Ultralydsintensiverede fastlejereaktorer

Sonikering kan forbedre katalytiske reaktioner i fastlejereaktorer primært ved at intensivere masseoverførslen omkring og inde i det pakkede katalysatorleje. Desuden fjerner sonikering passiverings- og belægningslag fra katalysatoroverfladen og regenererer dermed løbende katalysatoren.

Sådan forbedrer sonikering katalyse i fastlejer

I en fastlejereaktor forbliver katalysatorpartiklerne stationære, mens flydende, gasformige eller flerfasede reaktanter strømmer gennem lejet. Reaktionens effektivitet begrænses ofte af ekstern masseoverførsel, porediffusion, kanaldannelse, belægningsdannelse og varmeoverførselsgradienter. Ultralyd kan reducere flere af disse begrænsninger ved at generere akustisk kavitation, mikrostrømninger, forskydningskræfter og tryksvingninger.

Vigtige effekter af ultralydsintensiverede reaktioner i fastlejer

• Forbedret ekstern masseoverførsel: Ultralydsinducerede mikrostrømninger reducerer det stillestående grænselag omkring katalysatorpartiklerne, så reaktanterne kan nå de aktive steder mere effektivt.
• Forbedret adgang til porerne: Kavitationsinducerede tryksvingninger og væskebevægelse kan forbedre reaktanternes indtrængning i katalysatorporerne og fjernelsen af produkter fra porerne.
• Reduktion af belægningsdannelse og passivering: Sonikering kan hjælpe med at fjerne aflejringer, polymerfilm, koksforstadier eller andre passiverende lag fra katalysatoroverfladerne og dermed opretholde den katalytiske aktivitet i længere tid.

Forbedret kontakt mellem væske og fast stof: Ultralyd fremmer bedre befugtning af katalysatorpartiklerne, hvilket er særligt nyttigt i rislelejesystemer, suspensionstilførte systemer eller fastlejesystemer med væskefase.

• Reduceret kanaldannelse i pakkede lejer: I studier af mikropakkede lejer har ultralyd vist sig at ændre strømningsadfærden og reducere dispersionen, hvilket hjælper reaktoren med at nærme sig en mere ideel stempelstrømning.
• Forbedret varmeoverførsel: Akustiske strømninger og turbulens forbedrer den lokale varmeafledning og reducerer dermed varme punkter eller kolde zoner i katalysatorlejet.
• Højere omsætning og udbytte: Ved at forbedre masseoverførslen og adgangen til katalysatoren kan sonikering øge reaktionshastigheden, omsætningen og produktudbyttet, især når reaktionen er transportbegrænset frem for rent kinetisk begrænset.

Hvordan forbedrer sonikering katalyse i fastlejer?

Hovedmekanismen er akustisk kavitation: Ultralydsbølger skaber mikroskopiske bobler, som vokser og kollapser voldsomt. Deres kollaps genererer lokal forskydning, mikrostråler, chokbølger og intens blanding. Tæt på katalysatoroverfladerne kan disse effekter rense, aktivere og forny grænsefladen mellem fast stof og væske. Oversigtsartikler om sonokatalyse beskriver dette som en synergi mellem ultralyd og faste katalysatorer, der omfatter forbedret varmeoverførsel, masseoverførsel og lokale effekter ved katalytiske overflader.

Sonikering er mest gavnlig, når reaktionen i fastlejet hæmmes af:

• langsom diffusion ind i katalysatorporerne,
• dårlig befugtning af katalysatorpartiklerne,
• ophobning af produkter inde i porerne,
• belægningsdannelse eller overfladepassivering,
• masseoverførselsbegrænset kinetik,
• ujævn fordeling af flerfasestrømningen,
• kanaldannelse gennem det pakkede leje.

Fastlejekatalysatorer

Fastlejer (undertiden også kaldet pakkede lejer) fyldes almindeligvis med katalysatorpellets, som normalt er granulat med diametre fra 1–5mm. De kan fyldes i reaktoren som et enkelt leje, i separate skaller eller i rør. Katalysatorerne er hovedsageligt baseret på metaller som nikkel, kobber, osmium, platin og rhodium.
Effekterne af højintensiv ultralyd på heterogene kemiske reaktioner er velkendte og anvendes i vid udstrækning i industrielle katalytiske processer. Katalytiske reaktioner i en fastlejereaktor drager også fordel af sonikeringsbehandling. Ultralydsbestråling af fastlejekatalysatoren genererer stærkt reaktive overflader, øger massetransporten mellem væskefasen (reaktanterne) og katalysatoren og fjerner passiverende belægninger (f.eks. oxidlag) fra overfladen.

Ultralydsintensivering af katalytiske reaktioner

Blanding og omrøring med ultralyd forbedrer kontakten mellem reaktant- og katalysatorpartikler, skaber stærkt reaktive overflader og igangsætter og/eller fremmer den kemiske reaktion.
Fremstilling af katalysatorer med ultralyd kan medføre ændringer i krystallisationsadfærd, dispersion / deagglomerering og overfladeegenskaber. Desuden kan egenskaberne hos allerede fremstillede katalysatorer påvirkes ved at fjerne passiverende overfladelag, forbedre dispersionen og øge masseoverførslen.

Eksempler på reaktioner forbedret med ultralyd

• Forbehandling af Ni-katalysator med ultralyd til hydrogeneringsreaktioner
• Sonikeret Raney Ni-katalysator med vinsyre giver en meget høj enantioselektivitet
• Fischer-Tropsch-katalysatorer syntetiseret med ultralyd
• Sonokemisk behandlede amorfe pulverkatalysatorer til øget reaktivitet
• Sonosyntese af amorfe metalpulvere

Genvinding af katalysatorer med ultralyd

Faste katalysatorer i fastlejereaktorer anvendes almindeligvis i form af kugleformede perler, pellets, ekstrudater eller cylindriske partikler. Under kemiske reaktioner kan katalysatoroverfladen blive passiveret af et belægningslag, hvilket medfører et gradvist tab af katalytisk aktivitet og/eller selektivitet over tid.
Tidsskalaen for katalysatordeaktivering varierer betydeligt. For eksempel kan deaktivering af en krakningskatalysator ske inden for sekunder, mens en jernkatalysator, der anvendes til ammoniaksyntese, kan forblive aktiv i 5–10 år. Ikke desto mindre observeres katalysatordeaktivering i stort set alle katalytiske processer. Selvom forskellige deaktiveringsmekanismer kan forekomme – herunder kemisk, mekanisk og termisk nedbrydning – er belægningsdannelse en af de mest almindelige årsager til katalysatorforringelse.
Belægningsdannelse betegner den fysiske aflejring af kemiske arter fra fluidfasen på katalysatoroverfladen og inde i dens porer. Disse aflejringer blokerer reaktive steder, begrænser adgangen til porerne og reducerer kontakten mellem reaktanterne og den aktive katalysatoroverflade. Belægningsdannelse på katalysatorer som følge af koks eller kulstofholdige aflejringer er ofte en hurtig proces; i mange tilfælde kan den dog delvist eller fuldstændigt reverseres ved regenerering med ultralyd.

Ultralydskavitation er en effektiv metode til at fjerne passiverende belægningslag fra katalysatoroverflader. Under sonikering genererer højintensiv ultralyd kavitationsbobler i et flydende medium. Deres kollaps frembringer lokale forskydningskræfter, mikrostråler, chokbølger og intens mikroblanding. Disse effekter hjælper med at løsne belægningsrester fra katalysatoroverfladen, genåbne blokerede porer og genskabe adgangen til aktive steder.
Genvinding af katalysatorer med ultralyd udføres typisk ved at dispergere katalysatorpartiklerne i en væske, såsom deioniseret vand eller et egnet opløsningsmiddel, og udsætte suspensionen for kontrolleret ultralydsbehandling. Denne proces kan fjerne belægningsrester fra forskellige katalysatormaterialer, herunder platin-/silicafiberkatalysatorer, nikkelkatalysatorer og andre metalkatalysatorer på bærematerialer. Sonikering kan dermed bidrage til katalysatorregenerering, forlænget katalysatorlevetid og forbedret bæredygtighed i processen.

Klik her for at få mere at vide om regenerering af brugte katalysatorer med ultralyd!

Sonikatorer til integration i kemiske reaktorer

Hielscher Ultrasonics tilbyder forskellige ultralydsprocessorer og varianter til integration af højintensiv ultralyd i fastlejereaktorer. Forskellige ultralydssystemer fås til installation i fastlejereaktorer. Til mere komplekse reaktortyper tilbyder vi skræddersyede ultralydsbaserede løsninger.
Læs, hvordan sonikering forbedrer kemiske reaktioner i forskellige reaktorkonstruktioner!
Du er velkommen til at besøge vores ultralydsproceslaboratorium og tekniske center i Teltow for at teste sonikeringens effekter på din kemiske reaktion!
Kontakt os i dag! Vi drøfter gerne ultralydsintensivering af din kemiske proces med dig!
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for sonikatorer fra Hielscher: