Ultrahanggal intenzívebb rögzített ágyas reaktorok
Az ultrahangkezelés elsősorban a töltött katalizátorágy körül és belsejében zajló anyagátvitel fokozásával javíthatja a rögzített ágyas reaktorokban zajló katalitikus reakciókat. Ezen felül az ultrahangkezelés eltávolítja a passzivációs és lerakódási rétegeket a katalizátor felületéről, ezáltal folyamatosan regenerálja a katalizátort.
Hogyan javítja az ultrahangkezelés a rögzített ágyas katalízist?
Egy rögzített ágyas reaktorban a katalizátor-részecskék mozdulatlanok maradnak, miközben folyadék, gáz vagy többfázisú reagens áramlik át az ágyon. A reakció teljesítményét gyakran korlátozzák a külső anyagátvitel, a pórusdiffúzió, a csatornázódás, az eltömődés és a hőátadási gradiensek. Az ultrahang akusztikus kavitáció, mikroszivárgás, nyíróerők és nyomásingadozások előidézésével számos ilyen korlátot képes csökkenteni.
Sonicator UIP2000hdT beépítve egy rögzített ágyas reaktorba
Az ultrahanggal fokozott rögzített ágyas reakciók legfontosabb hatásai
- Javított külső anyagátvitel: Az ultrahangos mikroszűrőzés csökkenti a katalizátor-részecskék körüli pangó határréteget, így a reagensanyagok hatékonyabban juthatnak el az aktív helyekhez.
- A pórusok jobb hozzáférhetősége: A kavitáció által kiváltott nyomásingadozások és a folyadékmozgás elősegíthetik a reagensanyagok behatolását a katalizátor pórusaiba, valamint a termékek eltávolítását a pórusokból.
- A lerakódások csökkentése és a passziválás: Az ultrahangos kezelés segíthet eltávolítani a lerakódásokat, a polimer rétegeket, a kokszképző anyagokat vagy más passziváló rétegeket a katalizátor felületéről, így hosszabb ideig megőrizve a katalitikus aktivitást.
- A csatornázódás csökkentése tömörített ágyakban: A mikrocsomagolt ágyas vizsgálatok során bebizonyosodott, hogy az ultrahang módosítja az áramlási viselkedést és csökkenti a diszperziót, elősegítve ezzel, hogy a reaktor közelebb kerüljön az ideális dugóáramlási viselkedéshez.
- Fokozott hőátadás: Az akusztikus áramlás és a turbulencia javítják a helyi hőelvezetést, csökkentve ezzel a katalizátorágyban kialakuló forró pontok vagy hideg zónák számát.
- Magasabb konverziós arány és hozam: Az anyagátvitel és a katalizátorhoz való hozzáférés javításával az ultrahangkezelés növelheti a reakciósebességet, az átalakulási fokot és a termékhozamot, különösen akkor, ha a reakciót nem pusztán kinetikai korlátok, hanem transzportkorlátok szabják meg.
A folyadék és a szilárd anyag közötti érintkezés javítása: Az ultrahang elősegíti a katalizátor-részecskék jobb nedvesítését, ami különösen hasznos csepegtetőágyas, szuszpenziós adagolású vagy folyadékfázisú rögzített ágyas rendszerekben.
Hogyan javítja az ultrahangkezelés a rögzített ágyas katalízist?
A fő mechanizmus az akusztikus kavitáció: az ultrahanghullámok mikroszkopikus buborékokat hoznak létre, amelyek növekednek, majd hevesen összeomlanak. Összeomlásuk helyi nyíróerőt, mikrosugarakat, lökéshullámokat és intenzív keveredést eredményez. A katalizátor felületei közelében ezek a hatások megtisztíthatják, aktiválhatják és felfrissíthetik 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, anyagátadást és a katalitikus felületeken jelentkező lokalizált hatásokat.
Az ultrahangkezelés akkor a leghatékonyabb, ha az állóágyas reakciót az alábbiak hátráltatják:
- a katalizátor pórusaiba történő lassú diffúzió,
- a katalizátor-részecskék gyenge nedvesítése,
- a termék felhalmozódása a pórusokban,
- lerakódás vagy felületi passziválás,
- anyagátvitel által korlátozott kinetika,
- a többfázisú áramlás egyenlőtlen eloszlása,
- a tömörített ágyon keresztül történő áramlás.
