Hielscher – Technologie Ultrasons

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 avantage supplémentaire est l'élimination des couches d'encrassement passivantes des particules du catalyseur par cavitation ultrasonique.

Catalyseurs à lit fixe

Les lits fixes (parfois aussi appelés lits tassés) 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 simple, d'obus séparés ou de tubes. Les catalyseurs sont principalement 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 dans les procédés catalytiques industriels. Les réactions catalytiques dans un réacteur à lit fixe peuvent également bénéficier d'un traitement par ultrasons. L'irradiation par ultrasons du catalyseur à lit fixe génère des surfaces très 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 par ultrasons des matériaux cassants augmente les surfaces et contribue ainsi à une activité accrue.

Particules traitées par ultrasonsAvantages

  • Amélioration de l'efficacité
  • Une réactivité accrue
  • Augmentation du taux de conversion
  • rendements plus élevés
  • Recyclage du catalyseur
Dispersion ultrasonique de la silice

Demande d'information





Intensification ultrasonique des réactions catalytiques

Le mélange et l'agitation par ultrasons améliorent le contact entre le réactif et les particules du catalyseur, créent des surfaces très réactives et déclenchent et/ou améliorent la réaction chimique.
La préparation d'un catalyseur à ultrasons peut provoquer des changements dans le comportement de cristallisation, la dispersion / désagglomération et les propriétés de surface. De plus, les caractéristiques des catalyseurs préformés peuvent être influencées par l'élimination des couches superficielles passivantes, une meilleure dispersion et un transfert de masse accru.
Cliquez ici pour en savoir plus sur les effets des ultrasons sur les réactions chimiques (sonochimie) !

Exemples

  • Prétraitement ultrasonique d'un catalyseur à base de Ni pour des réactions d'hydrogénation
  • Catalyseur Raney Ni sonique à base d'acide tartrique ayant une énantiosélectivité très élevée
  • Catalyseurs Fischer-Tropsch préparés par ultrasons
  • Catalyseurs en poudre amorphe traités par voie sonochimique pour une réactivité accrue
  • Sono-synthèse de poudres de métaux amorphes

Récupération du catalyseur ultrasonique

Dans les réacteurs à lit fixe, les catalyseurs solides se présentent principalement sous forme de billes ou de tubes cylindriques. Pendant la réaction chimique, la surface du catalyseur est passivée par une couche d'encrassement qui entraîne une perte d'activité catalytique et/ou de sélectivité dans le temps. Les échelles de temps pour la désintégration du catalyseur varient considérablement. Si, 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. Bien que divers mécanismes (chimiques, mécaniques, thermiques, etc.) de désactivation du catalyseur puissent être observés, l'encrassement est l'un des types les plus fréquents de dégradation du catalyseur. L'encrassement désigne le dépôt physique d'espèces de la phase fluide à la surface et dans les pores du catalyseur bloquant ainsi les sites réactifs. L'encrassement du catalyseur avec du coke et du carbone est un processus rapide qui peut être inversé par régénération (traitement par ultrasons, par exemple).
La cavitation par ultrasons est une méthode efficace pour éliminer les couches d'encrassement passivantes de la surface du catalyseur. La récupération du catalyseur par ultrasons s'effectue généralement par sonication des particules dans un liquide (par exemple de l'eau désionisée) pour éliminer les résidus d'encrassement (par exemple des catalyseurs à base de platine, de fibres de silice et de nickel).

Systèmes à ultrasons

Les ultrasons de puissance sont appliqués aux catalyseurs et aux réactions catalytiques. (Cliquez pour agrandir !)Hielscher Ultrasons propose différents processeurs ultrasonores et des variantes pour l'intégration des ultrasons de puissance dans les réacteurs à lit fixe. Différents systèmes à ultrasons sont disponibles pour être installés dans des réacteurs à lit fixe. Pour les types de réacteurs plus complexes, nous proposons ultrasons personnalisés solutions.
Pour tester votre réaction chimique sous rayonnement ultrasonique, nous vous invitons à visiter notre laboratoire de traitement ultrasonique et notre centre technique à Teltow !
Contactez-nous dès aujourd'hui ! Nous sommes heureux de discuter avec vous de l'intensification ultrasonique de votre procédé chimique !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasoniseurs :

Volume du lot Débit d'écoulement Appareils recommandés
10 à 2000 ml 20 à 400 ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 à 20L 0.2 à 4L/min UIP2000hdT
10 à 100L 2 à 10L/min UIP4000
s.o. 10 à 100L/min UIP16000
s.o. plus grand groupe de UIP16000
Traitement en ligne avec des processeurs à ultrasons de 7kW (Cliquez ici pour agrandir !)

Système d'écoulement à ultrasons

Réactions intensifiées par ultrasons

  • Hydrogénation
  • Alcylation
  • Cyanation
  • L'éthérification
  • Estérification
  • Polymérisation
  • (par ex. catalyseurs Ziegler-Natta, métallocènes)

  • Allylation
  • Bromination

Contactez-nous ! / Demandez-nous !

Veuillez utiliser le formulaire ci-dessous si vous souhaitez obtenir des informations complémentaires sur l'homogénéisation ultrasonique. Nous serons heureux de vous proposer un système ultrasonique répondant à vos besoins.









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Littérature/Références



Qu'il faut savoir

Cavitation ultrasonique et sonochimie

Le couplage des ultrasons de puissance dans les liquides et les boues donne les résultats suivants 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. Il en résulte des "points chauds" de très courte durée de vie avec des pointes de température extrêmes allant jusqu'à 5000 K, des vitesses de chauffage/refroidissement très élevées de plus de 109Ks-1et des pressions de 1000atm avec des différentiels respectifs – le tout en l'espace de quelques nanosecondes.
Le domaine de recherche de l sonochimie étudie l'effet des ultrasons dans la formation de la cavitation acoustique dans les liquides, qui initie et/ou améliore l'activité chimique dans une solution.

Réactions catalytiques hétérogènes

En chimie, la catalyse hétérogène désigne le type de réaction catalytique où 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 aussi aux liquides non miscibles, comme 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.
Le taux 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, par conséquent, le transfert de phase entre les particules du réactif.
Taille des particules : Lorsque l'un des réactifs est une particule solide, il ne peut pas être affiché dans l'équation de vitesse, car l'équation de vitesse ne montre que les concentrations et les solides ne peuvent pas avoir de concentration car ils sont dans une phase différente. Cependant, la taille des particules du solide 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 de gaz universelle 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 parce qu'elles nécessitent moins d'énergie d'activation. Les catalyseurs hétérogènes fournissent une surface gabarit 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 comme 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 (comme donneur d'électrons) avec un complexe organique avec ou attaque 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 paires d'électrons, est appelé électrophile. Toute l'entité moléculaire de l'électrophile et du groupe partant est généralement appelée le substrat.
La substitution nucléophile peut être observée selon deux voies différentes – la valeur Sn1 et Sn2 réaction. Quelle forme de mécanisme de réaction – sn1 ou Sn2 – est fonction de la structure des composés chimiques, du type de nucléophile et du solvant.

Types de désactivation du catalyseur

  • L'intoxication catalytique est le terme utilisé pour désigner la forte chimisorption des espèces sur les sites catalytiques qui bloquent les sites de réaction catalytique. L'intoxication peut être réversible ou irréversible.
  • L'encrassement se réfère à une dégradation mécanique du catalyseur, où les espèces de la phase fluide se déposent sur la surface catalytique et dans les pores du catalyseur.
  • La dégradation thermique et le frittage entraînent la perte de la surface catalytique, de la surface d'appui et des réactions actives de soutien de phase.
  • La formation de vapeur signifie une forme de dégradation chimique, où 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 réagit avec le catalyseur de sorte qu'une phase inactive est produite.
  • L'attrition ou le broyage des particules du catalyseur entraîne la perte de matière catalytique due à l'abrasion mécanique. La surface interne du catalyseur est perdue en raison du broyage mécanique des particules du catalyseur.