כורי מיטה קבועה מוגברים באולטרה-סאונד

שימוש באולטרסאונד יכול לשפר תגובות קטליטיות במתקני תגובה בעלי מיטה קבועה, בעיקר על ידי הגברת העברת המסה סביב ובתוך מיטת הקטליזטור הארוזה. בנוסף, השימוש באולטרסאונד מסיר שכבות פסיבציה ושכבות זיהום ממשטח הקטליזטור, ובכך מחדש את פעילות הקטליזטור באופן רציף.

כיצד טיפול באולטרסאונד משפר את הקטליזה במיטה קבועה

בכור בעל מיטה קבועה, חלקיקי הזרז נשארים נייחים בעוד שמגיבים נוזליים, גזיים או רב-פאזיים זורמים דרך המיטה. ביצועי התגובה מוגבלים לעתים קרובות על ידי העברת מסה חיצונית, דיפוזיה בנקבוביות, תופעת התעלות, הצטברות משקעים וגרדיאנטים של העברת חום. אולטרסאונד יכול להפחית מספר מגבלות אלה על ידי יצירת קוויטציה אקוסטית, זרימה מיקרוסקופית, כוחות גזירה ותנודות לחץ.

ההשפעות העיקריות של תגובות במיטה קבועה המוגברות באמצעות אולטרסאונד

• שיפור בהעברת מסה חיצונית: מיקרו-זרימה אולטראסונית מצמצמת את שכבת הגבול הסטטית סביב חלקיקי הזרז, ומאפשרת לחומרים המגיבים להגיע לאתרים הפעילים ביעילות רבה יותר.
• נגישות משופרת לנקבוביות: תנודות הלחץ ותנועת הנוזל הנגרמות על ידי קוויטציה יכולות לשפר את חדירת החומרים המגיבים לתוך נקבוביות הזרז ואת הוצאת התוצרים מהנקבוביות.
• הפחתת הצטברות משקעים ופססיבציה: שימוש באולטרסאונד יכול לסייע בהסרת משקעים, סרטי פולימר, חומרי גלם לקוק או שכבות פסיבציה אחרות ממשטחי הזרזים, ובכך לשמור על הפעילות הקטליטית לאורך זמן רב יותר.

שיפור במגע בין הנוזל למוצק: אולטרסאונד תורם להרטבה טובה יותר של חלקיקי הזרז, דבר המועיל במיוחד במערכות בעלות מיטה מטפטפת, המוזנות בתערובת נוזלית, או במערכות בעלות מיטה קבועה בשלב נוזלי.

• הפחתת תופעת התעלות במיטות צפופות: במחקרים על מיטות ארוזות זעירות, הוכח כי אולטרסאונד משנה את התנהגות הזרימה ומפחית את הפיזור, ובכך מסייע לכור להתקרב להתנהגות זרימה פקקית אידיאלית יותר.
• העברת חום משופרת: זרימה אקוסטית וטורבולנציה משפרות את פיזור החום המקומי, ובכך מצמצמות את הופעתם של מוקדים חמים או אזורים קרים במיטת הזרז.
• שיעור המרה ותפוקה גבוהים יותר: באמצעות שיפור העברת המסה ונגישות הזרז, טיפול באולטרסאונד יכול להגביר את קצב התגובה, את שיעור ההמרה ואת תפוקת המוצר, במיוחד כאשר התגובה מוגבלת על ידי תהליכי הובלה ולא מוגבלת אך ורק על ידי גורמים קינטיים.

כיצד משפרת הסוניקציה את תהליך הקטליזה במיטה קבועה?

המנגנון העיקרי הוא קוויטציה אקוסטית: גלי קול אולטראסוניים יוצרים בועות מיקרוסקופיות המתרחבות ומתמוטטות באלימות. התמוטטותן יוצרת גזירה מקומית, מיקרו-סילונים, גלי הלם וערבוב אינטנסיבי. בסמוך למשטחי הזרזים, תופעות אלו יכולות לנקות, להפעיל ולרענן את הממשק בין המוצק לנוזל. סקירות בנושא סונו-קטליזה מתארות זאת כסינרגיה בין אולטרסאונד לזרזים מוצקים, הכוללת העברת חום משופרת, העברת מסה ותופעות מקומיות על משטחי הזרזים.

השימוש בסוניקציה מועיל ביותר כאשר התגובה במיטה קבועה סובלת מ:

• דיפוזיה איטית לתוך נקבוביות הזרז,
• הרטבה לקויה של חלקיקי הזרז,
• הצטברות של חומר בתוך הנקבוביות,
• היווצרות משקעים או פסיבציה של פני השטח,
• קינטיקה המוגבלת על ידי העברת מסה,
• חלוקה לא נכונה של זרימה רב-שלבית,
• זרימה דרך המיטה הצפופה.

זרזי מיטה קבועים

מיטות קבועות (הנקראות לעתים גם מיטה ארוזה) עמוסות בדרך כלל בכדורי זרז, שהם בדרך כלל גרגירים בקוטר של 1-5 מ"מ. ניתן להעמיס אותם לתוך הכור בצורה של מיטת יחיד, כפגזים נפרדים, או בצינורות. הזרזים מבוססים בעיקר על מתכות כגון ניקל, נחושת, אוסמיום, פלטינה ורודיום.
ההשפעות של אולטרסאונד עוצמתי על תגובות כימיות הטרוגניות ידועות היטב, והן נמצאות בשימוש נרחב בתהליכים קטליטיים תעשייתיים. גם תגובות קטליטיות במתקן תגובה בעל מיטה קבועה נהנות מטיפול באולטרסאונד. הקרנת אולטראסאונד על זרז המיטה הקבועה יוצרת משטחים בעלי תגובתיות גבוהה, מגבירה את העברת המסה בין השלב הנוזלי (חומרי התגובה) לזרז, ומסירה ציפויים פסיביים (כגון שכבות תחמוצת) מהמשטח.

התעצמות קולית של תגובות קטליטיות;

ערבוב ותסיסה על-קוליים משפרים את המגע בין חלקיקי המגיב והזרז, יוצרים משטחים תגובתיים מאוד ויוזמים ו/או מגבירים את התגובה הכימית.
הכנת זרז אולטראסוני יכולה לגרום לשינויים בהתנהגות ההתגבשות, בפיזור / דילוג ובתכונות פני השטח. יתר על כן, המאפיינים של זרזים שנוצרו מראש יכולים להיות מושפעים על ידי הסרת שכבות פני שטח פסיביות, פיזור טוב יותר, הגדלת העברת המסה.

דוגמאות לתגובות שעברו שיפור באמצעות אולטרסאונד

• טיפול מקדים אולטראסוני של זרז Ni לתגובות הידרוגנציה
• זרז רני ני עם חומצה טרטרית גורם לאננטיוסלקטיביות גבוהה מאוד
• זרזים מסוג פישר-טרופש שנוצרו באמצעות אולטרסאונד
• זרזי אבקה אמורפיים שטופלו באופן סונוכימי לתגובתיות מוגברת
• סונו-סינתזה של אבקות מתכת אמורפיות

שחזור זרז קולי

זרזים מוצקים במתקני תגובה בעלי מיטה קבועה משמשים בדרך כלל בצורת חרוזים כדוריים, גרגרים, מוצרי אקסטרוזיה או חלקיקים גליליים. במהלך התגובות הכימיות, משטח הזרז עלול לעבור תהליך פסיבציה עקב הצטברות שכבת זיהום, מה שמביא לאובדן הדרגתי של הפעילות הקטליטית ו/או הסלקטיביות לאורך זמן.
משך הזמן של אובדן הפעילות של זרז משתנה במידה ניכרת. לדוגמה, אובדן הפעילות של זרז פיצוח עשוי להתרחש תוך שניות ספורות, בעוד שזרז ברזל המשמש בסינתזה של אמוניה עשוי להישאר פעיל במשך 5–10 שנים. עם זאת, אובדן הפעילות של הזרז נצפה כמעט בכל התהליכים הקטליטיים. אף על פי שייתכנו מנגנוני אובדן פעילות שונים – לרבות התכלות כימית, מכנית ותרמית – הצטברות משקעים היא אחת הסיבות הנפוצות ביותר להתדרדרות ביצועי הזרז.
"התלכלכות" מתייחסת לשקיעה פיזית של חומרים משלב הנוזל על פני השטח של הזרז ובתוך נקבוביותיו. משקעים אלה חוסמים את האתרים התגובתיים, מגבילים את הנגישות לנקבוביות ומפחיתים את המגע בין החומרים המגיבים לבין פני השטח הפעילים של הזרז. זיהום הזרז על ידי קוק או משקעים פחמניים הוא לרוב תהליך מהיר; עם זאת, במקרים רבים ניתן להפוך אותו באופן חלקי או מלא באמצעות התחדשות אולטראסונית.

קביטציה אולטראסונית היא שיטה יעילה להסרת שכבות זיהום פסיביות ממשטחי זרזים. במהלך הטיפול באולטרסאונד, גלי קול בעוצמה גבוהה יוצרים בועות קוויטציה במדיום נוזלי. התפוצצותן מייצרת כוחות גזירה מקומיים, סילוני מיקרו, גלי הלם וערבוב מיקרו אינטנסיבי. השפעות אלו מסייעות לנתק שאריות זיהום ממשטח הזרז, לפתוח מחדש נקבוביות חסומות, ולשקם את הגישה לאתרים הפעילים.
שחזור זרזים באמצעות אולטרסאונד מתבצע בדרך כלל על ידי פיזור חלקיקי הזרז בנוזל, כגון מים מותפלים או ממס מתאים, וחשיפת התמיסה לטיפול מבוקר באולטרסאונד. תהליך זה יכול להסיר שאריות זיהום מחומרי זרז שונים, כולל זרזי פלטינה/סיבי סיליקה, זרזי ניקל וזרזי מתכת אחרים הנתמכים על מצע. כתוצאה מכך, טיפול באולטרסאונד יכול לתרום להתחדשות הזרז, להארכת חיי הזרז ולשיפור הקיימות של התהליך.

לחצו כאן כדי ללמוד עוד על התחדשות קטליזטורים משומשים באמצעות אולטרסאונד!

מכשירים אולטראסוניים המיועדים לשילוב בתגובות כימיות

Hielscher Ultrasonics מציעה מעבדים קוליים שונים וריאציות לשילוב של אולטרסאונד כוח לתוך כורים קבועים. מערכות קוליות שונות זמינות להתקנה בכורים קבועים. עבור סוגי כורים מורכבים יותר, אנו מציעים אולטרסאונד מותאם אישית פתרונות.
גלו כיצד השימוש באולטרסאונד משפר תגובות כימיות במבנים שונים של כורים!
כדי לבחון את השפעות הטיפול באולטרסאונד על התגובה הכימית שלכם, אתם מוזמנים לבקר במעבדת התהליכים האולטרסאונדית ובמרכז הטכני שלנו בטלטו!
צרו קשר עוד היום! אנו שמחים לדון איתך בהתעצמות האולטרסונית של התהליך הכימי שלך!
הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לגבי קיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי הסוניקציה של Hielscher: