Hielscher Ultrasonics
Örömmel megvitatjuk a folyamatot.
Hívjon minket: +49 3328 437-420
Írjon nekünk: [email protected]

Ultrahanggal intenzívebb rögzített ágyas reaktorok

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.

Információkérés



Sonicator UIP2000hdT mounted on a fixed bed reactor to intensify catalytic reactions

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.
  • 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.

  • 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.
  • Fokozott hőátadás: 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.

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.

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.
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.

Ultrahangos homogenizátor UIP1500hdT egy áramlási cellával, amely hűtőköpennyel van ellátva a folyamat hőmérsékletének szabályozására szonikálás közben.

Sonicator UIP1500hdT with flow-cell for the reactivation and recycling of spent catalysts

Advantages of Ultrasonically Intensified Catalytic Reactions

  • 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.

Examples of Ultrasonically-Improved Reactions

  • A Ni katalizátor ultrahangos előkezelése hidrogénezési reakciókhoz
  • A szonikált Raney Ni katalizátor borkősavval nagyon magas enantioszelektivitást eredményez
  • Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
  • Szonokémiailag kezelt amorf porkatalizátorok a fokozott reakcióképesség érdekében
  • Amorf fémporok szonoszintézise

Ultrahangos katalizátor helyreállítása

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 occurincluding chemical, mechanical, and thermal degradationfouling 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

A teljesítmény ultrahangot katalizátorokra és katalitikus reakciókra alkalmazzák. (Kattintson a nagyításhoz!)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.
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!
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:

Kötegelt mennyiség Áramlási sebesség Ajánlott eszközök
10 és 2000 ml között 20–400 ml/perc UP200Ht, UP400ST
0.1-től 20L-ig 0.2-től 4 liter/percig UIP2000hdT
10–100 liter 2–10 l/perc UIP4000
n.a. 10–100 l/perc UIP16000
n.a. Nagyobb klaszter UIP16000
Inline feldolgozás 7kW teljesítményű ultrahangos processzorokkal (Kattintson a nagyításhoz!)

Ultrahangos áramlási rendszer

Ultrahanggal fokozott reakciók

  • hidrogénezés
  • alkilezés
  • cianáció
  • éterezés
  • észterezés
  • polimerizáció
  • (pl. Ziegler-Natta katalizátorok, metallocensek)

  • alliláció
  • Brómozás

További információ kérése

Please use the form below to request additional information about sonicators for the integration into fixed bed reactors, technical details and prices. We will be glad to discuss your chemical reactor design with you and to offer you the best sonicator fulfilling your requirements!




Irodalom / Hivatkozások



Tények, amelyeket érdemes tudni

Mi az ultrahangos kavitáció?

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.

Mi az a Sonochemistry?

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?

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).

What are the Types of Catalyst Deactivation?

  • 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.

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.
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.

Örömmel megvitatjuk a folyamatot.