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Réacteurs à lit fixe intensifiés par ultrasons

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.

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Sonicator UIP2000hdT mounted on a fixed bed reactor to intensify catalytic reactions

Sonicateur 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.
  • 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.

  • 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.
  • Amélioration du transfert de chaleur : 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.

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.

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.
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.

Homogénéisateur ultrasonique UIP1500hdT avec cellule d'écoulement équipée d'une chemise de refroidissement pour contrôler la température du processus pendant la sonication.

Sonicator UIP1500hdT with flow-cell for the reactivation and recycling of spent catalysts

Advantages of Ultrasonically Intensified Catalytic Reactions

  • 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.

Examples of Ultrasonically-Improved Reactions

  • 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
  • Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
  • Catalyseurs en poudre amorphe traités par voie sonochimique pour une réactivité accrue
  • Sono-synthèse de poudres métalliques amorphes

Récupération du catalyseur par ultrasons

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 occurincluding chemical, mechanical, and thermal degradationfouling 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

Les ultrasons de puissance sont appliqués aux catalyseurs et aux réactions catalytiques. (Cliquez pour agrandir !)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.
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!
Prenez contact avec nous dès aujourd'hui ! Nous nous ferons un plaisir de discuter avec vous de l'intensification par ultrasons de votre processus chimique !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative des sonicateurs Hielscher :

Volume du lot Débit Dispositifs recommandés
10 à 2000mL 20 à 400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 à 20L 0.2 à 4L/min UIP2000hdT
10 à 100L 2 à 10L/min UIP4000
n.d. 10 à 100L/min UIP16000
n.d. plus grande groupe de UIP16000
Traitement en ligne avec des processeurs à ultrasons d'une puissance de 7 kW (Cliquez pour agrandir !)

Système d'écoulement à ultrasons

Réactions intensifiées par ultrasons

  • hydrogénation
  • Alcylation
  • Cyanation
  • L'éthérification
  • Estérification
  • Polymérisation
  • (par exemple, catalyseurs Ziegler-Natta, métallocènes)

  • Allylation
  • Bromination

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Littérature / Références



Qu'il faut savoir

Qu'est-ce que la cavitation ultrasonique ?

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.

Qu'est-ce que la sonochimie ?

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?

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).

What are the Types of Catalyst Deactivation?

  • 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.

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.
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.

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