Ultrazvukově intenzifikované reaktory s pevným ložem

Sonikace může zlepšit katalytické reakce v reaktorech s pevným ložem především intenzifikací přenosu hmoty kolem plněného katalytického lože i uvnitř něj. Sonikace navíc odstraňuje pasivační vrstvy a vrstvy úsad z povrchu katalyzátoru, a tím katalyzátor průběžně regeneruje.

Jak sonikace zlepšuje katalýzu v pevném loži

V reaktoru s pevným ložem zůstávají částice katalyzátoru nehybné, zatímco ložem protékají kapalné, plynné nebo vícefázové reaktanty. Výkon reakce je často omezen vnějším přenosem hmoty, difuzí v pórech, kanálkováním, zanášením a gradienty přenosu tepla. Ultrazvuk může několik z těchto omezení zmírnit tím, že vytváří akustickou kavitaci, mikroproudění, smykové síly a tlakové oscilace.

Klíčové účinky ultrazvukově intenzifikovaných reakcí v pevném loži

• Lepší vnější přenos hmoty: Ultrazvukové mikroproudění zmenšuje stagnující mezní vrstvu kolem částic katalyzátoru, takže se reaktanty dostávají k aktivním místům efektivněji.
• Lepší přístupnost pórů: Kolísání tlaku vyvolané kavitací a pohyb kapaliny mohou zlepšit pronikání reaktantů do pórů katalyzátoru a odvod produktů z pórů.
• Omezení zanášení a pasivace: Sonikace může pomoci odstranit z povrchů katalyzátorů úsady, polymerní filmy, prekurzory koksu nebo jiné pasivační vrstvy, a udržet tak katalytickou aktivitu déle.

Lepší kontakt kapaliny s pevnou fází: Ultrazvuk podporuje lepší smáčení částic katalyzátoru, což je užitečné zejména u systémů se skrápěným ložem, se suspenzním nástřikem nebo u systémů s pevným ložem v kapalné fázi.

• Omezení kanálkování v plněných ložích: Ve studiích s mikroplněnými loži bylo prokázáno, že ultrazvuk mění charakter proudění a snižuje disperzi, čímž pomáhá reaktoru přiblížit se ideálnějšímu pístovému toku.
• Lepší přenos tepla: Akustické proudění a turbulence zlepšují místní odvod tepla a omezují horká místa nebo studené zóny v katalytickém loži.
• Vyšší konverze a výtěžek: Díky lepšímu přenosu hmoty a lepší přístupnosti katalyzátoru může sonikace zvýšit reakční rychlost, konverzi a výtěžek produktu, zejména pokud je reakce limitována transportem, a nikoli čistě kineticky.

Jak sonikace zlepšuje katalýzu v pevném loži?

Hlavním mechanismem je akustická kavitace: ultrazvukové vlny vytvářejí mikroskopické bubliny, které rostou a prudce kolabují. Jejich kolaps vyvolává lokální smyk, mikrotrysky, rázové vlny a intenzivní míchání. V blízkosti povrchů katalyzátoru mohou tyto účinky čistit, aktivovat a obnovovat rozhraní pevná látka–kapalina. Přehledové práce o sonokatalýze to popisují jako synergii ultrazvuku a pevných katalyzátorů, zahrnující lepší přenos tepla, přenos hmoty a lokalizované účinky na katalytických površích.

Sonikace je nejpřínosnější, pokud reakce v pevném loži trpí:

• pomalou difuzí do pórů katalyzátoru,
• špatným smáčením částic katalyzátoru,
• hromaděním produktu uvnitř pórů,
• zanášením nebo pasivací povrchu,
• kinetikou limitovanou přenosem hmoty,
• nerovnoměrnou distribucí vícefázového toku,
• kanálkováním skrz plněné lože.

Katalyzátory pro pevné lože

Pevná lože (někdy označovaná také jako plněná lože) se obvykle plní peletami katalyzátoru, což jsou zpravidla granule o průměru 1–5mm. Do reaktoru je lze vložit ve formě jediného 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 využívané v průmyslových katalytických procesech. Ze sonikace těží i katalytické reakce v reaktoru s pevným ložem. Ultrazvukové ozařování katalyzátoru v pevném loži vytváří vysoce reaktivní povrchy, zvyšuje transport hmoty mezi kapalnou fází (reaktanty) a katalyzátorem a odstraňuje z povrchu pasivační povlaky (např. oxidové vrstvy).

