כורי מיטה קבועה מוגברים באולטרה-סאונד
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.
Sonicator 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.
- 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.
- העברת חום משופרת: 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.
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.
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.
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.
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.
- יעילות משופרת
- תגובתיות מוגברת
- עלייה בשיעור ההמרה
- תשואה גבוהה יותר
- מיחזור זרז
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.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- טיפול מקדים אולטראסוני של זרז Ni לתגובות הידרוגנציה
- זרז רני ני עם חומצה טרטרית גורם לאננטיוסלקטיביות גבוהה מאוד
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- זרזי אבקה אמורפיים שטופלו באופן סונוכימי לתגובתיות מוגברת
- סונו-סינתזה של אבקות מתכת אמורפיות
שחזור זרז קולי
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 occur – including chemical, mechanical, and thermal degradation – fouling 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
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.
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!
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:
- הידרוגנציה
- אלצילציה
- ציאנציה
- אתריפיקציה
- אסטריפיקציה
- פילמור
- אלילציה
- ברומינציה
(למשל זרזי זיגלר-נטע, מטלוקנים)
ספרות / מקורות
- Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Heterogeneous Catalyst Deactivation and Regeneration: A Review. Catalysts 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Recovery of Nickel from Spent Ni/Al2O3 Catalysts using Acid Leaching, Chelation and 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. Green and Sustainable Chemistry, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” In: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
עובדות שכדאי לדעת
מהי קביטציה קולית?
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.
מהי סונוכימיה?
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?
בכימיה, קטליזה הטרוגנית מתייחסת לסוג התגובה הקטליטית שבה שלבי הזרז והמגיבים שונים זה מזה. בהקשר של כימיה הטרוגנית, הפאזה משמשת לא רק להבחנה בין מוצק, נוזל וגז, אלא היא מתייחסת גם לנוזלים בלתי ניתנים להפרעה, כגון נפט ומים.
במהלך תגובה הטרוגנית, מגיב אחד או יותר עוברים שינוי כימי בממשק, למשל על פני השטח של זרז מוצק.
קצב התגובה תלוי בריכוז המגיבים, גודל החלקיקים, הטמפרטורה, הזרז וגורמים נוספים.
ריכוז מגיבים: באופן כללי, עלייה בריכוז של מגיב מגבירה את קצב התגובה עקב הממשק הגדול יותר ובכך מעבר פאזה גדול יותר בין חלקיקי מגיבים.
גודל חלקיקים: כאשר אחד המגיבים הוא חלקיק מוצק, לא ניתן להציג אותו במשוואת הקצב, מכיוון שמשוואת הקצב מראה רק ריכוזים ולמוצקים לא יכול להיות ריכוז מכיוון שהם בפאזה אחרת. עם זאת, גודל החלקיקים של המוצק משפיע על קצב התגובה בשל שטח הפנים הזמין להעברת פאזה.
טמפרטורת תגובה: הטמפרטורה קשורה לקבוע הקצב באמצעות משוואת ארניוס: k = Ae-EA/RT
כאשר Ea היא אנרגיית ההפעלה, R היא קבוע הגז האוניברסלי ו-T היא הטמפרטורה המוחלטת בקלבין. A הוא גורם ארניוס (תדירות). e-EA/RT נותן את מספר החלקיקים מתחת לעקומה שיש להם אנרגיה גדולה יותר מאנרגיית ההפעלה, Ea.
זרז: ברוב המקרים, תגובות מתרחשות מהר יותר עם זרז כי הם דורשים פחות אנרגיית שפעול. זרזים הטרוגניים מספקים משטח תבנית שבו מתרחשת תגובה, בעוד זרזים הומוגניים יוצרים תוצרי ביניים המשחררים את הזרז במהלך השלב הבא של המנגנון.
גורמים נוספים: גורמים אחרים כגון אור יכולים להשפיע על תגובות מסוימות (פוטוכימיה).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- הרעלת זרז הוא המונח לכימיסורפציה חזקה של מינים באתרים קטליטיים החוסמים אתרים לתגובה קטליטית. הרעלה יכולה להיות הפיכה או בלתי הפיכה.
- פולינג מתייחס לפירוק מכני של הזרז, שבו מינים משלב הנוזל שוקעים על פני השטח הקטליטיים ובנקבוביות הזרז.
- התפרקות תרמית וסינטור גורמים לאובדן שטח הפנים הקטליטי, אזור התמיכה ותגובות תומכות פאזה פעילות.
- היווצרות אדים פירושה צורת פירוק כימית, שבה פאזת הגז מגיבה עם שלב הזרז ליצירת תרכובות נדיפות.
- תגובות אדים-מוצק ומוצק-מוצק גורמות לנטרול כימי של הזרז. אדים, תמיכה או מקדם מגיבים עם הזרז כך שנוצר שלב לא פעיל.
- שחיקה או ריסוק של חלקיקי הזרז גורמת לאובדן חומר קטליטי עקב שחיקה מכנית. שטח הפנים הפנימי של הזרז הולך לאיבוד עקב ריסוק מכני של חלקיק הזרז.
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.
ניתן לראות את ההחלפה הנוקלאופילית כשני מסלולים שונים – ה- SN1 ו- SN2 תגובה. איזו צורה של מנגנון תגובה – sN1 או SN2 – מתרחש, הוא תלוי במבנה של תרכובות כימיות, סוג של נוקלאופיל ואת ממס.

