Réacteurs à lit fixe intensifiés par ultrasons
- Le mélange et la dispersion par ultrasons activent et intensifient la réaction catalytique dans les réacteurs à lit fixe.
- La sonication améliore le transfert de masse et augmente ainsi l'efficacité, le taux de conversion et le rendement.
- Un autre avantage est l'élimination des couches d'encrassement passivantes des particules de catalyseur par cavitation ultrasonique.
Catalyseurs à lit fixe
Les lits fixes (parfois également appelés lits garnis) sont généralement chargés de pastilles de catalyseur, qui sont généralement des granulés d'un diamètre de 1 à 5 mm. Ils peuvent être chargés dans le réacteur sous la forme d'un lit unique, de coquilles séparées ou de tubes. Les catalyseurs sont principalement basés sur des métaux tels que le nickel, le cuivre, l'osmium, le platine et le rhodium.
Les effets des ultrasons de puissance sur les réactions chimiques hétérogènes sont bien connus et largement utilisés dans les processus catalytiques industriels. Les réactions catalytiques dans un réacteur à lit fixe peuvent également bénéficier d'un traitement par ultrasons. L'irradiation ultrasonique du catalyseur en lit fixe génère des surfaces hautement réactives, augmente le transport de masse entre la phase liquide (réactifs) et le catalyseur, et élimine les revêtements passivants (par exemple, les couches d'oxyde) de la surface. La fragmentation ultrasonique des matériaux fragiles augmente les surfaces et contribue ainsi à une activité accrue.
Avantages
- Amélioration de l'efficacité
- Réactivité accrue
- Augmentation du taux de conversion
- rendements plus élevés
- Recyclage du catalyseur
Intensification par ultrasons des réactions catalytiques
Le mélange et l'agitation par ultrasons améliorent le contact entre les particules de réactifs et de catalyseurs, créent des surfaces hautement réactives et initient et/ou renforcent la réaction chimique.
La préparation ultrasonique des catalyseurs peut entraîner des changements dans le comportement de cristallisation, la dispersion/désagglomération et les propriétés de surface. En outre, les caractéristiques des catalyseurs préformés peuvent être influencées par l'élimination des couches de surface passivantes, une meilleure dispersion et l'augmentation du transfert de masse.
Cliquez ici pour en savoir plus sur les effets des ultrasons sur les réactions chimiques (sonochimie) !
Exemples
- Prétraitement par ultrasons du catalyseur Ni pour les réactions d'hydrogénation
- Un catalyseur Raney Ni sonifié avec de l'acide tartrique permet d'obtenir une très haute énantiosélectivité
- Catalyseurs Fischer-Tropsch préparés par ultrasons
- Catalyseurs en poudre amorphe traités par voie sonochimique pour une réactivité accrue
- Sono-synthèse de poudres métalliques amorphes
Récupération du catalyseur par ultrasons
Les catalyseurs solides utilisés dans les réacteurs à lit fixe se présentent généralement sous la forme de billes sphériques ou de tubes cylindriques. Au cours de la réaction chimique, la surface du catalyseur est passivée par une couche d'encrassement, ce qui entraîne une perte d'activité catalytique et/ou de sélectivité au fil du temps. Les échelles de temps pour la dégradation du catalyseur varient considérablement. Alors que, par exemple, la mortalité d'un catalyseur de craquage peut se produire en quelques secondes, un catalyseur à base de fer utilisé dans la synthèse de l'ammoniac peut durer de 5 à 10 ans. Cependant, la désactivation du catalyseur peut être observée pour tous les catalyseurs. Si divers mécanismes (chimiques, mécaniques, thermiques) de désactivation du catalyseur peuvent être observés, l'encrassement est l'un des types les plus fréquents de dégradation du catalyseur. L'encrassement fait référence au dépôt physique d'espèces provenant de la phase fluide sur la surface et dans les pores du catalyseur, bloquant ainsi les sites réactifs. L'encrassement du catalyseur par le coke et le carbone est un processus rapide qui peut être inversé par régénération (par exemple, traitement aux ultrasons).
La cavitation ultrasonique est une méthode efficace pour éliminer les couches d'encrassement passivantes de la surface du catalyseur. La récupération du catalyseur par ultrasons est généralement effectuée en soniquant les particules dans un liquide (par exemple de l'eau désionisée) pour éliminer les résidus d'encrassement (par exemple les catalyseurs platine/fibre de silice pt/SF, nickel).
systèmes à ultrasons
Hielscher Ultrasonics propose différents processeurs ultrasoniques et variantes pour l'intégration des ultrasons de puissance dans les réacteurs à lit fixe. Différents systèmes à ultrasons sont disponibles pour être installés dans les réacteurs à lit fixe. Pour les types de réacteurs plus complexes, nous proposons ultrasons personnalisés solutions.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
Système d'écoulement à ultrasons
- hydrogénation
- Alcylation
- Cyanation
- éthérification
- estérification
- Polymérisation
- Allylation
- Bromination
(par exemple, catalyseurs Ziegler-Natta, métallocènes)
Littérature/références
- Argyle, M.D. ; Bartholomew, C.H. (2015) : Désactivation et régénération des catalyseurs hétérogènes : A Review. Catalysts 2015, 5, 145-269.
