Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Intensificación de reactores de lecho fijo mediante ultrasonidos

  • La mezcla y dispersión ultrasónica activa e intensifica la reacción catalítica en reactores de lecho fijo.
  • La sonicación mejora la transferencia de masa y aumenta la eficiencia, la tasa de conversión y el rendimiento.
  • Un beneficio adicional es la eliminación de las capas pasivadas de suciedad de las partículas del catalizador por cavitación ultrasónica.

Catalizadores de lecho fijo

Los lechos fijos (a veces también llamados lechos de relleno) se cargan comúnmente con gránulos de catalizador, que generalmente son gránulos con diámetros de 1-5 mm. Pueden ser cargados en el reactor en forma de un solo lecho, como conchas 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 del ultrasonido de potencia sobre 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 masas entre la fase líquida (reactivos) y el catalizador, y elimina los recubrimientos pasivantes (por ejemplo, las capas de óxido) de la superficie. La fragmentación por ultrasonidos de materiales frágiles aumenta las superficies y contribuye así a una mayor actividad.

Partículas tratadas por ultrasonidosVentajas

  • Eficiencia mejorada
  • Aumento de la reactividad
  • Aumento de la tasa de conversión
  • mayores rendimientos
  • Reciclaje de catalizadores
Dispersión ultrasónica de sílice

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Intensificación ultrasónica de reacciones catalíticas

La mezcla y agitación ultrasónica mejora el contacto entre el reactivo y las partículas del catalizador, crea superficies altamente reactivas e inicia y/o mejora la reacción química.
La preparación de catalizadores ultrasónicos puede causar cambios en el comportamiento de cristalización, dispersión/desaglomeración y propiedades de la superficie. Además, las características de los catalizadores preformados pueden verse influenciadas por la eliminación de las capas superficiales pasivadas, una mejor dispersión y una mayor transferencia de masa.
Haga clic aquí para saber más sobre los efectos de los ultrasonidos en las reacciones químicas (ecoquímica)!

Ejemplos

  • Pretratamiento ultrasónico de catalizador de Ni para reacciones de hidrogenación
  • El catalizador Raney Ni sonicado con ácido tartárico resulta en una enantioselectividad muy alta.
  • Catalizadores Fischer-Tropsch preparados por ultrasonidos
  • Catalizadores de polvo amorfo tratados sonoquímicamente para una mayor reactividad
  • Sonosíntesis de polvos metálicos amorfos

Recuperación de catalizadores ultrasónicos

Los catalizadores sólidos en los reactores de lecho fijo se presentan principalmente en forma de microesferas o tubos cilíndricos. Durante la reacción química, la superficie del catalizador es pasivada por una capa de fouling causando pérdida de actividad catalítica y/o selectividad con el tiempo. Las escalas de tiempo para la desintegración del catalizador varían considerablemente. Mientras que, por ejemplo, la mortalidad de un catalizador de cracking puede ocurrir en cuestión de segundos, un catalizador de hierro utilizado en la síntesis de amoníaco puede durar de 5 a 10 años. Sin embargo, la desactivación del catalizador puede observarse en todos los catalizadores. Aunque se pueden observar varios mecanismos (por ejemplo, químicos, mecánicos, térmicos) de desactivación del catalizador, el ensuciamiento es uno de los tipos más frecuentes de descomposición del catalizador. El fouling se refiere a la deposición física de especies de la fase líquida en 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 ocurre rápidamente y puede ser revertido por regeneración (por ejemplo, tratamiento ultrasónico).
La cavitación ultrasónica es un método exitoso para eliminar las capas pasivantes de suciedad de la superficie del catalizador. La recuperación del catalizador ultrasónico se lleva a cabo típicamente sonicando las partículas en un líquido (por ejemplo, agua desionizada) para eliminar los residuos de ensuciamiento (por ejemplo, platino / fibra de sílice pt/SF, catalizadores de níquel).