Rögzített ágyas katalizátorok
A rögzített ágyakat (néha csomagolt ágynak is nevezik) általában katalizátor pelletekkel töltik meg, amelyek általában 1-5 mm átmérőjű granulátumok. A reaktorba egyetlen ágyként, külön héjként vagy csövekben tölthetők be. A katalizátorok többnyire olyan fémeken alapulnak, mint a nikkel, réz, ozmium, platina és ródium.
A nagy teljesítményű ultrahang heterogén kémiai reakciókra gyakorolt hatása jól ismert, és széles körben alkalmazzák ipari katalitikus folyamatokban. A rögzített ágyas reaktorokban zajló katalitikus reakciók is profitálnak az ultrahangos kezelésből. A rögzített ágyú katalizátor ultrahangos besugárzása rendkívül reaktív felületeket hoz létre, fokozza a folyadékfázis (reagensek) és a katalizátor közötti anyagátvitelt, valamint eltávolítja a felületről a passziváló bevonatokat (pl. oxidrétegeket).
UIP1500hdT ultrahangos berendezés áramlási cellával a kimerült katalizátorok reaktiválásához és újrahasznosításához
- Nagyobb hatékonyság
- Fokozott reakciókészség
- Megnövelt konverziós arány
- Nagyobb hozam
- A katalizátor újrahasznosítása
A katalitikus reakciók ultrahangos fokozása
Az ultrahangos keverés és keverés javítja a reagens és a katalizátor részecskék közötti érintkezést, erősen reaktív felületeket hoz létre, és elindítja és / vagy fokozza a kémiai reakciót.
Az ultrahangos katalizátor előkészítése megváltoztathatja a kristályosodási viselkedést, a diszperziót / deagglomerációt és a felületi tulajdonságokat. Továbbá az előformázott katalizátorok jellemzői befolyásolhatók a passziváló felületi rétegek eltávolításával, jobb diszperzióval, a tömegátadás növelésével.
Példák ultrahanggal javított reakciókra
- A Ni katalizátor ultrahangos előkezelése hidrogénezési reakciókhoz
- A szonikált Raney Ni katalizátor borkősavval nagyon magas enantioszelektivitást eredményez
- Ultrahanggal szintetizált Fischer–Tropsch-katalizátorok
- Szonokémiailag kezelt amorf porkatalizátorok a fokozott reakcióképesség érdekében
- Amorf fémporok szonoszintézise
Ultrahangos katalizátor helyreállítása
A rögzített ágyas reaktorokban a szilárd katalizátorokat általában gömb alakú gyöngyök, pelletek, extrudált anyagok vagy hengeres részecskék formájában használják. A kémiai reakciók során a katalizátor felületét egy lerakódási réteg passziválhatja, ami idővel a katalitikus aktivitás és/vagy a szelektivitás fokozatos csökkenéséhez vezet.
A katalizátorok deaktiválódásának időtartama jelentősen változik. Például egy krakkoló katalizátor deaktiválódása másodpercek alatt bekövetkezhet, míg az ammónia-szintézisben használt vaskatalizátor 5–10 évig is aktív maradhat. Mindazonáltal a katalizátorok deaktiválódása gyakorlatilag minden katalitikus folyamatban megfigyelhető. Bár különböző deaktiválódási mechanizmusok léphetnek fel – beleértve a kémiai, mechanikai és termikus lebomlást – A lerakódás a katalizátor teljesítményromlásának egyik leggyakoribb oka.
Az eltömődés alatt a folyadékfázisból származó anyagok fizikai lerakódását értjük a katalizátor felületén és pórusaiban. Ezek a lerakódások elzárják a reaktív helyeket, korlátozzák a pórusok hozzáférhetőségét, és csökkentik a reaktánsok és az aktív katalizátorfelület közötti érintkezést. A koksz vagy szénszerű lerakódások által okozott katalizátor-elzáródás gyakran gyors folyamat; azonban sok esetben ultrahangos regenerációval részben vagy teljesen visszafordítható.
