Ultrazvučno pojačani reaktori s fiksnim slojem
- Ultrazvučno miješanje i disperzija aktivira i pojačava katalitičku reakciju u reaktorima s fiksnim slojem.
- Sonikacija poboljšava prijenos mase i time povećava učinkovitost, stopu konverzije i prinos.
- Dodatna prednost je uklanjanje pasivizirajućih slojeva onečišćenja s čestica katalizatora ultrazvučnom kavitacijom.
Katalizatori s fiksnim slojem
Fiksni slojevi (ponekad se nazivaju i pakirani sloj) obično su napunjeni peletima katalizatora, koji su obično granule promjera od 1-5 mm. Mogu se puniti u reaktor u obliku jednog sloja, kao zasebne ljuske ili u cijevima. Katalizatori se uglavnom temelje na metalima kao što su nikal, bakar, osmij, platina i rodij.
Učinci snažnog ultrazvuka na heterogene kemijske reakcije dobro su poznati i naširoko se koriste za industrijske katalitičke procese. Katalitičke reakcije u reaktoru s fiksnim slojem također mogu imati koristi od ultrazvučne obrade. Ultrazvučno zračenje fiksnog sloja katalizatora stvara visoko reaktivne površine, povećava prijenos mase između tekuće faze (reaktanata) i katalizatora i uklanja pasivne prevlake (npr. oksidne slojeve) s površine. Ultrazvučna fragmentacija krhkih materijala povećava površine i time pridonosi povećanju aktivnosti.
Prednosti
- Poboljšana učinkovitost
- Povećana reaktivnost
- Povećana stopa konverzije
- Veći prinos
- Recikliranje katalizatora
Ultrazvučno pojačavanje katalitičkih reakcija
Ultrazvučno miješanje i miješanje poboljšava kontakt između čestica reaktanta i katalizatora, stvara visoko reaktivne površine i pokreće i/ili pojačava kemijsku reakciju.
Ultrazvučna priprema katalizatora može uzrokovati promjene u ponašanju kristalizacije, disperziji / deaglomeraciji i površinskim svojstvima. Nadalje, na karakteristike prethodno oblikovanih katalizatora može se utjecati uklanjanjem pasivizirajućih površinskih slojeva, boljom disperzijom, povećanjem prijenosa mase.
Kliknite ovdje da saznate više o učincima ultrazvuka na kemijske reakcije (sonokemija)!
Primjeri
- Ultrazvučna prethodna obrada Ni katalizatora za reakcije hidrogenacije
- Sonicirani Raney Ni katalizator s vinskom kiselinom rezultira vrlo visokom enantioselektivnošću
- Ultrazvučno pripremljeni Fischer-Tropsch katalizatori
- Sonokemijski tretirani katalizatori amorfnog praha za povećanu reaktivnost
- Sono-sinteza amorfnih metalnih prahova
Ultrazvučni oporavak katalizatora
Čvrsti katalizatori u reaktorima s fiksnim slojem uglavnom su u obliku shericnih kuglica ili cilindričnih cijevi. Tijekom kemijske reakcije, površina katalizatora je pasivizirana slojem onečišćenja što uzrokuje gubitak katalitičke aktivnosti i/ili selektivnosti tijekom vremena. Vremenske skale za raspadanje katalizatora znatno variraju. Dok se, na primjer, smrtnost katalizatora krekiranja može dogoditi unutar nekoliko sekundi, željezni katalizator koji se koristi u sintezi amonijaka može trajati 5-10 godina. Međutim, deaktivacija katalizatora može se primijetiti za sve katalizatore. Dok se mogu uočiti različiti mehanizmi (npr. kemijski, mehanički, toplinski) deaktivacije katalizatora, onečišćenje je jedan od najčešćih tipova propadanja katalizatora. Obraštaj se odnosi na fizičko taloženje vrsta iz tekuće faze na površini iu porama katalizatora blokirajući tako reaktivna mjesta. Zaprljanje katalizatora koksom i ugljikom proces je koji se brzo odvija i može se poništiti regeneracijom (npr. ultrazvučnom obradom).
Ultrazvučna kavitacija je uspješna metoda za uklanjanje pasivizirajućih slojeva onečišćenja s površine katalizatora. Oporavak ultrazvučnog katalizatora obično se provodi sonikacijom čestica u tekućini (npr. deionizirana voda) kako bi se uklonili ostaci onečišćenja (npr. platina/silika vlakna pt/SF, katalizatori od nikla).
ultrazvučni sustavi
Hielscher Ultrasonics nudi razne ultrazvučne procesore i varijacije za integraciju snažnog ultrazvuka u reaktore s fiksnim slojem. Dostupni su različiti ultrazvučni sustavi za ugradnju u reaktore s fiksnim slojem. Za složenije tipove reaktora nudimo prilagođeni ultrazvučni rješenja.
Kako biste testirali svoju kemijsku reakciju pod ultrazvučnim zračenjem, dobrodošli ste da posjetite naš ultrazvučni procesni laboratorij i tehnički centar u Teltowu!
Kontaktirajte nas danas! Drago nam je razgovarati s vama o ultrazvučnom intenziviranju vašeg kemijskog procesa!
