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超音波増感固定床リアクター

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.

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

ソニケーター 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.
  • 熱伝達の強化: 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.

固定床触媒

固定床(充填床と呼ばれることもある)には、通常、直径1~5mmの顆粒状の触媒ペレットが装填される。触媒ペレットは、シングルベッド、セパレートシェル、チューブの形でリアクターに充填される。触媒は主に、ニッケル、銅、オスミウム、白金、ロジウムなどの金属をベースにしている。
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.

超音波ホモジナイザーUIP1500hdTは、超音波処理中のプロセス温度を制御するための冷却ジャケットを備えたフローセルを備えています。

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

Advantages of Ultrasonically Intensified Catalytic Reactions

  • 効率の向上
  • 反応性の向上
  • コンバージョン率の向上
  • 高い利回り
  • 触媒のリサイクル

超音波による触媒反応の促進

超音波による混合と撹拌は、反応物と触媒粒子の接触を改善し、反応性の高い表面を作り、化学反応を開始および/または促進する。
超音波による触媒調製は、結晶化挙動、分散/脱凝集、表面特性の変化を引き起こす可能性がある。さらに、不動態化表面層の除去、分散性の向上、物質移動の増加などにより、予備成形触媒の特性に影響を与えることができる。

Examples of Ultrasonically-Improved Reactions

  • 水素化反応用Ni触媒の超音波前処理
  • 酒石酸でソニック処理したRaney Ni触媒は、非常に高いエナンチオ選択性を示す。
  • Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
  • 反応性を高めるソノケミカル処理アモルファス粉末触媒
  • アモルファス金属粉末のソノ合成

超音波触媒回収

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

パワー超音波は触媒と触媒反応に応用されています。(クリックで拡大!)Hielscher Ultrasonics社は、固定床反応器にパワー超音波を組み込むための様々な超音波プロセッサーとバリエーションを提供しています。固定床反応器に設置するための様々な超音波システムが利用可能です。より複雑なリアクタータイプには カスタマイズ超音波 ソリューションを提供する。
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!
今すぐご連絡ください!お客様の化学プロセスの超音波増強について、喜んでご相談させていただきます!
下の表は、Hielscher社製ソニケーターの処理能力の目安です:

バッチ量 流量 推奨デバイス
10〜2000mL 20~400mL/分 UP200Ht, UP400ST
0.1~20L 0.2~4L/分 UIP2000hdT
10~100L 2~10L/分 UIP4000
n.a. 10~100L/分 uip16000
n.a. より大きい クラスタ uip16000
7kWパワー超音波プロセッサーによるインライン処理(クリックで拡大)

超音波フローシステム

超音波による反応

  • 水素化
  • アルシレーション
  • シアン化
  • エーテル化
  • エステル化
  • 重合
  • (例:Ziegler-Natta触媒、メタロセン)

  • アリル化
  • ブロミネーション

詳細はお問い合わせください。

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文献・参考文献



知っておくべき事実

超音波キャビテーションとは?

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.

ソノケミストリーとは何か?

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?

化学の分野では、不均一触媒反応とは、触媒と反応物の相が互いに異なるタイプの触媒反応を指す。不均一系化学の文脈では、相は固体、液体、気体を区別するために使われるだけでなく、例えば油と水のような混じり合わない液体も指す。
不均一系反応では、1つ以上の反応物が界面、例えば固体触媒の表面で化学変化を起こす。
反応速度は、反応物の濃度、粒子径、温度、触媒およびその他の要因に依存する。
反応剤濃度: 一般に、反応物の濃度が高くなると、界面が大きくなり、反応物粒子間の相間移動が大きくなるため、反応速度が増大する。
粒子径: 反応物の一つが固体粒子である場合、反応速度式は濃度のみを示し、固体は異なる相にあるため濃度を持つことができないため、反応速度式に表示することはできない。しかし、固体の粒子径は、相間移動に利用可能な表面積により反応速度に影響を与える。
反応温度: 温度はアレニウスの式によって速度定数に関係する: k = Ae-Ea/RT
Eaは活性化エネルギー、Rは普遍気体定数、Tは絶対温度(ケルビン)。Aはアレニウス(周波数)因子である。-Ea/RT は、活性化エネルギーEa より大きいエネルギーを持つ曲線の下の粒子の数を与える。
触媒: ほとんどの場合、触媒を用いると活性化エネルギーが少なくて済むため、反応がより速く起こる。不均一系触媒は、反応が起こる鋳型となる表面を提供し、一方、均一系触媒は中間生成物を形成し、メカニズムの次の段階で触媒を放出する。
その他の要因 光のような他の要因は、特定の反応(光化学)に影響を与えることができる。

What are the Types of Catalyst Deactivation?

  • 触媒毒とは、触媒サイトに化学種が強く吸着し、触媒反応を阻害することを指す。被毒には可逆的なものと不可逆的なものがある。
  • ファウリングとは、触媒の機械的劣化のことで、触媒表面や触媒細孔に液相からの化学種が堆積する。
  • 熱劣化とシンタリングは、触媒表面積、担体面積、活性相-担体反応の損失をもたらす。
  • 蒸気形成とは、気相が触媒相と反応して揮発性化合物を生成する化学分解形態を意味する。
  • 気相-固相反応および固相-固相反応は、触媒の化学的不活性化をもたらす。蒸気、担体、または促進剤が触媒と反応し、不活性相が生成される。
  • 触媒粒子の磨耗または破砕は、機械的磨耗による触媒材料の損失をもたらす。触媒粒子の機械的な破砕により、触媒の内部表面積が失われる。

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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.
求核置換は2つの異なる経路で起こる。 – SN1とSN2 反応である。どの形式の反応機構か – sN1 または SN2 – が起こるかどうかは、化合物の構造、求核剤の種類、溶媒に依存する。

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