التراسونیک تشدید راکتورهای تخت ثابت
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.
- انتقال حرارت پیشرفته: 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.
کاتالیزورهای بستر ثابت
تخت های ثابت (گاهی اوقات بستر بسته بندی شده نیز نامیده می شوند) معمولا با گلوله های کاتالیزور بارگیری می شوند که معمولا گرانول هایی با قطر 1-5 میلی متر هستند. آنها را می توان به صورت یک تخت، به صورت پوسته های جداگانه یا در لوله ها در راکتور بارگذاری کرد. کاتالیزورها بیشتر بر اساس فلزاتی مانند نیکل، مس، اسمیم، پلاتین و رودیم ساخته شده اند.
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.
- بهبود کارایی
- افزایش واکنش پذیری
- افزایش نرخ تبدیل
- بازده بالاتر
- بازیافت کاتالیزور
تشدید التراسونیک از واکنش های کاتالیزوری
اختلاط اولتراسونیک و هم زدن را بهبود می بخشد تماس بین واکنش دهنده و ذرات کاتالیزور، سطوح بسیار واکنش پذیر ایجاد می کند و واکنش شیمیایی را آغاز و / یا افزایش می دهد.
آماده سازی کاتالیزور اولتراسونیک می تواند باعث تغییر در رفتار تبلور، پراکندگی / deagglomeration و خواص سطح. علاوه بر این، ویژگی های کاتالیزورهای از پیش ساخته شده را می توان با حذف لایه های سطحی غیرفعال کننده، پراکندگی بهتر، افزایش انتقال جرم تحت تأثیر قرار داد.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- پیش تصفیه اولتراسونیک کاتالیزور نیکل برای واکنش های هیدروژناسیون
- کاتالیزور سونیک Raney Ni با اسید تارتاریک منجر به انانتیوگزینتیوی بسیار بالا می شود
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- کاتالیزورهای پودری آمورف تیمار شده با سونوشیمیایی برای افزایش واکنش پذیری
- سنتز سونوسنتز پودرهای فلزات آمورف
بازیابی کاتالیزور اولتراسونیک
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.
Click here to learn more about the ultrasonic regeneration of spent catalysts!
Sonicators for the Integration into Chemical Reactors
Hielscher مافوق صوت ارائه می دهد پردازنده های مختلف اولتراسونیک و تغییرات برای ادغام اولتراسوند قدرت به راکتورهای بستر ثابت. سیستم های اولتراسونیک مختلفی برای نصب در راکتورهای بستر ثابت در دسترس هستند. برای انواع راکتورهای پیچیده تر، ما پیشنهاد می کنیم اولتراسونیک سفارشی راه حل.
Learn how sonication improves chemical reactions in various reactor designs!
To test the effects of sonication on your chemical reaction, you are welcome to visit our ultrasonic process lab and technical center in Teltow!
امروز با ما تماس بگیرید! ما خوشحالیم که در مورد تشدید اولتراسونیک فرآیند شیمیایی شما با شما بحث می کنیم!
جدول زیر نشان دهنده ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای هیلشر است:
| حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
|---|---|---|
| 10 تا 2000 میلی لیتر | 20 تا 400 میلی لیتر در دقیقه | تا 200 هرتز، UP400St |
| 0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
| 10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000 |
| ن.ا. | 10 تا 100 لیتر در دقیقه | UIP16000 |
| ن.ا. | بزرگتر | خوشه ای از UIP16000 |
- هیدروژناسیون
- السیلاسیون
- سیاناسیون
- اتریفیکاسیون
- استریفیکاسیون
- پلیمریزاسیون
- آلیلاسیون
- برم
(به عنوان مثال کاتالیزورهای زیگلر-ناتا، متالوکن)
ادبیات / منابع
- 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.
حقایقی که ارزش دانستن دارند
کاویتاسیون اولتراسونیک چیست؟
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.
سونوشیمی چیست؟
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?
در شیمی ، کاتالیز ناهمگن به نوع واکنش کاتالیزوری گفته می شود که در آن فازهای کاتالیزور و واکنش دهنده ها با یکدیگر متفاوت هستند. در زمینه شیمی ناهمگن، فاز نه تنها برای تمایز بین جامد، مایع و گاز استفاده می شود، بلکه به مایعات غیرقابل اختلاط مانند روغن و آب نیز اشاره دارد.