Ultrazvuková intenzifikace katalytických reakcí

Ultrazvukové míchání a agitace zlepšuje kontakt mezi částicemi reaktantu a katalyzátoru, vytváří vysoce reaktivní povrchy a iniciuje a/nebo zesiluje chemickou reakci.
Ultrazvuková příprava katalyzátorů může vyvolat změny krystalizačního chování, disperze / deaglomerace a povrchových vlastností. Vlastnosti předem připravených katalyzátorů lze navíc ovlivnit odstraněním pasivačních povrchových vrstev, lepší disperzí a zvýšením přenosu hmoty.

Příklady reakcí zlepšených ultrazvukem

• Ultrazvuková předúprava Ni katalyzátoru pro hydrogenační reakce
• Sonikovaný Raneyův Ni katalyzátor s kyselinou vinnou vede k velmi vysoké enantioselektivitě
• Ultrazvukem syntetizované Fischer-Tropschovy katalyzátory
• Sonochemicky upravené amorfní práškové katalyzátory pro zvýšenou reaktivitu
• Sonosyntéza amorfních kovových prášků

Ultrazvuková obnova katalyzátorů

Pevné katalyzátory v reaktorech s pevným ložem se běžně používají ve formě kulových granulí, pelet, extrudátů nebo válcových částic. Během chemických reakcí může být povrch katalyzátoru pasivován vrstvou úsad, což v průběhu času vede k postupné ztrátě katalytické aktivity a/nebo selektivity.
Časové měřítko deaktivace katalyzátoru se značně liší. Například deaktivace krakovacího katalyzátoru může nastat během několika sekund, zatímco železný katalyzátor používaný při syntéze amoniaku může zůstat aktivní 5–10 let. Deaktivace katalyzátoru je nicméně pozorována prakticky ve všech katalytických procesech. Přestože se mohou uplatnit různé mechanismy deaktivace – včetně chemické, mechanické a tepelné degradace –, patří zanášení k nejčastějším příčinám úbytku aktivity katalyzátoru.
Zanášení označuje fyzikální ukládání látek z tekuté fáze na povrch katalyzátoru a do jeho pórů. Tyto úsady blokují reaktivní místa, omezují přístupnost pórů a snižují kontakt mezi reaktanty a aktivním povrchem katalyzátoru. Zanášení katalyzátoru koksem nebo uhlíkatými úsadami je často rychlý proces; v mnoha případech jej však lze částečně nebo zcela zvrátit ultrazvukovou regenerací.

Ultrazvuková kavitace je účinnou metodou odstraňování pasivačních vrstev úsad z povrchů katalyzátorů. Při sonikaci vytváří vysoce intenzivní ultrazvuk v kapalném médiu kavitační bubliny. Jejich kolaps vyvolává lokalizované smykové síly, mikrotrysky, rázové vlny a intenzivní mikromíchání. Tyto účinky pomáhají uvolnit zbytky úsad z povrchu katalyzátoru, znovu otevřít ucpané póry a obnovit přístup k aktivním místům.
Ultrazvuková obnova katalyzátoru se obvykle provádí tak, že se částice katalyzátoru dispergují v kapalině, například v deionizované vodě nebo ve vhodném rozpouštědle, a suspenze se podrobí řízenému ultrazvukovému ošetření. Tímto postupem lze odstranit zbytky úsad z různých katalytických materiálů, včetně katalyzátorů platina/křemičitá vlákna, niklových katalyzátorů a dalších kovových katalyzátorů na nosiči. Sonikace tak může přispět k regeneraci katalyzátoru, prodloužení jeho životnosti a lepší udržitelnosti procesu.

Kliknutím sem se dozvíte více o ultrazvukové regeneraci použitých katalyzátorů!

Sonikátory pro integraci do chemických reaktorů

Hielscher Ultrasonics nabízí různé ultrazvukové procesory a jejich varianty pro integraci výkonového ultrazvuku do reaktorů s pevným ložem. K instalaci do reaktorů s pevným ložem jsou k dispozici různé ultrazvukové systémy. Pro složitější typy reaktorů nabízíme zakázková ultrazvuková řešení.
Zjistěte, jak sonikace zlepšuje chemické reakce v různých konstrukcích reaktorů!
Chcete-li otestovat účinky sonikace na vaši chemickou reakci, rádi vás přivítáme v naší ultrazvukové procesní laboratoři a technickém centru v Teltow!
Kontaktujte nás ještě dnes! Rádi s vámi probereme ultrazvukovou intenzifikaci vašeho chemického procesu!
Níže uvedená tabulka uvádí přibližnou zpracovatelskou kapacitu sonikátorů Hielscher: