Ultraäänellä tehostetut kiinteän kerroksen reaktorit
- Ultraäänisekoitus ja dispersio aktivoi ja tehostaa katalyyttistä reaktiota kiinteän kerroksen reaktoreissa.
- Sonikaatio parantaa massansiirtoa ja lisää siten tehokkuutta, muuntokurssia ja saantoa.
- Lisäetuna on passiivisten likaantumiskerrosten poistaminen katalyyttihiukkasista ultraäänikavitaatiolla.
Kiinteän kerroksen katalyytit
Kiinteät sängyt (joita joskus kutsutaan myös pakatuksi sängyksi) ladataan yleensä katalyyttipelleteillä, jotka ovat yleensä rakeita, joiden halkaisija on 1-5 mm. Ne voidaan ladata reaktoriin yhden kerroksen muodossa, erillisinä kuorina tai putkina. Katalyytit perustuvat enimmäkseen metalleihin, kuten nikkeliin, kupariin, osmiumiin, platinaan ja rodiumiin.
Tehon ultraäänen vaikutukset heterogeenisiin kemiallisiin reaktioihin ovat hyvin tunnettuja ja niitä käytetään laajalti teollisissa katalyyttisissä prosesseissa. Katalyyttiset reaktiot kiinteän kerroksen reaktorissa voivat hyötyä myös ultraäänikäsittelystä. Kiinteän kerroksen katalyytin ultraäänisäteilytys tuottaa erittäin reaktiivisia pintoja, lisää massakuljetusta nestefaasin (reagenssien) ja katalyytin välillä ja poistaa passiiviset pinnoitteet (esim. oksidikerrokset) pinnalta. Hauraiden materiaalien ultraäänipirstoutuminen lisää pinta-aloja ja edistää siten lisääntynyttä aktiivisuutta.
Etuja- Parempi tehokkuus
- Lisääntynyt reaktiivisuus
- Parempi tulosprosentti
- Korkeampi saanto
- Katalyytin kierrätys
Katalyyttisten reaktioiden ultraäänitehostus
Ultraäänisekoitus ja sekoitus parantavat reagenssin ja katalyyttihiukkasten välistä kosketusta, luovat erittäin reaktiivisia pintoja ja käynnistävät ja / tai parantavat kemiallista reaktiota.
Ultraäänikatalyyttivalmiste voi aiheuttaa muutoksia kiteytyskäyttäytymisessä, dispersiossa / deagglomeraatiossa ja pinnan ominaisuuksissa. Lisäksi esimuotoiltujen katalyyttien ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa poistamalla passiiviset pintakerrokset, parempi dispersio, lisäämällä massansiirtoa.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultraäänivaikutuksista kemiallisiin reaktioihin (sonokemia)!
Esimerkkejä
- Ni-katalyytin ultraäänikäsittely hydrausreaktioille
- Sonikoitu Raney Ni -katalyytti viinihapolla johtaa erittäin korkeaan enantioselektiivisyyteen
- Ultraääni valmistetut Fischer-Tropsch-katalyytit
- Sonokemiallisesti käsitellyt amorfiset jauhekatalyytit reaktiivisuuden lisäämiseksi
- Amorfisten metallijauheiden sonosynteesi
Ultraäänikatalyytin palautus
Kiinteät katalyytit kiinteän kerroksen reaktoreissa ovat enimmäkseen pallomaisten helmien tai lieriömäisten putkien muodossa. Kemiallisen reaktion aikana likaantumiskerros passivoi katalyytin pinnan, mikä aiheuttaa katalyyttisen aktiivisuuden ja/tai selektiivisyyden menetyksen ajan myötä. Katalyytin hajoamisen aikataulut vaihtelevat huomattavasti. Siinä missä esimerkiksi krakkauskatalyytin katalyyttikuolleisuus voi tapahtua sekunneissa, ammoniakkisynteesissä käytetty rautakatalyytti voi kestää 5–10 vuotta. Katalyytin deaktivointia voidaan kuitenkin havaita kaikille katalyytteille. Vaikka katalyytin deaktivoinnin erilaisia mekanismeja (esim. kemiallisia, mekaanisia ja termisiä) voidaan havaita, likaantuminen on yksi yleisimmistä katalyytin hajoamistyypeistä. Likaantumisella tarkoitetaan lajien fysikaalista kerrostumista nestefaasista katalyytin pinnalle ja huokosiin, mikä tukkii reaktiiviset kohdat. Katalyytin likaantuminen koksin ja hiilen kanssa on nopeasti tapahtuva prosessi, ja se voidaan kääntää regeneroinnilla (esim. ultraäänikäsittely).
