Ultrazvukem zesílené reaktory s pevným ložem
- Ultrazvukové míchání a disperze aktivuje a zintenzivňuje katalytickou reakci v reaktorech s pevným ložem.
- Sonikace zlepšuje přenos hmoty a tím zvyšuje účinnost, konverzní poměr a výtěžek.
- Další výhodou je odstranění pasivujících zanášecích vrstev z částic katalyzátoru ultrazvukovou kavitací.
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 výkonového ultrazvuku na heterogenní chemické reakce jsou dobře známé a široce používané pro průmyslové katalytické procesy. Katalytické reakce v reaktoru s pevným ložem mohou také těžit z ultrazvukového ošetření. Ultrazvukové ozařování katalyzátoru s pevným ložem vytváří vysoce reaktivní povrchy, zvyšuje transport hmoty mezi kapalnou fází (reaktanty) a katalyzátorem a odstraňuje pasivující povlaky (např. oxidové vrstvy) z povrchu. Ultrazvuková fragmentace křehkých materiálů zvětšuje plochu povrchu a tím přispívá ke zvýšené aktivitě.
Výhody
- Vyšší efektivita
- Zvýšená reaktivita
- Zvýšený konverzní poměr
- Vyšší výnos
- Recyklace katalyzátoru
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.
Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukových účincích na chemické reakce (sonochemie)!
Příklady
- Ultrazvuková předúprava Ni katalyzátoru pro hydrogenační reakce
- Sonikovaný Raney Ni katalyzátor s kyselinou vinnou má za následek velmi vysokou enantioselektivitu
- Ultrazvukem připravené Fischer-Tropschovy katalyzátory
- Sonochemicky ošetřené amorfní práškové katalyzátory pro zvýšenou reaktivitu
- Sonosyntéza amorfních kovových prášků
Ultrazvuková obnova katalyzátoru
Pevné katalyzátory v reaktorech s pevným ložem jsou většinou ve formě kulových kuliček nebo válcových trubic. Během chemické reakce je povrch katalyzátoru pasivován vrstvou znečištění, což způsobuje ztrátu katalytické aktivity a/nebo selektivity v průběhu času. Časová škála rozpadu katalyzátoru se značně liší. Zatímco například úmrtnost krakovacího katalyzátoru může nastat během několika sekund, železný katalyzátor používaný při syntéze amoniaku může vydržet 5–10 let. Deaktivaci katalyzátoru však lze pozorovat u všech katalyzátorů. I když lze pozorovat různé mechanismy (např. chemické, mechanické, tepelné) deaktivace katalyzátoru, zanášení je jedním z nejčastějších typů rozpadu katalyzátoru. Zanášením se rozumí fyzické usazování částic z tekuté fáze na povrch a v pórech katalyzátoru, čímž se blokují reaktivní místa. Zanášení katalyzátoru koksem a uhlíkem je rychle se vyskytující proces a lze jej zvrátit regenerací (např. ultrazvukovým ošetřením).
Ultrazvuková kavitace je úspěšná metoda k odstranění pasivujících zanášících vrstev z povrchu katalyzátoru. Ultrazvuková obnova katalyzátoru se obvykle provádí sonikací částic v kapalině (např. Deionizovaná voda), aby se odstranily zbytky znečištění (např. Platina / křemičitá vlákna pt / SF, niklové katalyzátory).
Ultrazvukové systémy
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.
Chcete-li otestovat svou chemickou reakci pod ultrazvukovým zářením, můžete navštívit naši ultrazvukovou procesní laboratoř a technické centrum v Teltowě!
Kontaktujte nás ještě dnes! Jsme rádi, že s vámi můžeme diskutovat o ultrazvukové intenzifikaci vašeho chemického procesu!
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
Ultrazvukový průtokový systém
- hydrogenace
- Alcylace
- Kyanace
- Etherifikace
- esterifikace
- polymerizace
- Spojenectví
- Bromace
(např. katalyzátory Ziegler-Natta, metaloceny)
Literatura/Odkazy
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Deaktivace a regenerace heterogenního katalyzátoru: přehled. Katalyzátory 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Získávání niklu z použitých katalyzátorů Ni / Al2O3 pomocí kyselého louhování, chelatace a ultrazvuku. Výzkumný časopis nedávných věd, sv. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, K.R.; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, M.S.; Uppalaiah, K. (2012): Ultrazvukem asistovaná regioselektivní nitridace aromatických sloučenin v přítomnosti určitých solí kovů skupiny V a VI. Zelená a udržitelná chemie, 2012, 2, 97-111.
