Ultrasoon versterkt vast bed reactoren

Ultrasone behandeling kan katalytische reacties in reactoren met een vast bed verbeteren, voornamelijk door de massaoverdracht rondom en binnenin het gepakte katalysatorbed te intensiveren. Bovendien verwijdert ultrasone behandeling passiverings- en vervuilingslagen van het katalysatoroppervlak, waardoor de katalysator continu wordt geregenereerd.

Hoe ultrasone behandeling de katalyse in een vast bed verbetert

In een reactor met vast bed blijven de katalysatordeeltjes stil liggen, terwijl vloeibare, gasvormige of meerfasige reactanten door het bed stromen. De reactieprestaties worden vaak beperkt door externe massaoverdracht, diffusie door poriën, kanalisatie, vervuiling en warmteoverdrachtsgradiënten. Ultrasoon geluid kan een aantal van deze beperkingen verminderen door akoestische cavitatie, microstreaming, afschuifkrachten en drukschommelingen te genereren.

Belangrijkste effecten van ultrasoon versterkte reacties in een vast bed

• Verbeterde externe massaoverdracht: Ultrasone microstreaming vermindert de stilstaande grenslaag rond katalysatordeeltjes, waardoor reactanten de actieve plaatsen efficiënter kunnen bereiken.
• Verbeterde toegankelijkheid van de poriën: Door cavitatie veroorzaakte drukschommelingen en vloeistofbewegingen kunnen de penetratie van reactanten in de poriën van de katalysator en de afvoer van producten uit de poriën bevorderen.
• Vermindering van aangroei en passivering: Met behulp van ultrasone behandeling kunnen afzettingen, polymeerfilms, cokesvoorlopers of andere passiverende lagen van katalysatoroppervlakken worden verwijderd, waardoor de katalytische activiteit langer behouden blijft.

Verbeterd contact tussen vloeistof en vaste stof: Ultrasoonbehandeling zorgt voor een betere bevochtiging van katalysatordeeltjes, wat met name nuttig is in druppelbed-, slurry- of vloeistoffase-systemen met een vast bed.

• Verminderde kanaalvorming in gepakte bedden: Uit onderzoek naar microverpakte bedden is gebleken dat ultrasone golven het stromingsgedrag beïnvloeden en de dispersie verminderen, waardoor de reactor dichter bij een idealer plug-flow-gedrag komt.
• Verbeterde warmteoverdracht: Akoestische stroming en turbulentie zorgen voor een betere lokale warmteafvoer, waardoor hotspots of koude zones in het katalysatorbed worden verminderd.
• Hogere conversie en opbrengst: Door de massaoverdracht en de toegankelijkheid van de katalysator te verbeteren, kan ultrasone behandeling de reactiesnelheid, de omzetting en de productopbrengst verhogen, met name wanneer de reactie transportbeperkt is in plaats van puur kinetisch beperkt.

Hoe draagt ultrasone behandeling bij aan de verbetering van katalyse in een vast bed?

Het belangrijkste mechanisme is akoestische cavitatie: ultrasone golven zorgen voor microscopisch kleine belletjes die groeien en vervolgens met grote kracht uiteenspatten. Door het uiteenspatten ontstaan lokale schuifkrachten, microstralen, schokgolven en intensieve vermenging. In de nabijheid van katalysatoroppervlakken kunnen deze effecten het grensvlak tussen vaste stof en vloeistof reinigen, activeren en vernieuwen. In overzichtsartikelen over sonocatalyse wordt dit beschreven als een synergie tussen ultrasone golven en vaste katalysatoren, waarbij sprake is van verbeterde warmteoverdracht, massaoverdracht en plaatselijke effecten op katalytische oppervlakken.

Ultrasone behandeling is het meest effectief wanneer de reactie in een vast bed te kampen heeft met:

• langzame diffusie in de poriën van de katalysator,
• slechte bevochtiging van de katalysatordeeltjes,
• productophoping in de poriën,
• aangroei of passivering van het oppervlak,
• kinetiek die wordt beperkt door massaoverdracht,
• ongelijkmatige verdeling in een meerfasestroming,
• door het gepakte bed.

Katalysatoren met vast bed

Vaste bedden (soms ook wel gepakte bedden genoemd) worden meestal geladen met katalysatorpellets, wat meestal korrels zijn met een diameter van 1-5 mm. Ze kunnen in de reactor worden geladen in de vorm van een enkel bed, als afzonderlijke schalen of in buizen. De katalysatoren zijn meestal gebaseerd op metalen zoals nikkel, koper, osmium, platina en rhodium.
De effecten van krachtige ultrasone trillingen op heterogene chemische reacties zijn algemeen bekend en worden op grote schaal toegepast in industriële katalytische processen. Ook katalytische reacties in een reactor met vast bed profiteren van een ultrasone behandeling. Ultrasone bestraling van de vaste-bedkatalysator zorgt voor zeer reactieve oppervlakken, verhoogt het massatransport tussen de vloeibare fase (reactanten) en de katalysator, en verwijdert passiverende coatings (bijv. oxidelagen) van het oppervlak.

