Intensification de réacteurs ultra-sons lit fixe
- le mélange et la dispersion par ultrasons active et intensifie la réaction catalytique dans des réacteurs à lit fixe.
- La sonication améliore le transfert de masse et augmente l'efficacité de ce fait, le taux de conversion et le rendement.
- Un avantage supplémentaire est la suppression des couches de passivation d'encrassement des particules de catalyseur par cavitation ultrasonore.
Les catalyseurs à lit fixe
lits fixes (parfois également appelé lit tassé) sont généralement chargés avec des pastilles de catalyseur, qui sont des granulés habituellement avec des diamètres de 1-5mm. Ils peuvent être chargés dans le réacteur sous forme d'un lit simple, comme des coquilles séparées, ou dans des tubes. Les catalyseurs sont généralement à base de 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 pour les procédés catalytiques industriels. Les réactions catalytiques dans un réacteur à lit fixe peuvent bénéficier d'un traitement par ultrasons, aussi. irradiation par ultrasons du catalyseur à lit fixe génère des surfaces hautement réactives, augmente le transport de masse entre la phase liquide (les réactifs et le catalyseur), et supprime les revêtements de passivation (par exemple des couches d'oxyde) à partir de la surface. fragmentation par ultrasons des matériaux fragiles augmente les surfaces und contribue ainsi à une activité accrue.
avantages
- Amélioration de l'efficacité
- réactivité accrue
- Augmentation de taux de conversion
- rendements plus élevés
- Le recyclage du catalyseur
Intensification des réactions catalytiques à ultrasons
mélange et agitation par ultrasons améliore le contact entre les particules de catalyseur et de réactif, crée des surfaces hautement réactifs et des initiés et / ou améliore la réaction chimique.
la préparation du catalyseur à ultrasons peut provoquer des changements dans le comportement de cristallisation, dispersion / désagglomération et des propriétés de surface. En outre, les caractéristiques des catalyseurs préformés peuvent être influencées par l'élimination des couches superficielles passivation, une meilleure dispersion, ce qui augmente le transfert de masse.
Cliquez ici pour en savoir plus sur les effets à ultrasons sur les réactions chimiques (Sonochemistry)!
Exemples
- pré-traitement par ultrasons d'un catalyseur Ni pour des réactions d'hydrogénation
- Ni Raney soniqué catalyseur avec les résultats de l'acide tartrique dans une énantiosélectivité très élevée
- Ultrasons préparé des catalyseurs de Fischer-Tropsch
- des catalyseurs de poudre amorphe Sonochemically traités pour une réactivité accrue
- Sono-synthèse de poudres métalliques amorphes
Récupération catalyseur à ultrasons
Les catalyseurs solides dans les réacteurs à lit fixe sont principalement sous la forme de billes sphériques ou de tubes cylindriques. Pendant la réaction chimique, la surface du catalyseur est passivée par une couche d'encrassement entraînant une perte d'activité catalytique et / ou une sélectivité au cours du temps. Les échelles de temps pour la désintégration du catalyseur varient considérablement. Tandis que, par exemple, la mortalité du catalyseur d'un catalyseur de craquage peut se produire en quelques secondes, un catalyseur de fer utilisé dans la synthèse de l'ammoniac peut durer 5 à 10 ans. Cependant, la désactivation du catalyseur peut être observée pour tous les catalyseurs. Alors que divers mécanismes (chimiques, mécaniques, thermiques) de désactivation du catalyseur peuvent être observés, l'encrassement est l'un des types les plus fréquents de désintégration du catalyseur. L'encrassement se réfère au dépôt physique d'espèces 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 qui se produit rapidement et qui peut être inversé par régénération (par exemple par traitement aux ultrasons).
cavitation ultrasonique est une méthode efficace pour éliminer les salissures des couches de passivation de la surface du catalyseur. La récupération du catalyseur par ultrasons est typiquement réalisée par sonication des particules dans un liquide (par exemple de l'eau désionisée) pour éliminer les résidus d'encrassement (par exemple Pt / SF platine / fibre de silice, des catalyseurs au nickel).
Systèmes à ultrasons
Hielscher Ultrasonics propose différents processeurs à ultrasons et variations pour l'intégration des ultrasons de puissance dans des réacteurs à lit fixe. Divers systèmes à ultrasons sont disponibles pour être installés dans des réacteurs à lit fixe. Pour les types de réacteurs plus complexes, nous offrons ultrasons sur mesure solutions.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:
Système de débit à ultrasons
- hydrogénation
- Alcylation
- cyanuration
- éthérification
- estérification
- Polymérisation
- allylation
- bromation
(Par exemple des catalyseurs de Ziegler-Natta, metallocens)
Littérature / Références
- Argyle, M.D .; Barthélemy, C. H. (2015): Heterogeneous catalyseur et régénération hors service: Un examen. Catalyseurs 2015, 5, 145-269.
- Oza, R .; Patel, S. (2012): récupération de nickel à partir des catalyseurs Ni / Al2O3 usés utilisant de l'acide Lixiviation, chélation et ultrasonication. Journal de recherches récentes Sciences Vol. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S .; Rajanna, K.Ch .; Reddy, K.R .; Bhooshan, M .; Venkateswarlu, M .; Kumar, S.M. .; Uppalaiah, K. (2012): assistée par ultrasons régiosélective nitration de composés aromatiques en présence de certains Groupe V et VI Sels métalliques. Vert et chimie durable, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S;. Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalyse” Dans: 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 et Sonochemistry
Le couplage des ultrasons de puissance dans des liquides de boues un résultat en cavitation acoustique. cavitation acoustique fait référence au phénomène de la formation rapide, la croissance et l'effondrement implosive des vides remplis de vapeur. Cela génère de très courte durée « points chauds » avec des pics de températures extrêmes allant jusqu'à 5000K, les taux de chauffage / refroidissement très élevées supérieures à 109ks-1et les pressions de 1000atm avec des écarts respectifs – le tout dans la vie de nanoseconde.
Le champ de recherche sonochimie étudie l'effet des ultrasons dans la formation de la cavitation acoustique dans les liquides, qui déclenche et / ou augmente l'activité chimique dans une solution.
Les réactions catalytiques Heterogeneous
En chimie, catalyse hétérogène se réfère au type de réaction catalytique où les phases du catalyseur et les réactifs sont différents les uns des autres. Dans le contexte de la chimie hétérogène, la phase est non seulement utilisé pour distinguer entre le solide, le liquide et le gaz, mais il fait également référence à des liquides non miscibles, par exemple, l'huile et l'eau.
Au cours d'une réaction hétérogène, un ou plusieurs réactifs subissent une modification chimique au niveau d'une interface, par exemple, sur la surface d'un catalyseur solide.
La vitesse de réaction dépend de la concentration des réactifs, la taille des particules, de la température, du catalyseur et d'autres facteurs.
concentration réactant: En général, une augmentation de la concentration d'un réactif augmente la vitesse de réaction en raison de la plus grande interface et ainsi une plus grande transfert de phase entre les particules de réactif.
La taille des particules: Lorsque l'un des réactifs est une particule solide, il ne peut pas être affiché dans l'équation de vitesse, comme l'équation de vitesse ne montre que des concentrations et des solides ne peut pas avoir une concentration depuis étant dans une phase différente. Cependant, la taille de particule du solide affecte la vitesse de réaction en raison de l'aire de surface disponible pour le transfert de phase.
Température de réaction: La température est liée à la constante de vitesse par l'intermédiaire de l'équation d'Arrhenius: k = Ae-elle / RT
Où Ea est l'énergie d'activation, R est la constante universelle des gaz et T est la température absolue en degrés Kelvin. A est le facteur d'Arrhenius (fréquence). e-elle / RT donne le nombre de particules sous la courbe qui ont une plus grande énergie, puis l'énergie d'activation Ea.
Catalyseur: Dans la plupart des cas, les réactions se produisent plus rapidement avec un catalyseur car ils nécessitent moins d'énergie d'activation. Les catalyseurs hétérogènes fournissent une surface de matrice à laquelle la réaction se produit, tandis que des 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 peut affecter certaines réactions (photochimie).
Remplacement nucléophiles
La substitution nucléophile est une classe de base de réactions en chimie organique (et inorganique), dans lequel un nucléophile sélective des liaisons sous forme d'une base de Lewis (comme paire d'électrons donator) avec un complexe organique avec ou attaque positif ou partiellement positive (+ ve) la charge d'un atome ou un groupe d'atomes pour remplacer un groupe partant. L'atome positif ou partiellement positif, ce qui est l'accepteur de paire d'électrons, est appelé un électrophile. L'ensemble de l'entité moléculaire de l'électrophile et le groupe partant est généralement appelé le substrat.
La substitution nucléophile peut être observé que deux voies différentes – Sn1 et Sn2 réaction. Quelle forme de mécanisme de réaction – Sn1 ou Sn2 – a lieu, est fonction de la structure des composés chimiques, le type de nucléophile et le solvant.
Types de désactivation de catalyseur
- l'empoisonnement du catalyseur est le terme pour la forte chimisorption des espèces sur les sites catalytiques quels sites bloc pour la réaction catalytique. L'empoisonnement peut être réversible ou irréversible.
- Fouling se réfère à une dégradation mécanique du catalyseur, où l'espèce de la phase liquide sur la surface deposit catalytique et dans les pores de catalyseur.
- La dégradation thermique et de frittage entraîne la perte de la surface catalytique, la zone de support, et les réactions de soutien de la phase active.
- la formation de vapeur signifie une forme de dégradation chimique, où la phase gazeuse réagit avec la phase de catalyseur pour produire des composés volatils.
- Les réactions de vapeur-solide et solide-solide pour résultat la désactivation chimique du catalyseur. Vapeur, le support, ou le promoteur réagit avec le catalyseur de telle sorte qu'une phase inactive est produite.
- Attrition ou l'écrasement des particules de catalyseur entraîne la perte de matériau catalytique due à l'abrasion mécanique. La surface spécifique interne du catalyseur est perdu en raison de broyage mécanique induite de la particule de catalyseur.