Ultrasonically Intensified Fixed Bed Reactors
- Pencampuran dan dispersi ultrasonik mengaktifkan dan mengintensifkan reaksi katalitik dalam reaktor tempat tidur tetap.
- Sonikasi meningkatkan perpindahan massa dan meningkatkan efisiensi, tingkat konversi dan hasil.
- Manfaat tambahan adalah penghapusan lapisan pengotoran pasif dari partikel katalis dengan kavitasi ultrasonik.
Katalis Tempat Tidur Tetap
Tempat tidur tetap (kadang-kadang juga disebut tempat tidur yang dikemas) biasanya diisi dengan pelet katalis, yang biasanya berupa butiran dengan diameter 1-5mm. Mereka dapat dimuat ke dalam reaktor dalam bentuk sebagai tempat tidur tunggal, sebagai cangkang terpisah, atau dalam tabung. Katalis sebagian besar didasarkan pada logam seperti nikel, tembaga, osmium, platinum, dan rhodium.
Efek ultrasound daya pada reaksi kimia heterogen terkenal dan banyak digunakan untuk proses katalitik industri. Reaksi katalitik dalam reaktor tempat tidur tetap juga dapat memperoleh manfaat dari perawatan ultrasonik. Iradiasi ultrasonik dari katalis tempat tidur tetap menghasilkan permukaan yang sangat reaktif, meningkatkan transportasi massa antara fase cair (reaktan) dan katalis, dan menghilangkan lapisan pasif (misalnya lapisan oksida) dari permukaan. Fragmentasi ultrasonik dari bahan rapuh meningkatkan luas permukaan dan berkontribusi pada peningkatan aktivitas.
Keuntungan
- Peningkatan efisiensi
- Peningkatan reaktivitas
- Peningkatan tingkat konversi
- hasil yang lebih tinggi
- Daur ulang katalis
Intensifikasi Ultrasonik Reaksi Katalitik
Pencampuran dan agitasi ultrasonik meningkatkan kontak antara partikel reaktan dan katalis, menciptakan permukaan yang sangat reaktif dan memulai dan/atau meningkatkan reaksi kimia.
Persiapan katalis ultrasonik dapat menyebabkan perubahan perilaku kristalisasi, dispersi / deaglomerasi dan sifat permukaan. Selanjutnya, karakteristik katalis yang telah dibentuk sebelumnya dapat dipengaruhi dengan menghilangkan lapisan permukaan pasif, dispersi yang lebih baik, meningkatkan perpindahan massa.
Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang efek ultrasonik pada reaksi kimia (sonokimia)!
Contoh
- Pra-perlakuan ultrasonik katalis Ni untuk reaksi hidrogenasi
- Katalis Raney Ni yang disonikasi dengan asam tartarat menghasilkan enansioselektivitas yang sangat tinggi
- Katalis Fischer-Tropsch yang disiapkan ultrasonik
- Katalis bubuk amorf yang diolah secara sonokimia untuk meningkatkan reaktivitas
- Sono-sintesis bubuk logam amorf
Pemulihan Katalis Ultrasonik
Katalis padat dalam reaktor tempat tidur tetap sebagian besar dalam bentuk manik-manik sheris atau tabung silinder. Selama reaksi kimia, permukaan katalis dipasifkan oleh lapisan pengotoran yang menyebabkan hilangnya aktivitas katalitik dan/atau selektivitas dari waktu ke waktu. Skala waktu untuk peluruhan katalis sangat bervariasi. Sementara misalnya kematian katalis dari katalis retak dapat terjadi dalam hitungan detik, katalis besi yang digunakan dalam sintesis amonia dapat bertahan selama 5-10 tahun. Namun, penonaktifan katalis dapat diamati untuk semua katalis. Sementara berbagai mekanisme (misalnya kimia, mekanik, termal) penonaktifan katalis dapat diamati, pengotoran adalah salah satu jenis peluruhan katalis yang paling sering. Pengotoran mengacu pada pengendapan fisik spesies dari fase fluida ke permukaan dan di pori-pori katalis yang menghalangi dengan demikian situs reaktif. Pengotoran katalis dengan kokas dan karbon adalah proses yang terjadi dengan cepat dan dapat dibalikkan dengan regenerasi (misalnya perawatan ultrasonik).
Kavitasi ultrasonik adalah metode yang berhasil untuk menghilangkan lapisan pengotoran pasif dari permukaan katalis. Pemulihan katalis ultrasonik biasanya dilakukan dengan sonikasi partikel dalam cairan (misalnya air deionisasi) untuk menghilangkan residu pengotoran (misalnya serat platinum / silika pt / SF, katalis nikel).
Ultrasonik Sistem
Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai prosesor ultrasonik dan variasi untuk integrasi ultrasound daya ke dalam reaktor tempat tidur tetap. Berbagai sistem ultrasonik tersedia untuk dipasang ke dalam reaktor tempat tidur tetap. Untuk jenis reaktor yang lebih kompleks, kami menawarkan Ultrasonik yang disesuaikan Solusi.
Untuk menguji reaksi kimia Anda di bawah radiasi ultrasonik, Anda dipersilakan untuk mengunjungi laboratorium proses ultrasonik dan pusat teknis kami di Teltow!
Hubungi kami hari ini! Kami senang mendiskusikan intensifikasi ultrasonik proses kimia Anda dengan Anda!
