Duerch Ultraschall intensivéiert Festbettreakteren
D’Ultraschallbehandlung kann katalytesch Reaktiounen a Festbettreakteren haaptsächlech verbesseren, andeems si de Stofftransport ronderëm an am gepaakte Katalysatorbett intensivéiert. Zousätzlech entfernt d’Ultraschallbehandlung Passivéierungs- a Belagschichte vun der Katalysatoruewerfläch a regeneréiert domat de Katalysator kontinuéierlech.
Wéi d’Ultraschallbehandlung d’Festbettkatalys verbessert
An engem Festbettreakter bleiwen d’Katalysatorpartikelen op hirer Plaz, wärend flësseg, gasfërmeg oder méiphaseg Reaktanten duerch d’Bett stréimen. D’Reaktiounsleeschtung gëtt dacks duerch externe Stofftransport, Porendiffusioun, Kanalbildung, Belagbildung an Hëtzttransfertgradienten begrenzt. Ultraschall kann e puer vun dëse Begrenzunge reduzéieren, andeems en akustesch Kavitatioun, Mikrostréimungen, Schéierkräften an Drockschwéngungen erzeugt.
Ultraschallapparat UIP2000hdT an e Festbettreakter integréiert
Wichteg Effekter vu Festbettreaktiounen, déi duerch Ultraschall intensivéiert ginn
- Verbesserte externe Stofftransport: Ultraschallbedéngt Mikrostréimunge reduzéieren déi stagnéierend Grenzschicht ronderëm d’Katalysatorpartikelen, soudatt d’Reaktanten déi aktiv Zentre méi effizient erreeche kënnen.
- Verbesserten Zougang zu de Poren: Drockschwankungen a Flëssegkeetsbeweegungen, déi duerch Kavitatioun ausgeléist ginn, kënnen d’Andrénge vu Reaktanten an d’Katalysatorporen an d’Oféiere vu Produkter aus de Pore verbesseren.
- Reduktioun vu Belagbildung a Passivéierung: D’Ultraschallbehandlung kann hëllefen, Oflagerungen, Polymerfilmer, Virleefer vu Koks oder aner passéierend Schichte vun de Katalysatoruewerflächen ze entfernen, soudatt d’katalytesch Aktivitéit méi laang erhale bleift.
- Reduzéiert Kanalbildung a gepaakte Better: A Studie mat mikrogepaakte Better gouf gewisen, datt Ultraschall d’Stréimungsverhalen ännert an d’Dispersioun reduzéiert, wat dozou bäidréit, datt de Reakter sech engem méi ideale Kolwestréimungsverhalen unähert.
- Verbesserten Hëtzttransfert: Akustesch Stréimungen an Turbulenze verbesseren déi lokal Hëtztofleedung a reduzéieren domat waarm Punkten oder kal Zonen am Katalysatorbett.
- Méi héijen Ëmsaz a méi héich Ausbezuelung: Andeems d’Ultraschallbehandlung de Stofftransport an den Zougang zum Katalysator verbessert, kann si d’Reaktiounsvitesse, den Ëmsaz an d’Produktausbezuelung erhéijen, besonnesch wann d’Reaktioun duerch den Transport an net reng kinetesch limitéiert ass.
Verbesserte Kontakt tëscht Flëssegkeet a Feststoff: Ultraschall fërdert eng besser Benetzung vun de Katalysatorpartikelen, wat besonnesch a Rieselbettreakteren, a Festbettsystemer, déi mat Suspensioune gespeist ginn, oder a Festbettsystemer mat flësseger Phas nëtzlech ass.
Wéi verbessert d’Ultraschallbehandlung d’Festbettkatalys?
