Intensificación de reactores de lecho fijo mediante ultrasonidos
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.
Sonicator 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.
- Transferencia de calor mejorada: 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.
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.
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.
- 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.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- 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
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- Catalizadores de polvo amorfo tratados sonoquímicamente para aumentar la reactividad
- Sono-síntesis de polvos metálicos amorfos
Recuperación ultrasónica de catalizadores
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.
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Sonicators for the Integration into Chemical Reactors
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.
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La tabla siguiente le ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de los sonicadores Hielscher:
- hidrogenación
- Alilación
- Cianación
- eterificación
- esterificación
- Polimerización
- Alilación
- Bromación
(por ejemplo, catalizadores Ziegler-Natta, metalocenos)
Literatura / Referencias
- 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.
Información interesante
¿Qué es la cavitación ultrasónica?
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.
¿Qué es la sonoquímica?
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?
En química, la catálisis heterogénea se refiere al tipo de reacción catalítica en la que las fases del catalizador y de los reactantes 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 partícula del sólido afecta a la velocidad de reacción debido a la superficie disponible para la transferencia de fase.
Temperatura de reacción: La temperatura se relaciona 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).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- 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.
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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.
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.

