Ultraheli intensiivistatud fikseeritud voodiga reaktorid
- Ultraheli segamine ja dispersioon aktiveerib ja intensiivistab katalüütilist reaktsiooni fikseeritud voodireaktorites.
- Ultrahelitöötlus parandab massiülekannet ja suurendab seeläbi tõhusust, konversioonimäära ja saagikust.
- Täiendav eelis on passiivsete saastavate kihtide eemaldamine katalüsaatoriosakestest ultraheli kavitatsiooni teel.
Fikseeritud voodi katalüsaatorid
Fikseeritud voodid (mõnikord nimetatakse ka pakitud voodiks) on tavaliselt koormatud katalüsaatorgraanulitega, mis on tavaliselt graanulid läbimõõduga 1-5 mm. Neid saab reaktorisse laadida üheinimesevoodina, eraldi kestadena või torudena. Katalüsaatorid põhinevad enamasti metallidel nagu nikkel, vask, osmium, plaatina ja roodium.
Võimsuse ultraheli mõju heterogeensetele keemilistele reaktsioonidele on hästi teada ja seda kasutatakse laialdaselt tööstuslikes katalüütilistes protsessides. Katalüütilised reaktsioonid fikseeritud voodiga reaktoris võivad kasu saada ka ultraheliravist. Fikseeritud voodikatalüsaatori ultraheli kiiritamine tekitab väga reaktiivseid pindu, suurendab massitransporti vedela faasi (reaktiivide) ja katalüsaatori vahel ning eemaldab pinnalt passiivsed katted (nt oksiidikihid). Rabedate materjalide ultraheli killustumine suurendab pindalasid und aitab seeläbi suurendada aktiivsust.
Eelised
- Parem tõhusus
- Suurenenud reaktsioonivõime
- Suurenenud konversioonimäär
- Suurem saagikus
- Katalüsaatori ringlussevõtt
Katalüütiliste reaktsioonide ultraheli intensiivistamine
Ultraheli segamine ja segamine parandab reagendi ja katalüsaatori osakeste vahelist kontakti, loob väga reaktiivsed pinnad ja algatab ja / või suurendab keemilist reaktsiooni.
Ultraheli katalüsaatori ettevalmistamine võib põhjustada muutusi kristalliseerumiskäitumises, dispersioonis / deagglomeratsioonis ja pinna omadustes. Lisaks saab eelnevalt moodustatud katalüsaatorite omadusi mõjutada passiivsete pinnakihtide eemaldamine, parem dispersioon, massiülekande suurendamine.
Klõpsake siin, et saada lisateavet ultraheli mõju kohta keemilistele reaktsioonidele (sonochemistry)!
Näited
- Ni katalüsaatori ultraheli eeltöötlus hüdrogeenimisreaktsioonide jaoks
- Sonikeeritud Raney Ni katalüsaator viinhappega annab tulemuseks väga kõrge enantioselektiivsuse
- Ultraheli ettevalmistatud Fischer-Tropschi katalüsaatorid
- Sonokeemiliselt töödeldud amorfsed pulberkatalüsaatorid reaktiivsuse suurendamiseks
- Amorfsete metallipulbrite sono-süntees
Ultraheli katalüsaatori taastamine
Tahked katalüsaatorid fikseeritud voodireaktorites on enamasti sheraalsete helmeste või silindriliste torude kujul. Keemilise reaktsiooni ajal passiveeritakse katalüsaatori pind saastava kihiga, mis põhjustab katalüütilise aktiivsuse ja/või selektiivsuse kadu aja jooksul. Katalüsaatori lagunemise ajaskaalad varieeruvad märkimisväärselt. Kui näiteks krakkimiskatalüsaatori katalüsaatori suremus võib tekkida sekunditega, siis ammoniaagi sünteesil kasutatav raudkatalüsaator võib kesta 5–10 aastat. Kuid katalüsaatorite deaktiveerimist võib täheldada kõigi katalüsaatorite puhul. Kuigi võib täheldada erinevaid katalüsaatorite deaktiveerimise mehhanisme (nt keemiline, mehaaniline, termiline), on saastumine üks kõige sagedasemaid katalüsaatori lagunemise liike. Saastumine tähendab liikide füüsilist sadestumist vedelast faasist pinnale ja katalüsaatori pooridesse, blokeerides seeläbi reaktiivsed kohad. Koksi ja süsiniku katalüsaatori saastumine on kiire protsess ja seda saab regenereerimise (nt ultraheliravi) abil tagasi pöörata.
Ultraheli kavitatsioon on edukas meetod passiivsete saastavate kihtide eemaldamiseks katalüsaatori pinnalt. Ultraheli katalüsaatori taaskasutamine toimub tavaliselt osakeste ultraheliga töötlemisel vedelikus (nt deioniseeritud vees), et eemaldada saastavad jäägid (nt plaatina / ränidioksiidi kiud pt / SF, nikkelkatalüsaatorid).
Ultraheli süsteemid
Hielscher Ultrasonics pakub erinevaid ultraheli protsessoreid ja variatsioone võimsuse ultraheli integreerimiseks fikseeritud voodiga reaktoritesse. Fikseeritud voodireaktoritesse paigaldamiseks on saadaval erinevaid ultraheli süsteeme. Keerukamate reaktoritüüpide puhul pakume kohandatud ultraheli Lahendusi.
Keemilise reaktsiooni testimiseks ultraheli kiirguse all olete teretulnud külastama meie ultraheli protsessi laborit ja tehnikakeskust Teltowis!
Võtke meiega ühendust juba täna! Meil on hea meel arutada teiega teie keemilise protsessi ultraheli intensiivistamist!
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
Ultraheli voolusüsteem
- hüdrogeenimine
- Alcyülion
- Tsüaneerimine
- eeterdamine
- esterdamine
- polümerisatsioon
- Allüülimine
- Broomimine
(nt Ziegler-Natta katalüsaatorid, metallotseenid)
Kirjandus / viited
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Heterogeenne katalüsaatori deaktiveerimine ja regenereerimine: ülevaade. Katalüsaatorid 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): nikli taaskasutamine kasutatud Ni / Al2O3 katalüsaatoritest, kasutades happe leostumist, kelaatimist ja ultraheli. Viimaste teaduste teadusajakiri, 1. kd; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, K.R.; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, M.S.; Uppalaiah, K. (2012): Aromaatsete ühendite ultraheli abil regioselektiivne nitreerimine teatud V ja VI rühma metallisoolade juuresolekul. Roheline ja jätkusuutlik keemia, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonokatalüüs” In: Heterogeense katalüüsi käsiraamat, kd 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Toim.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Faktid, mida tasub teada
Ultraheli kavitatsioon ja sonokeemia
Võimsuse ultraheli ühendamine vedelikega läga tulemuseks on akustiline kavitatsioon. Akustiline kavitatsioon viitab auruga täidetud tühimike kiirele moodustumisele, kasvule ja implosiivsele kokkuvarisemisele. See tekitab väga lühiajalisi "kuumi kohti", mille äärmuslikud temperatuuritipud on kuni 5000K, väga kõrged kütte- / jahutuskiirused üle 109Ks-1ja rõhud 1000atm koos vastavate diferentsiaalidega – kõik nanosekundilise eluea jooksul.
Uurimisvaldkond Sonochemistry uurib ultraheli mõju akustilise kavitatsiooni moodustamisel vedelikes, mis käivitab ja/või suurendab keemilist aktiivsust lahuses.
Heterogeensed katalüütilised reaktsioonid
Keemias viitab heterogeenne katalüüs katalüütilise reaktsiooni tüübile, kus katalüsaatori ja reaktiivide faasid erinevad üksteisest. Heterogeense keemia kontekstis ei kasutata faasi mitte ainult tahke, vedela ja gaasi eristamiseks, vaid see viitab ka segunematutele vedelikele, nt õlile ja veele.
Heterogeense reaktsiooni käigus toimub üks või mitu reaktiivi liideses, nt tahke katalüsaatori pinnal, keemiline muundumine.