Den Haaptmechanismus ass d’akustesch Kavitatioun: Ultraschallwellen erzeugen mikroskopesch Blosen, déi wuessen a gewaltsam zesummefalen. Hiert Zesummefalen erzeugt lokal Schéierwierkungen, Mikrostralen, Stousswellen an eng intensiv Vermëschung. Bei Katalysatoruewerfläche kënnen dës Effekter d’Grenzfläch tëscht Feststoff a Flëssegkeet botzen, aktivéieren an erneieren. Iwwersiichtsaarbechten iwwer d’Sonokatalys beschreiwen dëst als eng Synergie tëscht Ultraschall a feste Katalysatoren, déi e verbesserten Hëtzttransfert, e verbesserte Stofftransport a lokal Effekter op katalyteschen Uewerflächen ëmfaasst.
D’Ultraschallbehandlung bréngt déi gréisste Virdeeler, wann d’Festbettreaktioun duerch follgend Problemer beeinträchtegt gëtt:
- lues Diffusioun an d’Katalysatorporen,
- schlecht Benetzung vun de Katalysatorpartikelen,
- Usammlung vu Produkter an de Poren,
- Belagbildung oder Passivéierung vun der Uewerfläch,
- duerch de Stofftransport limitéiert Kinetik,
- ongläich Verdeelung vun der Méiphasestréimung,
- Kanalbildung duerch dat gepaakt Bett.
Festbettkatalysatoren
Festbetter (heiansdo och gepaakt Better genannt) ginn normalerweis mat Katalysatorpellets gefëllt, déi meeschtens Granulate mat Duerchmiessere vun 1–5mm sinn. Si kënnen als eenzelt Bett, als separat Schuelen oder a Réier an de Reakter agefëllt ginn. D’Katalysatore baséieren haaptsächlech op Metaller wéi Néckel, Koffer, Osmium, Platin a Rhodium.
D’Effekter vu Leeschtungsultraschall op heterogen cheemesch Reaktioune si gutt bekannt a gi breet fir industriell katalytesch Prozesser genotzt. Och katalytesch Reaktiounen an engem Festbettreakter profitéiere vun der Ultraschallbehandlung. D’Bestralung vum Festbettkatalysator mat Ultraschall erzeugt héichreaktiv Uewerflächen, erhéicht de Stofftransport tëscht der flësseger Phas (Reaktanten) an dem Katalysator an entfernt passéierend Beschichtungen (z. B. Oxidschichten) vun der Uewerfläch.
Ultraschallapparat UIP1500hdT mat Duerchflosszell fir d’Reaktivéierung an d’Recycling vu verbrauchte Katalysatoren
- Verbessert Effizienz
- Erhéicht Reaktivitéit
- Erhéicht Ëmsazquot
- Méi héich Ausbezuelung
- Recycling vum Katalysator
Verstäerkung vu katalytesche Reaktiounen duerch Ultraschall
D’Mëschen an d’Réiere mat Ultraschall verbesseren de Kontakt tëscht de Reaktanten an de Katalysatorpartikelen, schafen héichreaktiv Uewerflächen a leeden déi cheemesch Reaktioun an an/oder verstäerken se.
D’Virbereedung vu Katalysatore mat Ultraschall kann Ännerungen am Kristalliséierungsverhalen, an der Dispersioun / Deagglomeratioun an an den Uewerflächeneegenschafte verursaachen. Ausserdeem kënnen d’Eegenschafte vu scho geformte Katalysatoren duerch d’Ewechhuele vu passivéierenden Uewerflächeschichten, eng besser Dispersioun an eng Erhéijung vum Stofftransport beaflosst ginn.
Beispiller vu Reaktiounen, déi duerch Ultraschall verbessert ginn
- Virbehandlung vum Ni-Katalysator mat Ultraschall fir Hydrierungsreaktiounen
- E mat Ultraschall a Wäinsaier behandelte Raney Ni-Katalysator féiert zu enger ganz héijer Enantioselektivitéit
- Mat Ultraschall synthetiséiert Fischer-Tropsch-Katalysatoren
- Sonocheemesch behandelt amorph Polverkatalysatore fir eng erhéicht Reaktivitéit
- Sonosynthes vun amorphe Metallpolveren
Réckgewënnung vu Katalysatore mat Ultraschall
Fest Katalysatoren a Festbettreaktore ginn normalerweis a Form vu kugelfërmege Pärelen, Pellets, Extrudater oder zylindresche Partikele benotzt. Wärend cheemesche Reaktioune kann d’Katalysatoruewerfläch duerch eng Oflagerungsschicht passivéiert ginn, wat mat der Zäit zu engem graduelle Verloscht u katalytescher Aktivitéit an/oder Selektivitéit féiert.
D’Zäitspan vun der Katalysatordesaktivéierung variéiert däitlech. Zum Beispill kann d’Desaktivéierung vun engem Crackkatalysator bannent Sekonnen optrieden, wärend en Eisekatalysator, deen an der Ammoniaksynthes agesat gëtt, 5–10 Joer aktiv bleiwe kann. Trotzdeem gëtt d’Desaktivéierung vu Katalysatore bei bal alle katalytesche Prozesser observéiert. Och wa verschidden Desaktivéierungsmechanismen optriede kënnen – dorënner cheemeschen, mechaneschen an thermeschen Ofbau – gehéiert d’Bildung vun Oflagerungen zu den heefegsten Ursaache fir d’Verschlechterung vu Katalysatoren.
D’Bildung vun Oflagerunge bezeechent d’physikalesch Oflagerung vu cheemesche Spezies aus der fluider Phas op der Katalysatoruewerfläch an a senge Poren. Dës Oflagerunge blockéiere reaktiv Plazen, schränken d’Zougänglechkeet vun de Poren a reduzéieren de Kontakt tëscht de Reaktanten an der aktiver Katalysatoruewerfläch. D’Bildung vu Koks oder kuelestoffhaltegen Oflagerungen um Katalysator ass dacks e séiere Prozess; a ville Fäll kann dëse Prozess awer duerch Ultraschallregeneratioun deelweis oder ganz réckgängeg gemaach ginn.
Ultraschallkavitatioun ass eng effektiv Method fir passivéierend Oflagerungsschichte vu Katalysatoruewerflächen ewechzehuelen. Bei der Ultraschallbehandlung erzeugt héichintensiven Ultraschall Kavitatiounsblosen an engem flëssege Medium. Hire Kollaps erzeugt lokal Schéierkräften, Mikrostralen, Stousswellen an eng intensiv Mikromëschung. Dës Effekter hëllefen, Oflagerungsreschter vun der Katalysatoruewerfläch ze léisen, blockéiert Poren nees opzemaachen an den Zougang zu aktive Plazen nees hierzestellen.
D’Réckgewënnung vu Katalysatore mat Ultraschall gëtt typescherweis duerchgefouert, andeems d’Katalysatorpartikelen an enger Flëssegkeet, wéi deioniséiertem Waasser oder engem gëeegente Léisungsmëttel, dispergéiert ginn an d’Suspensioun enger kontrolléierter Ultraschallbehandlung ausgesat gëtt. Dëse Prozess kann Oflagerungsreschter vu verschiddene Katalysatormaterialien ewechhuelen, dorënner Platin-/Siliziumdioxidfaserkatalysatoren, Néckelkatalysatoren an aner Metallkatalysatoren op engem Dréier. Doduerch kann d’Ultraschallbehandlung zur Regeneratioun vum Katalysator, zu enger verlängerter Liewensdauer vum Katalysator an zu enger verbesserter Nohaltegkeet vum Prozess bäidroen.
Klickt hei, fir méi iwwer d’Ultraschallregeneratioun vu verbrauchte Katalysatore gewuer ze ginn!
Ultraschallapparater fir d’Integratioun a cheemesch Reaktoren
Hielscher Ultrasonics bitt verschidden Ultraschallprozessoren a Varianten fir d’Integratioun vu Leeschtungsultraschall a Festbettreaktoren un. Verschidden Ultraschallsystemer stinn zur Verfügung, fir a Festbettreaktoren agebaut ze ginn. Fir méi komplex Reaktortyppe bidde mir moossgeschneidert Léisunge mat Ultraschall un.
Léiert, wéi d’Ultraschallbehandlung cheemesch Reaktiounen a verschiddene Reaktorkonstruktioune verbessert!