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
Sistem aliran ultrasonik
- Hidrogenasi
- Alsilasi
- Sianasi
- eterifikasi
- esterifikasi
- Polimerisasi
- Alilasi
- Brominasi
(misalnya katalis Ziegler-Natta, metalosen)
Literatur / Referensi
- Argyle, MD; Bartholomew, CH (2015): Penonaktifan dan Regenerasi Katalis Heterogen: Sebuah Tinjauan. Katalis 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Pemulihan Nikel dari Katalis Ni / Al2O3 bekas menggunakan Pencucian Asam, Khelasi dan Ultrasonikasi. Jurnal Penelitian Ilmu Pengetahuan Terkini Vol. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, KR; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, MS; Uppalaiah, K. (2012): Nitrasi regioselektif yang dibantu secara ultrasonik dari senyawa aromatik dengan adanya garam logam golongan V dan VI tertentu. Kimia Hijau dan Berkelanjutan, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonocatalysis” Dalam: Buku Pegangan Katalisis Heterogen, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Fakta-fakta yang Patut Diketahui
Kavitasi Ultrasonik dan Sonokimia
Menghubungkan daya ultrasound ke dalam cairan bubur menghasilkan kavitasi akustik. Kavitasi akustik mengacu pada fenomena pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan implosif yang cepat dari rongga berisi uap. Ini menghasilkan "hot spot" berumur sangat pendek dengan puncak suhu ekstrem hingga 5000K, tingkat pemanasan / pendinginan yang sangat tinggi di atas 109KS-1, dan tekanan 1000atm dengan diferensial masing-masing – semuanya dalam masa hidup nanodetik.
Bidang penelitian Sonochemistry menyelidiki efek ultrasound dalam membentuk kavitasi akustik dalam cairan, yang memulai dan/atau meningkatkan aktivitas kimia dalam larutan.
Reaksi Katalitik Heterogen
Dalam kimia, katalisis heterogen mengacu pada jenis reaksi katalitik di mana fase katalis dan reaktan berbeda satu sama lain. Dalam konteks kimia heterogen, fase tidak hanya digunakan untuk membedakan antara padat, cair, dan gas, tetapi juga mengacu pada cairan yang tidak dapat bercampur, misalnya minyak dan air.
Selama reaksi heterogen, satu atau lebih reaktan mengalami perubahan kimia pada antarmuka, misalnya pada permukaan katalis padat.
Laju reaksi tergantung pada konsentrasi reaktan, ukuran partikel, suhu, katalis, dan faktor lebih lanjut.
Konsentrasi reaktan: Secara umum, peningkatan konsentrasi reaktan meningkatkan laju reaksi karena antarmuka yang lebih besar dan dengan demikian transfer fase yang lebih besar antara partikel reaktan.
Ukuran partikel: Ketika salah satu reaktan adalah partikel padat, maka tidak dapat ditampilkan dalam persamaan laju, karena persamaan laju hanya menunjukkan konsentrasi dan padatan tidak dapat memiliki konsentrasi karena berada dalam fase yang berbeda. Namun, ukuran partikel padatan mempengaruhi laju reaksi karena luas permukaan yang tersedia untuk transfer fase.
Suhu reaksi: Suhu terkait dengan konstanta laju melalui persamaan Arrhenius: k = Ae-Ea/RT
Di mana Ea adalah energi aktivasi, R adalah konstanta gas universal dan T adalah suhu absolut dalam Kelvin. A adalah faktor Arrhenius (frekuensi). e-Ea/RT memberikan jumlah partikel di bawah kurva yang memiliki energi lebih besar dari energi aktivasi, Ea.
Katalisator: Dalam kebanyakan kasus, reaksi terjadi lebih cepat dengan katalis karena membutuhkan lebih sedikit energi aktivasi. Katalis heterogen menyediakan permukaan cetakan di mana reaksi terjadi, sedangkan katalis homogen membentuk produk perantara yang melepaskan katalis selama langkah mekanisme selanjutnya.
Faktor lain: Faktor lain seperti cahaya dapat mempengaruhi reaksi tertentu (fotokimia).
Substitusi Nukleofilik
Substitusi nukleofilik adalah kelas reaksi dasar dalam kimia organik (dan anorganik), di mana nukleofil terikat secara selektif dalam bentuk basa Lewis (sebagai donator pasangan elektron) dengan kompleks organik dengan atau menyerang muatan positif atau sebagian positif (+ve) dari atom atau sekelompok atom untuk menggantikan gugus yang tersisa. Atom positif atau sebagian positif, yang merupakan akseptor pasangan elektron, disebut elektrofil. Seluruh entitas molekul elektrofil dan gugus meninggalkan biasanya disebut substrat.
Substitusi nukleofilik dapat diamati sebagai dua jalur yang berbeda – Sn1 dan Sn2 reaksi. Bentuk mekanisme reaksi yang mana – Sn1 atau Sn2 – terjadi, tergantung pada struktur senyawa kimia, jenis nukleofil dan pelarut.
Jenis Penonaktifan Katalis
- Keracunan katalis adalah istilah untuk chemisorption yang kuat dari spesies di situs katalitik yang memblokir situs untuk reaksi katalitik. Keracunan bisa reversibel atau ireversibel.
- Pengotoran mengacu pada degradasi mekanis katalis, di mana spesies dari fase fluida mengendap ke permukaan katalitik dan di pori-pori katalis.
- Degradasi termal dan sintering mengakibatkan hilangnya luas permukaan katalitik, area pendukung, dan reaksi pendukung fase aktif.
- Pembentukan uap berarti bentuk degradasi kimia, di mana fase gas bereaksi dengan fase katalis untuk menghasilkan senyawa yang mudah menguap.
- Reaksi uap-padat dan padat-padat menghasilkan penonaktifan kimia katalis. Uap, pendukung, atau promotor bereaksi dengan katalis sehingga menghasilkan fase tidak aktif.
- Gesekan atau penghancuran partikel katalis mengakibatkan hilangnya bahan katalitik karena abrasi mekanis. Luas permukaan internal katalis hilang karena penghancuran partikel katalis yang diinduksi secara mekanis.