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
Ultrazvučni sustav protoka
- hidrogeniranje
- Alciliranje
- Cijanizacija
- eterifikacija
- esterifikacija
- polimerizacija
- Alilacija
- Bromiranje
(npr. Ziegler-Natta katalizatori, metaloceni)
Literatura/Reference
- Argyle, MD; Bartholomew, CH (2015): Deaktivacija i regeneracija heterogenog katalizatora: pregled. Katalizatori 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Oporavak nikla iz istrošenih Ni/Al2O3 katalizatora korištenjem ispiranja kiselinom, kelacije i ultrazvučne obrade. Research Journal of Recent Sciences Vol. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, KR; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, MS; Uppalaiah, K. (2012): Ultrazvučno potpomognuta regioselektivna nitracija aromatskih spojeva u prisutnosti određenih metalnih soli grupe V i VI. Zelena i održiva kemija, 2012., 2, 97-111.
- Suslick, KS; Škrabalak, SE (2008): “sonokataliza” U: Handbook of Heterogeneous Catalysis, sv. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Ur.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006.-2017.
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvučna kavitacija i sonokemija
Povezivanje snage ultrazvuka u tekućine nastaje mulj akustična kavitacija. Akustična kavitacija odnosi se na fenomen brzog stvaranja, rasta i implozivnog urušavanja šupljina ispunjenih parom. To stvara vrlo kratkotrajne "vruće točke" s ekstremnim temperaturnim vrhovima do 5000K, vrlo visokim stopama grijanja/hlađenja iznad 109Ks-1, i tlakove od 1000 atm s odgovarajućim razlikama – sve unutar nanosekundnog životnog vijeka.
Područje istraživanja Sonokemija istražuje učinak ultrazvuka u stvaranju akustične kavitacije u tekućinama, koja pokreće i/ili pojačava kemijsku aktivnost u otopini.
Heterogene katalitičke reakcije
U kemiji, heterogena kataliza odnosi se na tip katalitičke reakcije u kojoj se faze katalizatora i reaktanata razlikuju jedna od druge. U kontekstu heterogene kemije, faza se ne koristi samo za razlikovanje krutine, tekućine i plina, već se odnosi i na tekućine koje se ne miješaju, npr. ulje i vodu.
Tijekom heterogene reakcije, jedan ili više reaktanata prolazi kroz kemijsku promjenu na sučelju, npr. na površini čvrstog katalizatora.
Brzina reakcije ovisi o koncentraciji reaktanata, veličini čestica, temperaturi, katalizatoru i drugim čimbenicima.
Koncentracija reaktanta: Općenito, povećanje koncentracije reaktanta povećava brzinu reakcije zbog većeg sučelja, a time i većeg prijenosa faze između čestica reaktanta.
Veličina čestice: Kada je jedan od reaktanata čvrsta čestica, tada se ne može prikazati u jednadžbi brzine, budući da jednadžba brzine pokazuje samo koncentracije, a krute tvari ne mogu imati koncentraciju jer su u drugoj fazi. Međutim, veličina čestica krutine utječe na brzinu reakcije zbog raspoložive površine za fazni prijenos.
Temperatura reakcije: Temperatura je povezana s konstantom brzine preko Arrheniusove jednadžbe: k = Ae-Ea/RT
Gdje je Ea aktivacijska energija, R univerzalna plinska konstanta, a T apsolutna temperatura u Kelvinima. A je Arrheniusov (frekvencijski) faktor. e-Ea/RT daje broj čestica ispod krivulje koje imaju energiju veću od energije aktivacije, Ea.
Katalizator: U većini slučajeva, reakcije se odvijaju brže s katalizatorom jer zahtijevaju manje aktivacijske energije. Heterogeni katalizatori daju površinu šablona na kojoj se odvija reakcija, dok homogeni katalizatori stvaraju međuprodukte koji otpuštaju katalizator tijekom sljedećeg koraka mehanizma.
Ostali faktori: Drugi čimbenici poput svjetlosti mogu utjecati na određene reakcije (fotokemija).
Nukleofilna supstitucija
Nukleofilna supstitucija temeljna je klasa reakcija u organskoj (i anorganskoj) kemiji, u kojoj se nukleofil selektivno veže u obliku Lewisove baze (kao donator elektronskog para) s organskim kompleksom s ili napada pozitivnu ili djelomično pozitivnu (+ve) naboj atoma ili skupine atoma za zamjenu izlazne skupine. Pozitivan ili djelomično pozitivan atom, koji je akceptor elektronskog para, naziva se elektrofil. Cijela molekularna cjelina elektrofila i odlazeće skupine obično se naziva supstrat.
Nukleofilna supstitucija može se promatrati kao dva različita puta – SN1 i SN2 reakcija. Koji oblik mehanizma reakcije – sN1 ili SN2 – odvija se ovisno o strukturi kemijskih spojeva, vrsti nukleofila i otapalu.
Vrste deaktivacije katalizatora
- Trovanje katalizatorom je izraz za jaku kemisorpciju vrsta na katalitičkim mjestima koja blokiraju mjesta za katalitičku reakciju. Otrovanje može biti reverzibilno ili ireverzibilno.
- Obustajanje se odnosi na mehaničku degradaciju katalizatora, gdje se tvari iz tekuće faze talože na površinu katalizatora iu porama katalizatora.
- Toplinska degradacija i sinteriranje rezultiraju gubitkom katalitičke površine, potporne površine i reakcija aktivne faze-potpore.
- Formiranje pare znači oblik kemijske razgradnje, gdje plinovita faza reagira s fazom katalizatora da proizvede hlapljive spojeve.
- Reakcije para-krutina i krutina-krutina rezultiraju kemijskom deaktivacijom katalizatora. Para, nosač ili promotor reagiraju s katalizatorom tako da nastaje neaktivna faza.
- Trljanje ili drobljenje čestica katalizatora dovodi do gubitka katalitičkog materijala zbog mehaničke abrazije. Unutarnja površina katalizatora gubi se zbog mehanički induciranog drobljenja čestica katalizatora.