Ultraäänikavitaatio on onnistunut menetelmä passiivisten likaantumiskerrosten poistamiseksi katalyytin pinnalta. Ultraäänikatalyytin talteenotto suoritetaan tyypillisesti sonikoimalla hiukkaset nesteessä (esim. deionisoitu vesi) likaantumisjäämien poistamiseksi (esim. platina / piidioksidikuitu pt/SF, nikkelikatalyytit).
Ultraäänijärjestelmät
Hielscher Ultrasonics tarjoaa erilaisia ultraääniprosessoreita ja muunnelmia tehon ultraäänen integroimiseksi kiinteän kerroksen reaktoreihin. Kiinteisiin petireaktoreihin on saatavana asennettavia erilaisia ultraäänijärjestelmiä. Monimutkaisempiin reaktorityyppeihin tarjoamme räätälöity ultraääni Ratkaisuja.
Jos haluat testata kemiallista reaktiota ultraäänisäteilyllä, olet tervetullut vierailemaan ultraääniprosessilaboratoriossamme ja teknisessä keskuksessamme Teltowissa!
Ota yhteyttä jo tänään! Olemme iloisia voidessamme keskustella kemiallisen prosessin ultraäänitehostamisesta kanssasi!
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
Ultraäänivirtausjärjestelmä
- Vedytys
- Alkylaatio
- Syanaatio
- Eetteröinti
- esteröinti
- polymerointi
- allylaatio
- bromaus
(esim. Ziegler-Natta-katalyytit, metalloseenit)
Kirjallisuus/viitteet
- Argyle, MD; Bartholomew, CH (2015): Heterogeeninen katalyytin deaktivointi ja regenerointi: katsaus. Katalyytit 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Nikkelin talteenotto käytetyistä Ni / Al2O3-katalyytteistä käyttämällä happouuttoa, kelaatiota ja ultrasonicationia. Research Journal of Recent Sciences Vol. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, K.R.; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, MS; Uppalaiah, K. (2012): Aromaattisten yhdisteiden ultraäänellä avustettu regioselektiivinen nitraatointi tiettyjen ryhmän V ja VI metallisuolojen läsnä ollessa. Vihreä ja kestävä kemia, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonokatalyysi” Julkaisussa: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (toim.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Ultraäänikavitaatio ja sonokemia
Tehon ultraäänen kytkeminen nesteisiin, joihin lietteet johtavat akustinen kavitaatio. Akustinen kavitaatio viittaa höyrytäytteisten huokosten nopean muodostumisen, kasvun ja implosiivisen romahtamisen ilmiöön. Tämä tuottaa hyvin lyhytaikaisia "kuumia pisteitä", joiden äärimmäiset lämpötilahuiput ovat jopa 5000K, erittäin korkeat lämmitys- / jäähdytysnopeudet yli 109Ks-1ja paineet 1000atm vastaavine eroineen – Kaikki tämä nanosekunnin sisällä.
Tutkimusala Sonokemia tutkii ultraäänen vaikutusta akustisen kavitaation muodostamiseen nesteissä, mikä käynnistää ja / tai parantaa kemiallista aktiivisuutta liuoksessa.
Heterogeeniset katalyyttiset reaktiot
Kemiassa heterogeeninen katalyysi viittaa katalyyttisen reaktion tyyppiin, jossa katalyytin ja reagenssien faasit eroavat toisistaan. Heterogeenisen kemian yhteydessä faasia ei käytetä vain kiinteän nesteen, nesteen ja kaasun erottamiseen, vaan se viittaa myös sekoittumattomiin nesteisiin, kuten öljyyn ja veteen.
Heterogeenisen reaktion aikana yksi tai useampi reagenssi muuttuu kemiallisesti rajapinnassa, esimerkiksi kiinteän katalyytin pinnalla.
Reaktionopeus riippuu reagenssien pitoisuudesta, hiukkaskoosta, lämpötilasta, katalyytistä ja muista tekijöistä.
