Ultrahanggal intenzifikált fixágyas reaktorok
Az ultrahangos kezelés javíthatja a fixágyas reaktorokban zajló katalitikus reakciókat, elsősorban a töltött katalizátorágy körüli és azon belüli anyagátadás intenzifikálásával. Emellett az ultrahangos kezelés eltávolítja a passziváló és lerakódási rétegeket a katalizátor felületéről, ezáltal folyamatosan regenerálja a katalizátort.
Hogyan javítja az ultrahangos kezelés a fixágyas katalízist?
A fixágyas reaktorban a katalizátorrészecskék mozdulatlanok maradnak, miközben folyékony, gáznemű vagy többfázisú reaktánsok áramlanak át az ágyon. A reakció teljesítményét gyakran korlátozza a külső anyagátadás, a pórusdiffúzió, a csatornaképződés, a lerakódás és a hőátadási gradiensek. Az ultrahang e korlátozó tényezők közül többet is mérsékelhet azáltal, hogy akusztikus kavitációt, mikroáramlást, nyíróerőket és nyomásingadozásokat hoz létre.
UIP2000hdT ultrahangos készülék fixágyas reaktorba integrálva
Az ultrahanggal intenzifikált fixágyas reakciók fő hatásai
- Jobb külső anyagátadás: Az ultrahangos mikroáramlás csökkenti a katalizátorrészecskék körüli stagnáló határréteget, így a reaktánsok hatékonyabban jutnak el az aktív helyekhez.
- A pórusok jobb hozzáférhetősége: A kavitáció által kiváltott nyomásingadozások és folyadékmozgás javíthatják a reaktánsok behatolását a katalizátor pórusaiba, valamint a termékek eltávolítását a pórusokból.
- A lerakódás és a passziválódás csökkentése: Az ultrahangos kezelés segíthet eltávolítani a lerakódásokat, polimerfilmeket, kokszelőanyagokat vagy más passziváló rétegeket a katalizátor felületéről, hosszabb ideig fenntartva a katalitikus aktivitást.
- Kevesebb csatornaképződés a töltött ágyakban: Mikrotöltetes ágyakon végzett vizsgálatok kimutatták, hogy az ultrahang módosítja az áramlási viselkedést és csökkenti a diszperziót, elősegítve, hogy a reaktor működése jobban megközelítse az ideális dugóáramlást.
- Fokozott hőátadás: Az akusztikus áramlás és a turbulencia javítja a helyi hőelvezetést, csökkentve a forró pontok vagy hideg zónák kialakulását a katalizátorágyban.
- Nagyobb konverzió és hozam: Az anyagátadás és a katalizátor hozzáférhetőségének javításával az ultrahangos kezelés növelheti a reakciósebességet, a konverziót és a termékhozamot, különösen akkor, ha a reakciót transzportfolyamatok korlátozzák, nem pedig kizárólag a kinetika.
Jobb folyadék–szilárd érintkezés: Az ultrahang elősegíti a katalizátorrészecskék jobb nedvesítését, ami különösen hasznos a csörgedeztetett ágyas, szuszpenzióval táplált vagy folyadékfázisú fixágyas rendszerekben.
Hogyan javítja az ultrahangos kezelés a fixágyas katalízist?
A fő mechanizmus az akusztikus kavitáció: az ultrahanghullámok mikroszkopikus buborékokat hoznak létre, amelyek növekednek, majd hevesen összeomlanak. Összeomlásuk helyi nyírást, mikrosugarakat, lökéshullámokat és intenzív keveredést idéz elő. A katalizátorfelületek közelében ezek a hatások megtisztíthatják, aktiválhatják és megújíthatják a szilárd–folyadék határfelületet. A szonokatalízisről szóló áttekintések ezt az ultrahang és a szilárd katalizátorok közötti szinergiaként írják le, amely magában foglalja a jobb hőátadást és anyagátadást, valamint a katalitikus felületeken fellépő helyi hatásokat.
Az ultrahangos kezelés akkor a legelőnyösebb, ha a fixágyas reakciót az alábbiak hátráltatják:
- lassú diffúzió a katalizátor pórusaiba,
- a katalizátorrészecskék gyenge nedvesítése,
- termékfelhalmozódás a pórusokban,
- lerakódás vagy felületi passziválódás,
- anyagátadás által korlátozott kinetika,
- a többfázisú áramlás egyenlőtlen eloszlása,
- csatornaképződés a töltött ágyban.