Sistemas de ultrasonidos

Los ultrasonidos de potencia se aplican a catalizadores y reacciones catalíticas. (Haga clic para ampliar!)Hielscher Ultrasonics ofrece varios procesadores ultrasónicos y variaciones para la integración del ultrasonido de potencia en reactores de lecho fijo. Varios sistemas ultrasónicos están disponibles para ser instalados en reactores de lecho fijo. Para los tipos de reactores más complejos, ofrecemos ultrasonidos personalizados soluciones.
Para probar su reacción química bajo radiación ultrasónica, lo invitamos a visitar nuestro laboratorio de procesos ultrasónicos y centro técnico en Teltow!
Contáctenos hoy mismo! Estamos encantados de discutir la intensificación ultrasónica de su proceso químico con usted!
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000
Procesamiento en línea con procesadores ultrasónicos de 7kW de potencia (Haga clic para ampliar)

Sistema de flujo ultrasónico

Reacciones intensificadas por ultrasonidos

  • Hidrogenación
  • Alcilación
  • Cianación
  • Eterificación
  • Esterificación
  • Polimerización
  • (p. ej. catalizadores Ziegler-Natta, metalocens)

  • Alilación
  • Bromo

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Literatura/Referencias



Información interesante

Cavitación ultrasónica y sonoquímica

Acoplar el ultrasonido de potencia a los líquidos y las lechadas resulta en cavitación acústica. La cavitación acústica se refiere al fenómeno de la rápida formación, crecimiento y colapso implosivo de los vacíos llenos de vapor. Esto genera "puntos calientes" de muy corta duración con picos de temperatura extremos de hasta 5000K, tasas de calentamiento/enfriamiento muy altas de más de 109Ks-1y presiones de 1000atm con sus respectivos diferenciales – todo dentro de la vida de un nanosegundo.
El campo de investigación de Sonoquímica investiga el efecto del ultrasonido en la formación de cavitación acústica en líquidos, lo que inicia y/o mejora 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 los reactivos difieren entre sí. En el contexto de la química heterogénea, la fase no sólo se utiliza para distinguir entre sólidos, líquidos y gases, sino que también se refiere a los líquidos inmiscibles, como el petróleo y el agua.
Durante una reacción heterogénea, uno o más reactivos sufren un cambio químico en una interfaz, por ejemplo, en la superficie de un catalizador sólido.
La tasa de reacción depende de la concentración de reactivos, el tamaño de las partículas, la temperatura, el catalizador y otros factores.
Concentración de reactivos: En general, un aumento de la concentración de un reactivo aumenta la tasa de reacción debido a la interfaz más grande y, por lo tanto, una mayor transferencia de fase entre las partículas del reactivo.
Tamaño de las partículas: Cuando uno de los reactantes es una partícula sólida, entonces no puede ser mostrado en la ecuación de tasa, ya que la ecuación de tasa sólo muestra concentraciones y los sólidos no pueden tener una concentración ya que están en una fase diferente. Sin embargo, el tamaño de partícula del sólido afecta 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 la tasa a través de la ecuación de Arrhenius: k = Ae-Ea/RT
Donde Ea es la energía de activación, R es la constante universal de gas y T es la temperatura absoluta en Kelvin. A es el factor Arrhenius (frecuencia). e-Ea/RT da el número de partículas bajo la curva que tienen energía mayor que la energía de activación, Ea.
Catalizador: En la mayoría de los casos, las reacciones ocurren más rápido con un catalizador porque requieren menos energía de activación. Los catalizadores heterogéneos proporcionan una superficie de plantilla 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 ciertas reacciones (fotoquímica).

Sustitución Nucleófila

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 de pares de electrones) con un complejo orgánico con o ataca la carga (+ve) positiva o parcialmente positiva de un átomo o un grupo de átomos para reemplazar a un grupo de salida. El átomo positivo o parcialmente positivo, que es el aceptador de par de electrones, se denomina electrofilo. Toda la entidad molecular del electrofílico y del grupo saliente suele denominarse sustrato.
La sustitución nucleofílica se puede observar como dos vías diferentes – el Sn1 y Sn2 reacción. Qué tipo 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

  • Intoxicación con catalizadores es el término para la fuerte quimisorción de especies en sitios catalíticos que bloquean los sitios para la reacción catalítica. La intoxicación puede ser reversible o irreversible.
  • El ensuciamiento se refiere a la degradación mecánica del catalizador, donde las especies de la fase fluida se depositan en la superficie del catalizador y en los poros del catalizador.
  • La degradación térmica y la sinterización provocan la pérdida de la superficie catalítica, el área de apoyo y las reacciones activas de apoyo de fase.
  • La formación de vapor significa una forma de degradación química, donde 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 reacciona con el catalizador para que se produzca una fase inactiva.
  • La atrición o aplastamiento de las partículas del catalizador resulta en la pérdida de material catalítico debido a la abrasión mecánica. La superficie interna del catalizador se pierde debido a la trituración inducida mecánicamente de la partícula del catalizador.