- Oza, R. ; Patel, S. (2012) : Récupération du nickel des catalyseurs Ni/Al2O3 usés par lixiviation acide, chélation et 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 (Nitration régiosélective de composés aromatiques en présence de certains sels métalliques du groupe V et VI). Green and Sustainable Chemistry, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S. ; Skrabalak, S. E. (2008) : “sonocatalyse” In : Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4 ; Ertl, G. ; Knözinger, H. ; Schüth, F. ; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH : Weinheim, 2008. 2006-2017.
Qu'il faut savoir
Cavitation ultrasonique et sonochimie
Le couplage d'ultrasons de puissance avec des liquides et des boues permet d'obtenir cavitation acoustique. La cavitation acoustique fait référence au phénomène de la formation rapide, de la croissance et de l'effondrement implosif des vides remplis de vapeur. Ce phénomène génère des "points chauds" de très courte durée avec des pics de température extrêmes allant jusqu'à 5000 K, des taux de chauffage/refroidissement très élevés, supérieurs à 109Ks-1et des pressions de 1000atm avec des différentiels respectifs – le tout en l'espace d'une nanoseconde.
Le domaine de recherche de sonochimie étudie l'effet des ultrasons dans la formation de cavitations acoustiques dans les liquides, qui déclenchent et/ou renforcent l'activité chimique dans une solution.
Réactions catalytiques hétérogènes
En chimie, la catalyse hétérogène désigne le type de réaction catalytique dans laquelle les phases du catalyseur et des réactifs diffèrent l'une de l'autre. Dans le contexte de la chimie hétérogène, la phase n'est pas seulement utilisée pour distinguer les solides, les liquides et les gaz, mais elle se réfère également aux liquides non miscibles, par exemple l'huile et l'eau.
Lors d'une réaction hétérogène, un ou plusieurs réactifs subissent un changement chimique à une interface, par exemple à la surface d'un catalyseur solide.
La vitesse de réaction dépend de la concentration des réactifs, de la taille des particules, de la température, du catalyseur et d'autres facteurs.
Concentration du réactif : En général, une augmentation de la concentration d'un réactif augmente la vitesse de réaction en raison de l'interface plus grande et donc d'un transfert de phase plus important entre les particules de réactif.
Taille des particules : Lorsque l'un des réactifs est une particule solide, il ne peut pas être pris en compte dans l'équation de vitesse, car celle-ci n'indique que des concentrations et les solides ne peuvent pas avoir de concentration puisqu'ils se trouvent dans une phase différente. Cependant, la taille des particules solides affecte la vitesse de réaction en raison de la surface disponible pour le transfert de phase.
Température de réaction : La température est liée à la constante de vitesse par l'équation d'Arrhenius : k = Ae-Ea/RT
Où Ea est l'énergie d'activation, R est la constante universelle des gaz et T est la température absolue en Kelvin. A est le facteur d'Arrhenius (fréquence). e-Ea/RT donne le nombre de particules sous la courbe qui ont une énergie supérieure à l'énergie d'activation, Ea.
Catalyseur : Dans la plupart des cas, les réactions se produisent plus rapidement avec un catalyseur car elles nécessitent moins d'énergie d'activation. Les catalyseurs hétérogènes fournissent une surface modèle sur laquelle la réaction se produit, tandis que les catalyseurs homogènes forment des produits intermédiaires qui libèrent le catalyseur au cours d'une étape ultérieure du mécanisme.
Autres facteurs : D'autres facteurs tels que la lumière peuvent affecter certaines réactions (photochimie).
Substitution nucléophile
La substitution nucléophile est une classe fondamentale de réactions en chimie organique (et inorganique), dans laquelle un nucléophile se lie sélectivement sous la forme d'une base de Lewis (en tant que donneur de paires d'électrons) à un complexe organique avec ou attaquant la charge positive ou partiellement positive (+ve) d'un atome ou d'un groupe d'atomes pour remplacer un groupe partant. L'atome positif ou partiellement positif, qui est l'accepteur de doublet d'électrons, est appelé électrophile. L'ensemble de l'entité moléculaire composée de l'électrophile et du groupe partant est généralement appelé substrat.
La substitution nucléophile peut être observée selon deux voies différentes – Le SN1 et SN2 réaction. Quelle forme de mécanisme de réaction – sN1 ou SN2 – dépend de la structure des composés chimiques, du type de nucléophile et du solvant.
Types de désactivation du catalyseur
- L'empoisonnement du catalyseur est le terme qui désigne la forte chimisorption d'espèces sur les sites catalytiques qui bloquent les sites pour la réaction catalytique. L'empoisonnement peut être réversible ou irréversible.
- L'encrassement est une dégradation mécanique du catalyseur, où des espèces provenant de la phase fluide se déposent sur la surface catalytique et dans les pores du catalyseur.
- La dégradation thermique et le frittage entraînent une perte de surface catalytique, de surface de support et de réactions phase active-support.
- La formation de vapeur est une forme de dégradation chimique dans laquelle la phase gazeuse réagit avec la phase catalytique pour produire des composés volatils.
- Les réactions vapeur-solide et solide-solide entraînent la désactivation chimique du catalyseur. La vapeur, le support ou le promoteur réagissent avec le catalyseur et produisent une phase inactive.
- L'attrition ou l'écrasement des particules de catalyseur entraîne une perte de matière catalytique due à l'abrasion mécanique. La surface interne du catalyseur est perdue en raison de l'écrasement mécanique des particules de catalyseur.