در طی یک واکنش ناهمگن، یک یا چند واکنش دهنده در یک رابط، به عنوان مثال در سطح یک کاتالیزور جامد، دچار تغییر شیمیایی می شوند.
سرعت واکنش بستگی به غلظت واکنش دهنده ها، اندازه ذرات، دما، کاتالیزور و عوامل دیگر دارد.
غلظت واکنش دهنده: به طور کلی، افزایش غلظت یک واکنش دهنده به دلیل فصل مشترک بزرگتر و در نتیجه انتقال فاز بیشتر بین ذرات واکنش دهنده، سرعت واکنش را افزایش می دهد.
اندازه ذرات: هنگامی که یکی از واکنش دهنده ها یک ذره جامد است ، نمی توان آن را در معادله سرعت نمایش داد ، زیرا معادله سرعت فقط غلظت ها را نشان می دهد و جامدات از آنجا که در فاز دیگری قرار دارند نمی توانند غلظت داشته باشند. با این حال، اندازه ذرات جامد به دلیل سطح موجود برای انتقال فاز، بر سرعت واکنش تأثیر می گذارد.
دمای واکنش: دما از طریق معادله آرنیوس به ثابت نرخ مربوط می شود: k = Ae-EA / RT
جایی که Ea انرژی فعال سازی است، R ثابت گاز جهانی و T دمای مطلق در کلوین است. A عامل آرنیوس (فرکانس) است. e-EA / RT تعداد ذرات زیر منحنی را می دهد که انرژی آنها بیشتر از انرژی فعال سازی ، Ea است.
کاتالیست: در بیشتر موارد، واکنش ها با کاتالیزور سریعتر رخ می دهند زیرا به انرژی فعال سازی کمتری نیاز دارند. کاتالیزورهای ناهمگن سطح الگویی را ارائه می دهند که در آن واکنش رخ می دهد، در حالی که کاتالیزورهای همگن محصولات میانی را تشکیل می دهند که کاتالیزور را در مرحله بعدی مکانیسم آزاد می کنند.
عوامل دیگر: عوامل دیگری مانند نور می توانند بر واکنش های خاصی (فتوشیمی) تأثیر بگذارند.
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- مسمومیت با کاتالیزور اصطلاحی است که به معنای شیمی سازی قوی گونه ها در مکان های کاتالیزوری است که مکان های واکنش کاتالیزوری را مسدود می کند. مسمومیت می تواند برگشت پذیر یا برگشت ناپذیر باشد.
- رسوب به تخریب مکانیکی کاتالیزور اشاره دارد، جایی که گونه های فاز سیال بر روی سطح کاتالیزوری و در منافذ کاتالیزور رسوب می کنند.
- تخریب حرارتی و تف جوشی منجر به از بین رفتن سطح کاتالیزوری، مساحت پشتیبانی و واکنش های فعال فاز پشتیبانی می شود.
- تشکیل بخار به معنای یک شکل تخریب شیمیایی است که در آن فاز گاز با فاز کاتالیزور واکنش داده و ترکیبات فرار تولید می کند.
- واکنش های بخار-جامد و جامد-جامد منجر به غیرفعال شدن شیمیایی کاتالیزور می شود. بخار، تکیه گاه یا پروموتر با کاتالیزور واکنش نشان می دهد تا یک فاز غیرفعال تولید شود.
- فرسایش یا خرد شدن ذرات کاتالیزور منجر به از بین رفتن مواد کاتالیزوری به دلیل سایش مکانیکی می شود. سطح داخلی کاتالیزور به دلیل خرد شدن مکانیکی ذره کاتالیزور از بین می رود.
Read more about how sonication can reactivate spent catalysts!
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.
جایگزینی هسته ای را می توان به عنوان دو مسیر مختلف مشاهده کرد – SN1 و SN2 واکنش. کدام شکل از مکانیسم واکنش – sN1 یا SNH2S – اتفاق می افتد ، بستگی به ساختار ترکیبات شیمیایی ، نوع نوکلئوفیل و حلال دارد.