- Šušlick, K. S.; Škrabalák, S. E. (2008): “sonokatalýza” In: Handbook of Heterogeneous Catalysis, sv. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Fakta, která stojí za to vědět
Ultrazvuková kavitace a sonochemie
Spojení výkonového ultrazvuku s kapalinami a suspenzemi má za následek Akustická kavitace. Akustická kavitace označuje jev rychlé tvorby, růstu a implozivního kolapsu dutin naplněných párou. To vytváří velmi krátkodobá "horká místa" s extrémními teplotními špičkami až 5000 K, velmi vysokou rychlostí ohřevu / chlazení nad 109ks-1a tlaky 1000 atm s příslušnými diferenciály – To vše během nanosekundové životnosti.
Výzkumná oblast Sonochemie Zkoumá vliv ultrazvuku při tvorbě akustické kavitace v kapalinách, která iniciuje a/nebo zvyšuje chemickou aktivitu v roztoku.
Heterogenní katalytické reakce
V chemii se heterogenní katalýza týká typu katalytické reakce, kdy se fáze katalyzátoru a reaktanty od sebe liší. V kontextu heterogenní chemie se fáze nepoužívá pouze k rozlišení mezi pevnou látkou, kapalinou a plynem, ale vztahuje se také na nemísitelné kapaliny, např. olej a vodu.
Během heterogenní reakce dochází u jednoho nebo více reaktantů k chemické změně na rozhraní, např. na povrchu pevného katalyzátoru.
Reakční rychlost je závislá na koncentraci reaktantů, velikosti částic, teplotě, katalyzátoru a dalších faktorech.
Koncentrace reaktantu: Obecně platí, že zvýšení koncentrace reaktantu zvyšuje rychlost reakce v důsledku většího rozhraní a tím většího přenosu fáze mezi částicemi reaktantu.
Velikost částic: Pokud je jedním z reaktantů pevná částice, nelze jej zobrazit v rovnici rychlosti, protože rovnice rychlosti ukazuje pouze koncentrace a pevné látky nemohou mít koncentraci, protože jsou v jiné fázi. Velikost částic pevné látky však ovlivňuje reakční rychlost v důsledku dostupného povrchu pro přenos fáze.
Reakční teplota: Teplota souvisí s rychlostní konstantou pomocí Arrheniovy rovnice: k = Ae-EA/RT
Kde Ea je aktivační energie, R je univerzální plynová konstanta a T je absolutní teplota v Kelvinech. A je Arrheniův (frekvenční) faktor. e-EA/RT udává počet částic pod křivkou, které mají energii větší než aktivační energie Ea.
Katalyzátor: Ve většině případů probíhají reakce s katalyzátorem rychleji, protože vyžadují méně aktivační energie. Heterogenní katalyzátory poskytují povrch templátu, na kterém dochází k reakci, zatímco homogenní katalyzátory tvoří meziprodukty, které uvolňují katalyzátor během následujícího kroku mechanismu.
Další faktory: Další faktory, jako je světlo, mohou ovlivnit určité reakce (fotochemie).
Nukleofilní substituce
Nukleofilní substituce je základní třída reakcí v organické (a anorganické) chemii, při které se nukleofil selektivně váže ve formě Lewisovy báze (jako donátor elektronového páru) s organickým komplexem s kladným nebo částečně kladným (+ve) nábojem atomu nebo skupiny atomů, aby nahradil odstupující skupinu. Kladný nebo částečně kladný atom, který je akceptorem elektronového páru, se nazývá elektrofil. Celá molekulární entita elektrofila a opouštějící skupiny se obvykle nazývá substrát.
Nukleofilní substituci lze pozorovat jako dvě různé cesty – Značka SN1 a SN2 reakce. Jakou formu reakčního mechanismu – sN1 nebo SN2 – probíhá, je v závislosti na struktuře chemických sloučenin, typu nukleofilu a rozpouštědla.
Typy deaktivace katalyzátoru
- Otrava katalyzátorem je termín pro silnou chemisorpci látek na katalytických místech, která blokují místa pro katalytickou reakci. Otrava může být reverzibilní nebo nevratná.
- Zanášením se rozumí mechanická degradace katalyzátoru, při které se částice z tekuté fáze usazují na katalytickém povrchu a v pórech katalyzátoru.
- Tepelná degradace a slinování mají za následek ztrátu katalytického povrchu, podpůrné plochy a aktivních fázově-podpůrných reakcí.
- Tvorbou par se rozumí forma chemické degradace, kdy plynná fáze reaguje s katalytickou fází za vzniku těkavých sloučenin.
- Reakce pára-pevná látka a pevná látka-pevná látka vedou k chemické deaktivaci katalyzátoru. Pára, nosič nebo promotor reaguje s katalyzátorem, takže vzniká neaktivní fáze.
- Otěr nebo rozdrcení částic katalyzátoru má za následek ztrátu katalytického materiálu v důsledku mechanického otěru. Vnitřní povrch katalyzátoru se ztrácí v důsledku mechanicky vyvolaného rozdrcení částic katalyzátoru.