Ultrasone intensivering van katalytische reacties

Ultrasoon mengen en agiteren verbetert het contact tussen de reactant en katalysatordeeltjes, creëert zeer reactieve oppervlakken en initieert en/of versterkt de chemische reactie.
Ultrasone katalysatorvoorbereiding kan veranderingen veroorzaken in kristallisatiegedrag, dispersie / deagglomeratie en oppervlakte-eigenschappen. Bovendien kunnen de eigenschappen van voorgevormde katalysatoren worden beïnvloed door passiverende oppervlaktelagen te verwijderen, de dispersie te verbeteren en de massaoverdracht te verhogen.

Voorbeelden van reacties die door ultrasone behandeling zijn verbeterd

• Ultrasone voorbehandeling van nikkelkatalysatoren voor hydrogeneringsreacties
• Sonische Raney Ni katalysator met wijnsteenzuur resulteert in een zeer hoge enantioselectiviteit
• Met behulp van ultrasone synthese vervaardigde Fischer-Tropsch-katalysatoren
• Sonochemisch behandelde amorfe poederkatalysatoren voor verhoogde reactiviteit
• Sonosynthese van amorfe metaalpoeders

Ultrasoon katalysatorherstel

Vaste katalysatoren in reactoren met een vast bed worden doorgaans gebruikt in de vorm van bolvormige korrels, pellets, extrudaten of cilindrische deeltjes. Tijdens chemische reacties kan het oppervlak van de katalysator worden gepassiveerd door een afzettingslaag, wat na verloop van tijd leidt tot een geleidelijk verlies van katalytische activiteit en/of selectiviteit.
De tijdschaal van katalysatordeactivering varieert aanzienlijk. Zo kan de deactivering van een kraakkatalysator al binnen enkele seconden plaatsvinden, terwijl een ijzerkatalysator die bij de ammoniaksynthese wordt gebruikt, 5–10 jaar actief kan blijven. Niettemin wordt katalysatordeactivering bij vrijwel alle katalytische processen waargenomen. Hoewel er verschillende deactiveringsmechanismen kunnen optreden – waaronder chemische, mechanische en thermische afbraak – Aanslag is een van de meest voorkomende oorzaken van katalysatorafbraak.
Verontreiniging verwijst naar de fysieke afzetting van stoffen uit de vloeistoffase op het oppervlak van de katalysator en in de poriën ervan. Deze afzettingen blokkeren reactieve plaatsen, beperken de toegankelijkheid van de poriën en verminderen het contact tussen de reactanten en het actieve oppervlak van de katalysator. Vervuiling van de katalysator door cokes of koolstofhoudende afzettingen is vaak een snel proces; in veel gevallen kan dit echter gedeeltelijk of volledig worden teruggedraaid door middel van ultrasone regeneratie.

Ultrasone cavitatie is een effectieve methode om passiverende aangroei-lagen van katalysatoroppervlakken te verwijderen. Tijdens ultrasone behandeling genereert hoogintensieve ultrasone golven cavitatiebellen in een vloeibaar medium. Het instorten daarvan veroorzaakt plaatselijke schuifkrachten, microstralen, schokgolven en intense micromenging. Deze effecten helpen bij het losmaken van vervuilingsresten van het katalysatoroppervlak, het weer openen van verstopte poriën en het herstellen van de toegang tot actieve plaatsen.
Het terugwinnen van katalysatoren met behulp van ultrasone trillingen gebeurt doorgaans door de katalysatordeeltjes te dispergeren in een vloeistof, zoals gedeïoniseerd water of een geschikt oplosmiddel, en de suspensie bloot te stellen aan een gecontroleerde ultrasone behandeling. Dit proces kan vervuilingsresten verwijderen van diverse katalysatormaterialen, waaronder platina/silicavezelkatalysatoren, nikkelkatalysatoren en andere katalysatoren op metaaldrager. Daardoor kan ultrasone behandeling bijdragen aan de regeneratie van de katalysator, een langere levensduur van de katalysator en een verbeterde duurzaamheid van het proces.

Klik hier voor meer informatie over de ultrasone regeneratie van gebruikte katalysatoren!

Ultrasone apparaten voor integratie in chemische reactoren

Hielscher Ultrasonics biedt verschillende ultrasone processors en variaties voor de integratie van power ultrasound in reactoren met vast bed. Er zijn verschillende ultrasone systemen beschikbaar voor installatie in reactoren met vast bed. Voor complexere reactortypes bieden we aangepaste ultrasone oplossingen.
Ontdek hoe ultrasone trillingen chemische reacties in verschillende reactorontwerpen verbeteren!
Om de effecten van ultrasone behandeling op uw chemische reactie te testen, bent u van harte welkom in ons ultrasoonproceslaboratorium en technisch centrum in Teltow!
Neem vandaag nog contact met ons op! We bespreken graag de ultrasone intensivering van uw chemische proces met u!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van Hielscher sonicators bij benadering: