Intensificación de reactores de lecho fijo mediante ultrasonidos
- La mezcla y dispersión ultrasónicas activan e intensifican la reacción catalítica en reactores de lecho fijo.
- La sonicación mejora la transferencia de masa y aumenta así la eficacia, la tasa de conversión y el rendimiento.
- Una ventaja adicional es la eliminación de las capas de suciedad pasivante de las partículas del catalizador mediante cavitación ultrasónica.
Catalizadores de lecho fijo
Los lechos fijos (a veces también llamados lechos empacados) se cargan habitualmente con gránulos de catalizador, que suelen ser gránulos con diámetros de 1-5 mm. Pueden cargarse en el reactor en forma de lecho único, como cáscaras separadas o en tubos. Los catalizadores se basan principalmente en metales como el níquel, el cobre, el osmio, el platino y el rodio.
Los efectos de los ultrasonidos de potencia en las reacciones químicas heterogéneas son bien conocidos y ampliamente utilizados en los procesos catalíticos industriales. Las reacciones catalíticas en un reactor de lecho fijo también pueden beneficiarse del tratamiento ultrasónico. La irradiación ultrasónica del catalizador de lecho fijo genera superficies altamente reactivas, aumenta el transporte de masa entre la fase líquida (reactantes) y el catalizador, y elimina los revestimientos pasivantes (por ejemplo, las capas de óxido) de la superficie. La fragmentación ultrasónica de materiales quebradizos aumenta las áreas superficiales y contribuye así a una mayor actividad.
Ventajas
- Mejora de la eficacia
- Mayor reactividad
- Aumento de la tasa de conversión
- mayores rendimientos
- Reciclado del catalizador
Intensificación ultrasónica de las reacciones catalíticas
El mezclado y la agitación por ultrasonidos mejoran el contacto entre el reactivo y las partículas del catalizador, crean superficies altamente reactivas e inician y/o potencian la reacción química.
La preparación ultrasónica de catalizadores puede provocar cambios en el comportamiento de cristalización, dispersión? desaglomeración y propiedades superficiales. Además, las características de los catalizadores preformados pueden verse influidas por la eliminación de capas superficiales pasivantes, una mejor dispersión, el aumento de la transferencia de masa.
Haga clic aquí para saber más sobre los efectos de los ultrasonidos en las reacciones químicas (sonoquímica).
Ejemplos
- Pretratamiento ultrasónico del catalizador de Ni para reacciones de hidrogenación
- El catalizador Raney Ni sonicado con ácido tartárico da lugar a una enantioselectividad muy elevada
- Catalizadores Fischer-Tropsch preparados por ultrasonidos
- Catalizadores de polvo amorfo tratados sonoquímicamente para aumentar la reactividad
- Sono-síntesis de polvos metálicos amorfos
Recuperación ultrasónica de catalizadores
Los catalizadores sólidos de los reactores de lecho fijo suelen tener forma de perlas o tubos cilíndricos. Durante la reacción química, la superficie del catalizador es pasivada por una capa de suciedad que provoca la pérdida de actividad catalítica y/o selectividad con el tiempo. Las escalas de tiempo para el deterioro del catalizador varían considerablemente. Mientras que, por ejemplo, la mortalidad de un catalizador de craqueo puede producirse en cuestión de segundos, un catalizador de hierro utilizado en la síntesis de amoníaco puede durar entre 5 y 10 años. Sin embargo, la desactivación del catalizador puede observarse en todos los catalizadores. Aunque pueden observarse varios mecanismos (por ejemplo, químicos, mecánicos o térmicos) de desactivación del catalizador, el ensuciamiento es uno de los tipos más frecuentes de deterioro del catalizador. El ensuciamiento se refiere a la deposición física de especies de la fase fluida sobre la superficie y en los poros del catalizador, bloqueando así los sitios reactivos. El ensuciamiento del catalizador con coque y carbono es un proceso que se produce rápidamente y puede invertirse mediante regeneración (por ejemplo, tratamiento ultrasónico).
La cavitación ultrasónica es un método eficaz para eliminar las capas de incrustaciones pasivantes de la superficie del catalizador. La recuperación del catalizador ultrasónico se lleva a cabo normalmente sonicando las partículas en un líquido (por ejemplo, agua desionizada) para eliminar los residuos incrustantes (por ejemplo, platino/fibra de sílice pt/SF, catalizadores de níquel).
sistemas ultrasónicos
Hielscher Ultrasonics ofrece diversos procesadores ultrasónicos y variantes para la integración de ultrasonidos de potencia en reactores de lecho fijo. Disponemos de varios sistemas de ultrasonidos para su instalación en reactores de lecho fijo. Para tipos de reactores más complejos, ofrecemos ultrasónico personalizado soluciones.
Para probar su reacción química bajo radiación ultrasónica, le invitamos a visitar nuestro laboratorio de procesos por ultrasonidos y centro técnico de Teltow.
Póngase en contacto con nosotros Estaremos encantados de hablar con usted sobre la intensificación por ultrasonidos de su proceso químico.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
Sistema de flujo ultrasónico
- hidrogenación
- Alilación
- Cianación
- eterificación
- esterificación
- Polimerización
- Alilación
- Bromación
(por ejemplo, catalizadores Ziegler-Natta, metalocenos)
Literatura/Referencias
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Desactivación y regeneración de catalizadores heterogéneos: 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): “Sonocatálisis” En: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Información interesante
Cavitación ultrasónica y sonoquímica
El acoplamiento de ultrasonidos de potencia en líquidos y lodos da como resultado cavitación acústica. La cavitación acústica se refiere al fenómeno de la rápida formación, crecimiento y colapso implosivo de vacíos llenos de vapor. Esto genera una vida muy efímera “puntos calientes” con picos de temperatura extremos de hasta 5000K, calentamiento muy alto? Velocidades de enfriamiento superiores a 109Ks-1y presiones de 1000atm con diferenciales respectivos – todo ello en nanosegundos de vida.
El campo de investigación de Sonoquímica investiga el efecto de los ultrasonidos en la formación de cavitación acústica en líquidos, que inicia y/o potencia la actividad química en una solución.
Reacciones catalíticas heterogéneas
En química, la catálisis heterogénea se refiere al tipo de reacción catalítica en la que las fases del catalizador y de los reactivos difieren entre sí. En el contexto de la química heterogénea, fase no sólo se utiliza para distinguir entre sólido, líquido y gas, sino que también se refiere a líquidos inmiscibles, por ejemplo, aceite y agua.
Durante una reacción heterogénea, uno o más reactivos sufren un cambio químico en una interfase, por ejemplo, en la superficie de un catalizador sólido.
La velocidad de reacción depende de la concentración de reactivos, el tamaño de las partículas, la temperatura, el catalizador y otros factores.
Concentración de reactivo: En general, el aumento de la concentración de un reactivo incrementa la velocidad de reacción debido a la mayor interfase y, por tanto, a la mayor transferencia de fase entre las partículas reactivas.
Tamaño de las partículas: Cuando uno de los reactivos es una partícula sólida, entonces no se puede mostrar en la ecuación de velocidad, ya que la ecuación de velocidad sólo muestra concentraciones y los sólidos no pueden tener una concentración al estar en una fase diferente. Sin embargo, el tamaño de la partícula del sólido afecta a la velocidad de reacción debido a la superficie disponible para la transferencia de fase.
Temperatura de reacción: La temperatura está relacionada con la constante de velocidad mediante la ecuación de Arrhenius: k = Ae-Ea/RT
Donde Ea es la energía de activación, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta en Kelvin. A es el factor de Arrhenius (frecuencia). e-Ea/RT da el número de partículas bajo la curva que tienen una energía mayor que la energía de activación, Ea.
Catalizador: En la mayoría de los casos, las reacciones se producen más rápidamente con un catalizador porque requieren menos energía de activación. Los catalizadores heterogéneos proporcionan una superficie molde en la que se produce la reacción, mientras que los catalizadores homogéneos forman productos intermedios que liberan el catalizador durante un paso posterior del mecanismo.
Otros factores: Otros factores, como la luz, pueden afectar a determinadas reacciones (fotoquímica).
Sustitución nucleofílica
La sustitución nucleofílica es una clase fundamental de reacciones en química orgánica (e inorgánica), en la que un nucleófilo se une selectivamente en forma de una base de Lewis (como donador del par de electrones) con un complejo orgánico o ataca la carga positiva o parcialmente positiva (+ve) de un átomo o un grupo de átomos para sustituir a un grupo saliente. El átomo positivo o parcialmente positivo, que es el aceptor del par de electrones, se denomina electrófilo. El conjunto molecular formado por el electrófilo y el grupo saliente suele denominarse sustrato.
La sustitución nucleofílica puede observarse en dos vías diferentes – la SN1 y SN2 reacción. ¿Qué forma de mecanismo de reacción – sN1 o SN2 – tiene lugar, depende de la estructura de los compuestos químicos, del tipo de nucleófilo y del disolvente.
Tipos de desactivación de catalizadores
- El envenenamiento de catalizadores es el término para la fuerte quimisorción de especies en los sitios catalíticos que bloquean los sitios para la reacción catalítica. El envenenamiento puede ser reversible o irreversible.
- El ensuciamiento se refiere a una degradación mecánica del catalizador, en la que las especies de la fase fluida se depositan en la superficie catalítica y en los poros del catalizador.
- La degradación térmica y la sinterización provocan la pérdida de superficie catalítica, de área de soporte y de reacciones fase activa-soporte.
- Por formación de vapor se entiende una forma de degradación química, en la que la fase gaseosa reacciona con la fase catalizadora para producir compuestos volátiles.
- Las reacciones vapor-sólido y sólido-sólido provocan la desactivación química del catalizador. El vapor, el soporte o el promotor reaccionan con el catalizador de modo que se produce una fase inactiva.
- El desgaste o aplastamiento de las partículas de catalizador provoca la pérdida de material catalítico debido a la abrasión mecánica. La superficie interna del catalizador se pierde debido al aplastamiento de la partícula catalizadora inducido mecánicamente.