Ultrazvukem zesílené reaktory s pevným ložem
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.
Sonikátor 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.
- Zlepšený přenos tepla: 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.
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.
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.
- 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.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- Ultrazvuková předúprava Ni katalyzátoru pro hydrogenační reakce
- Sonikovaný Raney Ni katalyzátor s kyselinou vinnou má za následek velmi vysokou enantioselektivitu
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- Sonochemicky ošetřené amorfní práškové katalyzátory pro zvýšenou reaktivitu
- Sonosyntéza amorfních kovových prášků
Ultrazvuková obnova katalyzátoru
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 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.
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!
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:
- hydrogenace
- Alcylace
- Kyanace
- Etherifikace
- esterifikace
- polymerizace
- Spojenectví
- Bromace
(např. katalyzátory Ziegler-Natta, metaloceny)
Literatura / Reference
- 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.
Fakta, která stojí za to vědět
Co je ultrazvuková kavitace?
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.
Co je sonochemie?
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?
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).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- 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.
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.
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.

