Ultrasonically Intensified Fixed Bed Reactor(초음파 강화 고정층 반응기)
- 초음파 혼합 및 분산은 고정층 반응기에서 촉매 반응을 활성화하고 강화합니다.
- 초음파 처리는 질량 전달을 개선하고 효율성, 전환율 및 수율을 증가시킵니다.
- 추가적인 이점은 초음파 캐비테이션에 의해 촉매 입자에서 부동태화 오염 층을 제거하는 것입니다.
고정층 촉매
고정 베드(때로는 포장 베드라고도 함)에는 일반적으로 촉매 펠릿이 적재되어 있으며, 이는 일반적으로 직경이 1-5mm인 과립입니다. 그들은 단일 베드, 별도의 쉘 또는 튜브 형태로 반응기에 적재 할 수 있습니다. 촉매는 주로 니켈, 구리, 오스뮴, 백금 및 로듐과 같은 금속을 기반으로 합니다.
이종 화학 반응에 대한 전력 초음파의 영향은 잘 알려져 있으며 산업 촉매 공정에 널리 사용됩니다. 고정층 반응기에서의 촉매 반응도 초음파 처리의 이점을 얻을 수 있습니다. 고정층 촉매의 초음파 조사는 반응성이 높은 표면을 생성하고, 액상(반응물)과 촉매 사이의 질량 수송을 증가시키며, 표면에서 부동태화 코팅(예: 산화물 층)을 제거합니다. 과민한 물자의 초음파 파편화는 표면적을 증가시키고 그로 인하여 증가된 활동에 공헌한다.
장점
- 효율성 향상
- 반응성 증가
- 전환율 증가
- 더 높은 수율
- 촉매의 재활용
촉매 반응의 초음파 강화
초음파 혼합 및 교반은 반응물과 촉매 입자 사이의 접촉을 개선하고 반응성이 높은 표면을 생성하며 화학 반응을 시작 및/또는 향상시킵니다.
초음파 촉매 제조는 결정화 거동, 분산/응집 해제 및 표면 특성의 변화를 일으킬 수 있습니다. 또한, 미리 형성된 촉매의 특성은 부동태화 표면층을 제거하고, 분산을 개선하고, 물질 전달을 증가시킴으로써 영향을 받을 수 있습니다.
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예제
- 수소화 반응을 위한 Ni 촉매의 초음파 전처리
- 주석산이 있는 초음파 처리된 Raney Ni 촉매는 매우 높은 거울상 선택성을 제공합니다.
- 초음파 준비 된 Fischer-Tropsch 촉매
- 반응성 증가를 위해 Sonochemically 처리된 비정질 분말 촉매
- 비정질 금속 분말의 Sono 합성
초음파 촉매 회수
고정층 반응기의 고체 촉매는 대부분 구형 비드 또는 원통형 튜브 형태입니다. 화학 반응 중에 촉매 표면은 오염층에 의해 부동태화되어 시간이 지남에 따라 촉매 활성 및/또는 선택성이 손실됩니다. 촉매 붕괴의 시간 척도는 상당히 다양합니다. 예를 들어 분해 촉매의 촉매 사망은 몇 초 내에 발생할 수 있지만 암모니아 합성에 사용되는 철 촉매는 5-10년 동안 지속될 수 있습니다. 그러나, 촉매 비활성화는 모든 촉매에 대해 관찰될 수 있다. 촉매 비활성화의 다양한 메커니즘(예: 화학적, 기계적, 열적)을 관찰할 수 있지만 오염은 가장 빈번한 촉매 붕괴 유형 중 하나입니다. 파울링(fouling)은 유체 상태에서 촉매의 표면과 기공에 종을 물리적으로 증착하여 반응성 부위를 차단하는 것을 말합니다. 코크스와 탄소를 사용한 촉매 오염은 빠르게 발생하는 과정이며 재생(예: 초음파 처리)을 통해 되돌릴 수 있습니다.
초음파 캐비테이션은 촉매 표면에서 부동태화 오염층을 제거하는 성공적인 방법입니다. 초음파 촉매 회수는 일반적으로 액체 (예 : 탈 이온수)의 입자를 초음파 처리하여 오염 잔류 물 (예 : 백금 / 실리카 섬유 pt / SF, 니켈 촉매)을 제거함으로써 수행됩니다.
초음파 시스템
Hielscher 초음파는 전력 초음파를 고정층 반응기에 통합하기위한 다양한 초음파 프로세서와 변형을 제공합니다. 다양한 초음파 시스템을 고정층 반응기에 설치할 수 있습니다. 더 복잡한 반응기 유형의 경우 다음을 제공합니다. 맞춤형 초음파 솔루션.
초음파 방사선 하에서 화학 반응을 테스트하려면 Teltow에 있는 초음파 공정 연구소 및 기술 센터를 방문하실 수 있습니다!
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아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
초음파 흐름 시스템
- 수소 첨가
- 알실화(Alcylation)
- 시안화
- 에테르화
- 에스테르화
- 중합
- 앨릴화(Allylation)
- 브롬화
(예: Ziegler-Natta 촉매, 메탈로센)
문헌/참고문헌
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알아 둘 만한 가치가 있는 사실
초음파 캐비테이션 및 Sonochemistry
결합력 초음파를 액체로 슬러리 결과 음향 캐비테이션. 음향 캐비테이션(acoustic cavitation)은 증기로 채워진 공극의 급격한 형성, 성장 및 내파적 붕괴 현상을 말합니다. 이것은 최대 5000K의 극한 온도 피크, 10 이상의 매우 높은 가열/냉각 속도를 가진 매우 짧은 수명의 "핫 스폿"을 생성합니다9Ks 님-1및 각각의 차동을 가진 1000atm의 압력 – 이 모든 것이 나노초 수명 내에 있습니다.
의 연구 분야 초음파 화학 액체에서 음향 캐비테이션을 형성하는 초음파의 효과를 조사하여 용액에서 화학 활성을 시작 및/또는 향상시킵니다.
이종 촉매 반응
화학에서 이종 촉매 작용은 촉매와 반응물의 상이 서로 다른 촉매 반응 유형을 나타냅니다. 이종 화학의 맥락에서 위상은 고체, 액체 및 기체를 구별하는 데 사용될 뿐만 아니라 기름과 물과 같은 혼합되지 않는 액체를 의미하기도 합니다.
이종 반응 중에는 하나 이상의 반응물이 계면(예: 고체 촉매의 표면)에서 화학적 변화를 겪습니다.
반응 속도는 반응물의 농도, 입자 크기, 온도, 촉매 및 기타 요인에 따라 달라집니다.
반응물 농도: 일반적으로 반응물의 농도가 증가하면 계면이 커지기 때문에 반응 속도가 증가하고 이에 따라 반응물 입자 간의 상 전달이 커집니다.
입자 크기: 반응물 중 하나가 고체 입자인 경우 속도 방정식은 농도만 표시하고 고체는 다른 상에 있기 때문에 농도를 가질 수 없기 때문에 속도 방정식에 표시할 수 없습니다. 그러나 고체의 입자 크기는 상 전달에 사용할 수 있는 표면적으로 인해 반응 속도에 영향을 미칩니다.
반응 온도: 온도는 Arrhenius 방정식을 통해 속도 상수와 관련이 있습니다 : k = Ae-EA/RT
여기서 Ea는 활성화 에너지, R은 보편적 기체 상수, T는 켈빈의 절대 온도입니다. A는 Arrhenius(주파수) 인자입니다. e-EA/RT 는 활성화 에너지 Ea보다 큰 에너지를 가진 곡선 아래의 입자 수를 제공합니다.
촉매: 대부분의 경우 촉매를 사용하면 활성화 에너지가 덜 필요하기 때문에 반응이 더 빠르게 발생합니다. 이종 촉매는 반응이 발생하는 템플릿 표면을 제공하는 반면, 균질 촉매는 메커니즘의 후속 단계에서 촉매를 방출하는 중간 생성물을 형성합니다.
다른 요인들: 빛과 같은 다른 요인은 특정 반응(광화학)에 영향을 줄 수 있습니다.
친핵성 치환
친핵성 치환은 유기 (및 무기) 화학에서 기본적인 반응 종류로, 친핵체가 루이스 염기 (전자 쌍 공여체)의 형태로 유기 복합체와 선택적으로 결합하거나 원자 또는 원자 그룹의 양수 또는 부분적으로 양전하 (+ ve) 전하를 공격하여 떠나는 그룹을 대체합니다. 전자쌍 수용체인 양수 또는 부분적으로 양수 원자를 친전자성(electrophile)이라고 합니다. electrophile 및 떠나는 그룹의 전체 분자 실체는 일반적으로 기질이라고 불립니다.
친핵성 치환은 두 가지 다른 경로로 관찰할 수 있습니다 – 더 에스N1 및 SN2 반응. 어떤 형태의 반응 메커니즘 – sN1 또는 SN2 – 일어나고, 화합물의 구조, 친핵체의 유형 및 용매에 따라 다릅니다.
Catalyst 비활성화의 종류
- 촉매 중독은 촉매 반응 부위를 차단하는 촉매 부위에서 종의 강력한 화학 흡착을 나타내는 용어입니다. 중독은 되돌릴 수도 있고 되돌릴 수도 있습니다.
- 파울링(fouling)은 촉매의 기계적 분해를 말하며, 유체 상의 종이 촉매 표면과 촉매 공극에 침착됩니다.
- 열 분해 및 소결은 촉매 표면적, 지지 면적 및 활성 위상 지지 반응의 손실을 초래합니다.
- 증기 형성은 기체 상이 촉매 상과 반응하여 휘발성 화합물을 생성하는 화학적 분해 형태를 의미합니다.
- 증기-고체 및 고체-고체 반응은 촉매의 화학적 비활성화를 초래합니다. 증기, 지지체 또는 프로모터는 촉매와 반응하여 비활성상이 생성됩니다.
- 촉매 입자의 마모 또는 파쇄는 기계적 마모로 인해 촉매 물질의 손실을 초래합니다. 촉매의 내부 표면적은 촉매 입자의 기계적 유도 분쇄로 인해 손실됩니다.