Fir d’Auswierkunge vun der Ultraschallbehandlung op Är cheemesch Reaktioun ze testen, sidd Dir häerzlech agelueden, eisen Ultraschallprozesslabo an eisen techneschen Zentrum zu Teltow ze besichen!
Kontaktéiert eis nach haut! Mir diskutéiere gär mat Iech iwwer d’Verstäerkung vun Ärem cheemesche Prozess duerch Ultraschall!
Déi folgend Tabell gëtt Iech en Iwwerbléck iwwer déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun den Ultraschallapparater vun Hielscher:
Ultraschall-Duerchflosssystem
- Hydrogenéierung
- Alkyléierung
- Cyanéierung
- Etherifikatioun
- Esterifikatioun
- Polymerisatioun
- Allyléierung
- Broméierung
(z. B. Ziegler-Natta-Katalysatoren, Metallocenen)
Literatur / Referenzen
- 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.
Wëssenswäert Fakten
Wat ass Ultraschallkavitatioun?
Ultraschallkavitatioun ass d’Bildung, de Wuesstem an de gewaltsamen Zesummebroch vu mikroskopeschen Damp- oder Gasblosen an enger Flëssegkeet, déi Ultraschall mat héijer Intensitéit ausgesat ass. Beim Zesummebroch vun de Blose kënnen extrem lokal Bedéngunge fir ganz kuerz Zäit optrieden, dorënner héich Temperaturen, héijen Drock, Stousswellen, Mikrostralen an intensiv Schéierkräften.
Wat ass Sonochemie?
Sonochemie ass d’Notzung vun dësen Effekter vun der Ultraschallkavitatioun, fir cheemesch a physikocheemesch Prozesser auszeléisen, ze beschleunegen oder ze veränneren. Si ass besonnesch relevant a Systemer mat flësseger Phas, well d’Kavitatioun d’Vermëschung, de Massentransfert, d’Emulgéierung, d’Partikeldispersioun, d’Botze vun der Katalysatoruewerfläch an, a verschiddene Fäll, d’Bildung vu Radikale verstäerkt. Dofir gëtt Sonochemie agesat, fir Reaktioune wéi heterogen Katalys, Oxidatioun, Extraktioun, Polymerisatioun, Kristallisatioun an d’Synthees vun Nanomaterialien ze verstäerken.
Wat ass eng heterogen katalytesch Reaktioun?
An der Chimie bezeechent heterogen Katalys déi Zort vu katalytescher Reaktioun, bei där d’Phase vum Katalysator a vun de Reaktante vuneneen ënnerschiddlech sinn. Am Kontext vun der heterogener Chimie gëtt de Begrëff Phas net nëmme benotzt, fir tëscht fest, flësseg a gasfërmeg z’ënnerscheeden, mee e bezitt sech och op Flëssegkeeten, déi sech net matenee vermëschen, z. B. Ueleg a Waasser.
Wärend enger heterogener Reaktioun maachen een oder méi Reaktanten eng cheemesch Verännerung un enger Grenzfläch duerch, z. B. op der Uewerfläch vun engem feste Katalysator.
D’Reaktiounsvitess hänkt vun der Konzentratioun vun de Reaktanten, der Partikelgréisst, der Temperatur, dem Katalysator a weidere Facteuren of.
Reaktantekonzentratioun: Am Allgemengen erhéicht eng méi héich Konzentratioun vun engem Reaktant d’Reaktiounsvitess duerch déi méi grouss Grenzfläch an den doduerch méi grousse Phasentransfert tëscht de Reaktantepartikelen.
Partikelgréisst: Wann ee vun de Reaktanten e feste Partikel ass, kann en net an der Geschwindegkeetsgläichung duergestallt ginn, well dës Gläichung nëmme Konzentratioune weist a Feststoffer keng Konzentratioun kënnen hunn, well si sech an enger anerer Phas befannen. D’Partikelgréisst vum Feststoff beaflosst awer d’Reaktiounsvitess duerch déi Uewerfläch, déi fir de Phasentransfert zur Verfügung steet.
Reaktiounstemperatur: D’Temperatur ass iwwer d’Arrhenius-Gläichung mat der Geschwindegkeetskonstant verbonnen: k = Ae-Ea/RT
Dobäi ass Ea d’Aktivéierungsenergie, R déi universell Gaskonstant an T déi absolut Temperatur a Kelvin. A ass den Arrhenius-Facteur (Frequenzfacteur). e-Ea/RT gëtt d’Zuel vun de Partikelen ënner der Kéier un, déi eng Energie hunn, déi méi grouss ass wéi d’Aktivéierungsenergie Ea.
Katalysator: An de meeschte Fäll lafe Reaktioune mat engem Katalysator méi séier of, well si manner Aktivéierungsenergie brauchen. Heterogen Katalysatore stellen eng Uewerfläch als Schabloun zur Verfügung, op där d’Reaktioun stattfënnt, wärend homogen Katalysatoren Tëscheprodukter bilden, déi de Katalysator bei engem uschléissende Schrëtt vum Mechanismus fräisetzen.
Aner Facteuren: Aner Facteure wéi Liicht kënne bestëmmte Reaktioune beaflossen (Fotochemie).
Wéi eng Zorte vu Katalysatordesaktivéierung ginn et?
- Katalysatorvergëftung bezeechent déi staark Chemisorptioun vu cheemesche Spezies op katalyteschen Zenteren, déi doduerch fir déi katalytesch Reaktioun blockéiert ginn. D’Vergëftung ka reversibel oder irreversibel sinn.
- Fouling bezeechent eng mechanesch Degradatioun vum Katalysator, bei där sech cheemesch Spezies aus der fluider Phas op der katalytescher Uewerfläch an an de Pore vum Katalysator ofsetzen.
- Thermesch Degradatioun a Sintere féieren zum Verloscht u katalytescher Uewerfläch, un Trägeruewerfläch an u Reaktiounen tëscht der aktiver Phas an dem Träger.
- Dampbildung bezeechent eng Form vu cheemeschem Ofbau, bei där d’Gasphas mat der Katalysatorphas reagéiert, fir liichtflüchteg Verbindungen ze bilden.
- Damp–Feststoff- a Feststoff–Feststoff-Reaktioune féieren zur cheemescher Desaktivéierung vum Katalysator. Damp, Trägermaterial oder Promoteur reagéiert mam Katalysator, soudatt eng inaktiv Phas entsteet.
- D’Ofreiwung oder d’Zerbrieche vun de Katalysatorpartikele féiert duerch mechanesch Abrasioun zum Verloscht vu katalyteschem Material. Déi bannenzeg Uewerfläch vum Katalysator geet duerch dat mechanesch verursaacht Zerbrieche vum Katalysatorpartikel verluer.
Liest méi doriwwer, wéi d’Beschallung verbrauchte Katalysatore reaktivéiere kann!
Wat ass nukleophil Substitutioun?
D’nukleophil Substitutioun ass eng fundamental Klass vu Reaktiounen an der organescher (an anorganescher) Chimie, bei deenen en Nukleophil sech selektiv a Form vun enger Lewis-Bas (als Elektronepuerdonator) un en organesche Komplex bënnt oder déi positiv oder deelweis positiv (+) Ladung vun engem Atom oder enger Atomgrupp ugräift, fir eng Ofgangsgrupp ze ersetzen. Dat positivt oder deelweis positivt Atom, dat den Elektronepuerakzeptor ass, gëtt Elektrophil genannt. Déi ganz molekular Eenheet aus dem Elektrophil an der Ofgangsgrupp gëtt normalerweis Substrat genannt.
D’nukleophil Substitutioun kann iwwer zwee verschidde Reaktiounsweeër observéiert ginn – d’SN1- an d’SN2-Reaktioun. Wéi eng Form vum Reaktiounsmechanismus – d’SN1 oder d’SN2 – ofleeft, hänkt vun der Struktur vun de cheemesche Verbindungen, der Aart vum Nukleophil an dem Léisungsmëttel of.