Reagenssin pitoisuus: Yleensä reagenssin pitoisuuden lisääntyminen lisää reaktionopeutta suuremman rajapinnan ja siten suuremman faasinsiirron vuoksi reagenssihiukkasten välillä.
Hiukkaskoko: Kun yksi reagoivista aineista on kiinteä hiukkanen, sitä ei voida näyttää nopeusyhtälössä, koska nopeusyhtälö osoittaa vain pitoisuudet ja kiinteillä aineilla ei voi olla pitoisuutta, koska ne ovat eri vaiheessa. Kiinteän aineen hiukkaskoko vaikuttaa kuitenkin reaktionopeuteen faasinsiirtoon käytettävissä olevan pinta-alan vuoksi.
Reaktion lämpötila: Lämpötila liittyy nopeusvakioon Arrhenius-yhtälön kautta: k = Ae-EA/RT
Missä Ea on aktivointienergia, R on universaali kaasuvakio ja T on absoluuttinen lämpötila Kelvininä. A on Arrhenius (taajuus) -tekijä. e-EA/RT antaa käyrän alla olevien hiukkasten lukumäärän, joiden energia on suurempi kuin aktivointienergia, Ea.
Katalysaattori: Useimmissa tapauksissa reaktiot tapahtuvat nopeammin katalyytin kanssa, koska ne vaativat vähemmän aktivointienergiaa. Heterogeeniset katalyytit tarjoavat templaattipinnan, jossa reaktio tapahtuu, kun taas homogeeniset katalyytit muodostavat välituotteita, jotka vapauttavat katalyytin mekanismin seuraavassa vaiheessa.
Muut tekijät: Muut tekijät, kuten valo, voivat vaikuttaa tiettyihin reaktioihin (fotokemia).
Nukleofiilinen substituutio
Nukleofiilinen substituutio on orgaanisen (ja epäorgaanisen) kemian reaktioiden perusluokka, jossa nukleofiili sitoutuu selektiivisesti Lewisin emäksen muodossa (elektroniparin luovuttajana) orgaaniseen kompleksiin atomin tai atomiryhmän positiivisen tai osittain positiivisen (+ve) varauksen kanssa tai hyökkää sitä vastaan poistuvan ryhmän korvaamiseksi. Positiivista tai osittain positiivista atomia, joka on elektroniparin akseptori, kutsutaan elektrofiiliksi. Elektrofiilin ja lähtevän ryhmän koko molekyylikokonaisuutta kutsutaan yleensä substraatiksi.
Nukleofiilinen substituutio voidaan havaita kahtena eri reittinä – Sn1 ja Sn2 reaktio. Mikä reaktiomekanismin muoto – sn1 tai Sn2 – tapahtuu, riippuu kemiallisten yhdisteiden rakenteesta, nukleofiilin tyypistä ja liuottimesta.
Katalyytin deaktivoinnin tyypit
- Katalyyttimyrkytys on termi lajien voimakkaalle kemisorptiolle katalyyttisissä paikoissa, jotka estävät katalyyttisen reaktion paikkoja. Myrkytys voi olla palautuva tai peruuttamaton.
- Likaantumisella tarkoitetaan katalyytin mekaanista hajoamista, jossa nestefaasin lajit kerrostuvat katalyyttiselle pinnalle ja katalyytin huokosiin.
- Terminen hajoaminen ja sintraus johtavat katalyyttisen pinta-alan, tukialueen ja aktiivisten faasitukireaktioiden menetykseen.
- Höyrynmuodostuksella tarkoitetaan kemiallista hajoamismuotoa, jossa kaasufaasi reagoi katalyyttifaasin kanssa muodostaen haihtuvia yhdisteitä.
- Höyry-kiinteä- ja kiinteä-kiinteät reaktiot johtavat katalyytin kemialliseen deaktivointiin. Höyry, tuki tai promoottori reagoi katalyytin kanssa niin, että syntyy inaktiivinen faasi.
- Katalyyttihiukkasten kuluminen tai murskaaminen johtaa katalyyttisen materiaalin menetykseen mekaanisen hankauksen vuoksi. Katalyytin sisäpinta-ala häviää katalysaattorihiukkasen mekaanisen aiheuttaman murskaamisen vuoksi.