Az ultrahangos kavitáció hatékony módszer a passziváló szennyeződésrétegek eltávolítására a katalizátor felületéről. Az ultrahangkezelés során a nagy intenzitású ultrahang kavitációs buborékokat hoz létre a folyékony közegben. Ezek összeomlása helyi nyíróerőket, mikrosugarakat, lökéshullámokat és intenzív mikrokeveredést eredményez. Ezek a hatások elősegítik a szennyeződésmaradványok leválasztását a katalizátor felületéről, az eltömődött pórusok újbóli megnyitását, valamint az aktív helyekhez való hozzáférés helyreállítását.
Az ultrahangos katalizátor-visszanyerést általában úgy végzik, hogy a katalizátor-részecskéket folyadékban – például ionmentes vízben vagy megfelelő oldószerben – diszpergálják, majd a szuszpenziót szabályozott ultrahangos kezelésnek vetik alá. Ez a folyamat eltávolíthatja a lerakódásokat különböző katalizátoranyagokról, beleértve a platina/szilícium-dioxid szálas katalizátorokat, a nikkel-katalizátorokat és más hordozóanyaggal ellátott fémkatalizátorokat. Ennek eredményeként az ultrahangos kezelés hozzájárulhat a katalizátor regenerálásához, élettartamának meghosszabbításához, valamint a folyamat fenntarthatóságának javításához.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a kimerült katalizátorok ultrahangos regenerálásáról!
Kémiai reaktorokba beépíthető ultrahangos készülékek
A Hielscher Ultrasonics különböző ultrahangos processzorokat és variációkat kínál a teljesítmény ultrahang rögzített ágyas reaktorokba történő integrálásához. Különböző ultrahangos rendszerek állnak rendelkezésre a rögzített ágyas reaktorokba történő telepítéshez. A bonyolultabb reaktortípusokhoz a következőket kínáljuk testreszabott ultrahangos Megoldások.
Tudja meg, hogyan javítja az ultrahangkezelés a kémiai reakciókat különböző reaktortípusokban!
Ha szeretné kipróbálni, milyen hatással van az ultrahangos kezelés a kémiai reakciójára, szívesen látjuk Önt Teltow-ban található ultrahangos feldolgozási laboratóriumunkban és műszaki központunkban!
Vegye fel velünk a kapcsolatot még ma! Örülünk, hogy megvitathatjuk Önnel a kémiai folyamat ultrahangos intenzívebbé válását!
Az alábbi táblázat a Hielscher szonikátorok hozzávetőleges feldolgozási kapacitását mutatja be:
Ultrahangos áramlási rendszer
- hidrogénezés
- alkilezés
- cianáció
- éterezés
- észterezés
- polimerizáció
- alliláció
- Brómozás
(pl. Ziegler-Natta katalizátorok, metallocensek)
Irodalom / 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.
Tények, amelyeket érdemes tudni
Mi az ultrahangos kavitáció?
Az ultrahangos kavitáció a nagy intenzitású ultrahangnak kitett folyadékban lévő mikroszkopikus gőz- vagy gázbuborékok kialakulása, növekedése és heves összeomlása. A buborékok összeomlása során nagyon rövid ideig rendkívüli helyi körülmények alakulhatnak ki, ideértve a magas hőmérsékletet, a magas nyomást, a lökéshullámokat, a mikrosugarakat és az erős nyíróerőket.
Mi az a Sonochemistry?
A szonokémia ezeknek az ultrahangos kavitációs hatásoknak a kihasználását jelenti kémiai és fizikai-kémiai folyamatok elindítására, felgyorsítására vagy módosítására. Különösen fontos szerepet játszik a folyadékfázisú rendszerekben, mivel a kavitáció elősegíti az elegyedést, a tömegátadást, az emulgeálást, a részecskék diszpergálását, a katalizátor felületének tisztítását, valamint egyes esetekben a szabad gyökök képződését. Ennek eredményeként a szonokémiát olyan reakciók fokozására használják, mint a heterogén katalízis, az oxidáció, az extrakció, a polimerizáció, a kristályosodás és a nanomateriális szintézis.
Mi az a heterogén katalitikus reakció?
A kémiában a heterogén katalízis a katalitikus reakció típusára utal, ahol a katalizátor és a reagensek fázisai különböznek egymástól. A heterogén kémia összefüggésében a fázist nemcsak a szilárd, folyékony és gáz megkülönböztetésére használják, hanem nem elegyedő folyadékokra is utal, például olajra és vízre.
Heterogén reakció során egy vagy több reagens kémiai változáson megy keresztül egy határfelületen, pl. egy szilárd katalizátor felületén.
A reakciósebesség a reagensek koncentrációjától, a részecskemérettől, a hőmérséklettől, a katalizátortól és további tényezőktől függ.
Reaktáns koncentráció: Általánosságban elmondható, hogy a reagens koncentrációjának növekedése növeli a reakciósebességet a nagyobb határfelület és ezáltal a reaktáns részecskék közötti nagyobb fázisátadás miatt.
Részecskeméret: Ha az egyik reagens szilárd részecske, akkor nem jeleníthető meg a sebességegyenletben, mivel a sebességegyenlet csak koncentrációkat mutat, és a szilárd anyagoknak nem lehet koncentrációjuk, mivel 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 univerzális gázállandó és T az abszolút hőmérséklet Kelvinben. A az Arrhenius (frekvencia) tényező. e-EA/RT megadja a görbe alatti részecskék számát, amelyek energiája nagyobb, mint az aktiválási energia, Ea.
Katalizátor: A legtöbb esetben a reakciók gyorsabban mennek végbe katalizátorral, mert kevesebb aktiválási energiát igényelnek. A heterogén katalizátorok biztosítják a reakció bekövetkezésének templátfelületét, míg a homogén katalizátorok köztes termékeket képeznek, amelyek felszabadítják a katalizátort a mechanizmus következő lépése során.
Egyéb tényezők: Más tényezők, például a fény befolyásolhatják bizonyos reakciókat (fotokémia).
Melyek a katalizátor deaktiválódásának típusai?
- A katalizátormérgezés kifejezés a fajok erős kemiszorpcióját jelenti a katalitikus helyeken, amelyek blokkolják a katalitikus reakció helyeit. A mérgezés visszafordítható vagy visszafordíthatatlan lehet.
- A szennyeződés a katalizátor mechanikai lebomlására utal, ahol a folyadékfázisból származó fajok lerakódnak a katalitikus felületre és a katalizátor pórusaiba.
- A termikus lebomlás és szinterelés a katalitikus felület, a támasztóterület és az aktív fázistámogató reakciók elvesztését eredményezi.
- A gőzképződés kémiai lebomlási formát jelent, ahol a gázfázis reakcióba lép a katalizátorfázissal, és illékony vegyületeket képez.
- A gőz-szilárd és szilárd-szilárd reakciók a katalizátor kémiai deaktiválását eredményezik. A gőz, a hordozó vagy a promoter reakcióba lép a katalizátorral, így inaktív fázis keletkezik.
- A katalizátorrészecskék kopása vagy zúzódása a katalitikus anyag mechanikai kopás miatti elvesztését eredményezi. A katalizátor belső felülete elvész a katalizátorrészecske mechanikusan indukált zúzása miatt.
Tudjon meg többet arról, hogyan lehet a szonikációval újraaktiválni a kimerült katalizátorokat!
Mi az a nukleofil szubsztitúció?
A nukleofil szubsztitúció a szerves (és szervetlen) kémia egyik alapvető reakcióosztálya, amelyben egy nukleofil szelektíven Lewis-bázis formájában (elektronpár-donorként) kötődik egy szerves komplexhez, vagy megtámadja az atom vagy atomcsoport pozitív vagy részben pozitív (+) töltésű atomra vagy atomcsoportra támad, hogy helyettesítse a távozó csoportot. A pozitív vagy részben pozitív atomot, amely az elektronpár-akceptor, elektrofilnek nevezzük. Az elektrofil és a távozó csoport együttes molekuláris egységét általában szubsztrátnak nevezzük.
A nukleofil szubsztitúció két különböző útvonalon figyelhető meg – az SN1 és SN2 reakció. A reakciómechanizmus melyik formája – sN1 vagy SN2 – történik, függ a kémiai vegyületek szerkezetétől, a nukleofil típusától és az oldószertől.