Reaktsioonikiirus sõltub reaktiivide kontsentratsioonist, osakeste suurusest, temperatuurist, katalüsaatorist ja täiendavatest teguritest.
Reagendi kontsentratsioon: Üldiselt suurendab reagendi kontsentratsiooni suurenemine reaktsiooni kiirust suurema liidese ja seeläbi suurema faasiülekande tõttu reagendi osakeste vahel.
Osakeste suurus: Kui üks reagentidest on tahke osake, siis ei saa seda kiirusvõrrandis kuvada, kuna kiirusvõrrand näitab ainult kontsentratsioone ja tahketel ainetel ei saa olla kontsentratsiooni, kuna nad on erinevas faasis. Kuid tahke aine osakeste suurus mõjutab reaktsioonikiirust, mis on tingitud faasiülekandeks olemasolevast pindalast.
Reaktsiooni temperatuur: Temperatuur on seotud kiiruskonstandiga Arrheniuse võrrandi kaudu: k = Ae-EA/RT
Kus Ea on aktiveerimisenergia, R on universaalne gaasikonstant ja T on absoluutne temperatuur Kelvinites. A on Arrheniuse (sageduse) tegur. e-EA/RT annab kõvera all olevate osakeste arvu, mille energia on suurem kui aktiveerimisenergia Ea.
Katalüsaator: Enamikul juhtudel toimuvad reaktsioonid katalüsaatoriga kiiremini, kuna need vajavad vähem aktiveerimisenergiat. Heterogeensed katalüsaatorid moodustavad mallpinna, kus reaktsioon toimub, samas kui homogeensed katalüsaatorid moodustavad vaheprodukte, mis vabastavad katalüsaatori mehhanismi järgnevas etapis.
Muud tegurid: Muud tegurid, nagu valgus, võivad mõjutada teatud reaktsioone (fotokeemia).
Nukleofiilne asendus
Nukleofiilne asendus on orgaanilise (ja anorgaanilise) keemia reaktsioonide põhiklass, milles nukleofiil seob selektiivselt Lewise aluse kujul (elektronpaari doonorina) orgaanilise kompleksiga või ründab aatomi või aatomite rühma positiivset või osaliselt positiivset (+ve) laengut, et asendada lahkuv rühm. Positiivset või osaliselt positiivset aatomit, mis on elektronpaari aktseptor, nimetatakse elektrofiiliks. Elektrofiili ja lahkuva rühma kogu molekulaarset üksust nimetatakse tavaliselt substraadiks.
Nukleofiilset asendust võib täheldada kahe erineva rajana – SN1 ja SN2 reaktsioon. Milline reaktsioonimehhanismi vorm – sN1 või SN2 – toimub, sõltub keemiliste ühendite struktuurist, nukleofiili tüübist ja lahustist.
Katalüsaatori deaktiveerimise tüübid
- Katalüsaatorimürgitus on termin liikide tugeva kemisorptsiooni kohta katalüütilistel aladel, mis blokeerivad katalüütilise reaktsiooni kohad. Mürgistus võib olla pöörduv või pöördumatu.
- Saastumine viitab katalüsaatori mehaanilisele lagunemisele, kus vedela faasi liigid sadestuvad katalüütilisele pinnale ja katalüsaatori pooridesse.
- Termilise lagunemise ja paagutamise tulemuseks on katalüütilise pinna, tugiala ja aktiivsete faasi toetavate reaktsioonide kadumine.
- Aurude moodustumine - keemiline lagunemisvorm, kus gaasifaas reageerib katalüsaatorfaasiga, tekitades lenduvaid ühendeid.
- Auru-tahke ja tahke-tahke reaktsioonid põhjustavad katalüsaatori keemilise deaktiveerimise. Aur, tugi või promootor reageerib katalüsaatoriga nii, et tekib mitteaktiivne faas.
- Katalüsaatoriosakeste hõõrdumine või purustamine põhjustab katalüütilise materjali kadu mehaanilise hõõrdumise tõttu. Katalüsaatori sisepindala kaob katalüsaatori osakese mehaaniliselt indutseeritud purustamise tõttu.