Fixágyas katalizátorok
A fixágyakat (amelyeket néha töltött ágyaknak is neveznek) általában katalizátorpelletekkel töltik meg, amelyek rendszerint 1–5mm átmérőjű granulátumok. A reaktorba egyetlen ágyként, különálló burkolatokban vagy csövekben tölthetők be. A katalizátorok többnyire olyan fémeken alapulnak, mint a nikkel, a réz, az ozmium, a platina és a ródium.
A nagy teljesítményű ultrahang heterogén kémiai reakciókra gyakorolt hatásai jól ismertek, és széles körben alkalmazzák őket ipari katalitikus folyamatokban. A fixágyas reaktorban zajló katalitikus reakciók számára is előnyös az ultrahangos kezelés. A fixágyas katalizátor ultrahangos besugárzása nagy reakcióképességű felületeket hoz létre, növeli az anyagtranszportot a folyadékfázis (reaktánsok) és a katalizátor között, valamint eltávolítja a passziváló bevonatokat (pl. oxidrétegeket) a felületről.
UIP1500hdT ultrahangos készülék átfolyó cellával az elhasznált katalizátorok reaktiválásához és újrahasznosításához
- Jobb hatékonyság
- Nagyobb reakcióképesség
- Nagyobb konverziós arány
- Nagyobb hozam
- A katalizátor újrahasznosítása
A katalitikus reakciók ultrahangos intenzifikálása
Az ultrahangos keverés és mozgatás javítja a reaktáns- és katalizátorrészecskék közötti érintkezést, nagy reakcióképességű felületeket hoz létre, és elindítja és/vagy fokozza a kémiai reakciót.
Az ultrahangos katalizátorkészítés változásokat idézhet elő a kristályosodási viselkedésben, a diszpergálásban / deagglomerálásban és a felületi tulajdonságokban. Emellett az előzetesen elkészített katalizátorok jellemzői befolyásolhatók a passziváló felületi rétegek eltávolításával, jobb diszpergálással és az anyagátadás növelésével.
Példák az ultrahanggal javított reakciókra
- Ni-katalizátor ultrahangos előkezelése hidrogénezési reakciókhoz
- A Raney Ni-katalizátor borkősavval végzett ultrahangos kezelése nagyon nagy enantioszelektivitást eredményez
- Ultrahanggal szintetizált Fischer-Tropsch-katalizátorok
- Szonokémiailag kezelt amorf porkatalizátorok a reakcióképesség növelésére
- Amorf fémporok ultrahangos szintézise
Ultrahangos katalizátor-visszanyerés
A fixágyas reaktorokban a szilárd katalizátorokat általában gömb alakú gyöngyök, pelletek, extrudátumok vagy hengeres részecskék formájában használják. A kémiai reakciók során a katalizátor felületét egy lerakódási réteg passziválhatja, ami idővel a katalitikus aktivitás és/vagy szelektivitás fokozatos csökkenését eredményezi.
A katalizátor deaktiválódásának időskálája jelentősen eltérhet. Például egy krakkolókatalizátor deaktiválódása másodperceken belül bekövetkezhet, míg az ammóniaszintézisben használt vaskatalizátor 5–10 évig is aktív maradhat. Mindazonáltal gyakorlatilag minden katalitikus folyamatban megfigyelhető a katalizátor deaktiválódása. Bár különböző deaktiválódási mechanizmusok léphetnek fel – beleértve a kémiai, mechanikai és termikus degradációt –, a lerakódás a katalizátorromlás egyik leggyakoribb oka.
A lerakódás a fluidumfázisban jelen lévő anyagok fizikai kiválását jelenti a katalizátor felületére és pórusainak belsejébe. Ezek a lerakódások blokkolják a reakcióképes helyeket, korlátozzák a pórusok hozzáférhetőségét, és csökkentik a reaktánsok és az aktív katalizátorfelület közötti érintkezést. A katalizátor koksz vagy széntartalmú lerakódások okozta elszennyeződése gyakran gyors folyamat; sok esetben azonban ultrahangos regenerálással részben vagy teljesen visszafordítható.
Az ultrahangos kavitáció hatékony módszer a passziváló lerakódási rétegek eltávolítására a katalizátor felületéről. Az ultrahangos kezelés során a nagy intenzitású ultrahang kavitációs buborékokat hoz létre a folyékony közegben. Összeomlásuk helyi nyíróerőket, mikrosugarakat, lökéshullámokat és intenzív mikrokeveredést idéz elő. Ezek a hatások segítenek leválasztani a lerakódási maradványokat a katalizátor felületéről, újra megnyitni az eltömődött pórusokat, és helyreállítani az aktív helyek hozzáférhetőségét.
Az ultrahangos katalizátor-visszanyerést jellemzően úgy végzik, hogy a katalizátorrészecskéket folyadékban, például ioncserélt vízben vagy megfelelő oldószerben diszpergálják, majd a szuszpenziót szabályozott ultrahangos kezelésnek vetik alá. Ez az eljárás különböző katalizátoranyagokról távolíthatja el a lerakódási maradványokat, beleértve a platina/szilícium-dioxid-szálas katalizátorokat, a nikkelkatalizátorokat és más hordozós fémkatalizátorokat. Ennek eredményeként az ultrahangos kezelés hozzájárulhat a katalizátor regenerálásához, élettartamának meghosszabbításához és a folyamat fenntarthatóságának javításához.
Kattintson ide, és tudjon meg többet az elhasznált katalizátorok ultrahangos regenerálásáról!
Kémiai reaktorokba integrálható ultrahangos készülékek
A Hielscher Ultrasonics különféle ultrahangos processzorokat és változatokat kínál a nagy teljesítményű ultrahang fixágyas reaktorokba történő integrálásához. Különböző ultrahangos rendszerek állnak rendelkezésre fixágyas reaktorokba való beépítésre. Az összetettebb reaktortípusokhoz testreszabott ultrahangos megoldásokat kínálunk.
Ismerje meg, hogyan javítja az ultrahangos kezelés a kémiai reakciókat különböző reaktorkialakításokban!
Ha szeretné megvizsgálni az ultrahangos kezelés hatását az Ön kémiai reakciójára, szívesen látjuk teltowi ultrahangos folyamatlaboratóriumunkban és műszaki központunkban!
Lépjen kapcsolatba velünk még ma! Örömmel egyeztetünk Önnel kémiai folyamatának ultrahangos intenzifikálásáról!
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad a Hielscher ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
Ultrahangos átfolyó rendszer
- Hidrogénezés
- Alcylation
- Cianálás
- Éterképzés
- Észterezés
- Polimerizáció
- Allilezés
- Brómozás
(pl. Ziegler-Natta-katalizátorok, metallocének)
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
Hasznos tudnivalók
Mi az ultrahangos kavitáció?
Az ultrahangos kavitáció mikroszkopikus gőz- vagy gázbuborékok képződését, növekedését és heves összeomlását jelenti nagy intenzitású ultrahangnak kitett folyadékban. A buborékok összeomlásakor nagyon rövid időre szélsőséges helyi körülmények alakulhatnak ki, beleértve a magas hőmérsékletet, nagy nyomást, lökéshullámokat, mikrosugarakat és intenzív nyíróerőket.
Mi a szonokémia?
A szonokémia ezen ultrahangos kavitációs hatások alkalmazása kémiai és fizikai-kémiai folyamatok elindítására, gyorsítására vagy módosítására. Különösen jelentős a folyadékfázisú rendszerekben, mert a kavitáció fokozza a keveredést, az anyagátadást, az emulgeálást, a részecskék diszpergálását, a katalizátorfelület tisztítását és egyes esetekben a gyökképződést. Ennek eredményeként a szonokémiát olyan reakciók intenzifikálására alkalmazzák, mint a heterogén katalízis, az oxidáció, az extrakció, a polimerizáció, a kristályosítás és a nanoanyagok szintézise.
Mi a heterogén katalitikus reakció?
A kémiában a heterogén katalízis olyan katalitikus reakciótípust jelent, amelyben a katalizátor és a reaktánsok fázisa különbözik egymástól. A heterogén kémia összefüggésében a fázis fogalmát nemcsak a szilárd, folyékony és gáznemű állapot megkülönböztetésére használják, hanem egymással nem elegyedő folyadékokra, például olajra és vízre is vonatkozik.
Heterogén reakció során egy vagy több reaktáns kémiai változáson megy keresztül egy határfelületen, például egy szilárd katalizátor felületén.
A reakciósebesség a reaktánsok koncentrációjától, a részecskemérettől, a hőmérséklettől, a katalizátortól és további tényezőktől függ.
Reaktánskoncentráció: Általában a reaktáns koncentrációjának növelése növeli a reakciósebességet a nagyobb határfelület és ezáltal a reaktánsrészecskék közötti fokozott fázisátadás következtében.
Részecskeméret: Ha az egyik reaktáns szilárd részecske, akkor nem szerepeltethető a sebességi egyenletben, mivel a sebességi egyenlet csak koncentrációkat mutat, a szilárd anyagoknak pedig nem lehet koncentrációjuk, mert más fázisban vannak. A szilárd anyag részecskemérete azonban befolyásolja a reakciósebességet a fázisátadáshoz rendelkezésre álló felület miatt.
Reakcióhőmérséklet: A hőmérséklet az Arrhenius-egyenleten keresztül kapcsolódik a sebességi állandóhoz: k = Ae-Ea/RT
Ahol Ea az aktiválási energia, R az egyetemes gázállandó, T pedig a kelvinben kifejezett abszolút hőmérséklet. A az Arrhenius-féle (frekvencia-) tényező. Az e-Ea/RT megadja a görbe alatti azon részecskék számát, amelyek energiája nagyobb az Ea aktiválási energiánál.
Katalizátor: A legtöbb esetben a reakciók katalizátor jelenlétében gyorsabban mennek végbe, mert kisebb aktiválási energiát igényelnek. A heterogén katalizátorok olyan mintázó felületet biztosítanak, amelyen a reakció végbemegy, míg a homogén katalizátorok köztes termékeket képeznek, amelyek a mechanizmus egy későbbi lépésében felszabadítják a katalizátort.
Egyéb tényezők: Más tényezők, például a fény, befolyásolhatnak bizonyos reakciókat (fotokémia).
Milyen típusai vannak a katalizátor deaktiválódásának?
- Katalizátormérgezésnek nevezzük az anyagok erős kemiszorpcióját a katalitikus helyeken, amely blokkolja a katalitikus reakció számára rendelkezésre álló helyeket. A mérgezés lehet reverzibilis vagy irreverzibilis.
- A lerakódás a katalizátor mechanikai degradációját jelenti, amelynek során a fluidumfázisban jelen lévő anyagok lerakódnak a katalitikus felületre és a katalizátor pórusaiba.
- A termikus degradáció és a szintereződés a katalitikus felület, a hordozófelület, valamint az aktív fázis és a hordozó közötti reakciók elvesztését eredményezi.
- A gőzképződés a kémiai degradáció egyik formáját jelenti, amelynek során a gázfázis reakcióba lép a katalizátorfázissal, és illékony vegyületeket hoz létre.
- A gőz–szilárd és szilárd–szilárd reakciók a katalizátor kémiai deaktiválódását eredményezik. A gőz, a hordozó vagy a promotor reakcióba lép a katalizátorral, így inaktív fázis keletkezik.
- A katalizátorrészecskék kopása vagy összezúzódása a katalizátoranyag mechanikai dörzsölődés okozta elvesztését eredményezi. A katalizátor belső felülete a katalizátorrészecske mechanikai hatásra bekövetkező összezúzódása miatt vész el.
Olvasson többet arról, hogyan reaktiválhatja az ultrahangos kezelés az elhasznált katalizátorokat!
Mi a nukleofil szubsztitúció?
A nukleofil szubsztitúció a szerves (és szervetlen) kémia egyik alapvető reakcióosztálya, amelyben egy nukleofil Lewis-bázisként (elektronpár-donorként) szelektíven kötődik egy szerves komplexhez, vagy megtámadja egy atom vagy atomcsoport pozitív vagy részlegesen pozitív (+) töltését, hogy egy távozó csoportot helyettesítsen. A pozitív vagy részlegesen pozitív atomot, amely az elektronpár-akceptor, elektrofilnek nevezzük. Az elektrofilből és a távozó csoportból álló teljes molekuláris egységet általában szubsztrátnak nevezzük.
A nukleofil szubsztitúció két különböző úton figyelhető meg – az SN1 és az SN2 reakcióként. Az, hogy melyik reakciómechanizmus – az SN1 vagy az SN2 – valósul meg, a kémiai vegyületek szerkezetétől, a nukleofil típusától és az oldószertől függ.