund, zatímco železný katalyzátor používaný při syntéze amoniaku může zůstat aktivní po dobu 5–10 let. Deaktivace katalyzátoru se nicméně vyskytuje prakticky ve všech katalytických procesech. Ačkoli mohou nastat různé mechanismy deaktivace – včetně chemické, mechanické a tepelné degradace – Ukládání nečistot je jednou z nejčastějších příčin znehodnocení katalyzátoru.
Znečištěním se rozumí fyzické usazování látek z kapalné fáze na povrchu katalyzátoru a v jeho pórech. Tyto usazeniny blokují reaktivní místa, omezují přístupnost pórů a snižují kontakt mezi reaktanty a aktivním povrchem katalyzátoru. Znečištění katalyzátoru koksem nebo uhlíkatými usazeninami je často rychlý proces; v mnoha případech jej však lze částečně nebo zcela zvrátit pomocí ultrazvukové regenerace.

Ultrazvuková kavitace je účinná metoda k odstranění pasivujících nánosů z povrchů katalyzátorů. Během sonikace vytváří vysoce intenzivní ultrazvuk v kapalném médiu kavitační bubliny. Jejich kolaps vyvolává lokální smykové síly, mikroproudy, rázové vlny a intenzivní mikromíchání. Tyto jevy napomáhají uvolnění usazenin z povrchu katalyzátoru, znovuotevření ucpaných pórů a obnovení přístupu k aktivním místům.
Regenerace katalyzátoru pomocí ultrazvuku se obvykle provádí tak, že se částice katalyzátoru rozptýlí v kapalině, jako je deionizovaná voda nebo vhodné rozpouštědlo, a suspenze se vystaví řízenému působení ultrazvuku. Tento proces umožňuje odstranit znečišťující zbytky z různých katalytických materiálů, včetně katalyzátorů na bázi platiny a křemičitých vláken, niklových katalyzátorů a dalších katalyzátorů s kovovým nosičem. Díky tomu může ultrazvuková úprava přispět k regeneraci katalyzátoru, prodloužení jeho životnosti a zvýšení udržitelnosti procesu.

Klikněte sem a dozvíte se více o ultrazvukové regeneraci vyčerpaných katalyzátorů!

Ultrazvukové přístroje pro integraci do chemických reaktorů

Hielscher Ultrasonics nabízí různé ultrazvukové procesory a varianty pro integraci výkonového ultrazvuku do reaktorů s pevným ložem. K dispozici jsou různé ultrazvukové systémy, které lze instalovat do reaktorů s pevným ložem. Pro složitější typy reaktorů nabízíme ultrazvukové na míru řešení.
Zjistěte, jak ultrazvuk zlepšuje chemické reakce v různých typech reaktorů!
Chcete-li otestovat vliv ultrazvuku na vaši chemickou reakci, srdečně vás zveme k návštěvě naší laboratoře pro ultrazvukové procesy a technického centra v Teltowu!
Kontaktujte nás ještě dnes! Jsme rádi, že s vámi můžeme diskutovat o ultrazvukové intenzifikaci vašeho chemického procesu!
Níže uvedená tabulka uvádí přibližnou kapacitu zpracování sonikátorů Hielscher: