Ultrasoon versterkt vast bed reactoren
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.
Sonicator 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.
- 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.
- Verbeterde warmteoverdracht: 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.
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.
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.
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.
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.
- Verbeterde efficiëntie
- Verhoogde reactiviteit
- Verhoogde conversie
- Hogere opbrengst
- Recycling van katalysator
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.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- Ultrasone voorbehandeling van nikkelkatalysatoren voor hydrogeneringsreacties
- Sonische Raney Ni katalysator met wijnsteenzuur resulteert in een zeer hoge enantioselectiviteit
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- Sonochemisch behandelde amorfe poederkatalysatoren voor verhoogde reactiviteit
- Sonosynthese van amorfe metaalpoeders
Ultrasoon katalysatorherstel
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 occur – including chemical, mechanical, and thermal degradation – fouling 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
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.
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!
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:
- hydrogenering
- Alcylatie
- Cyanatie
- ethervorming
- verestering
- polymerisatie
- Allylatie
- Bromering
(bijv. Ziegler-Natta katalysatoren, metallocens)
Literatuur / Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Wat is ultrasone cavitatie?
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.
Wat is Sonochemie?
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?
In de chemie verwijst heterogene katalyse naar het type katalytische reactie waarbij de fasen van de katalysator en de reactanten van elkaar verschillen. In de context van heterogene chemie wordt fase niet alleen gebruikt om onderscheid te maken tussen vast, vloeibaar en gas, maar het verwijst ook naar niet-mengbare vloeistoffen, zoals olie en water.
Tijdens een heterogene reactie ondergaan een of meer reactanten een chemische verandering op een grensvlak, bijvoorbeeld op het oppervlak van een vaste katalysator.
De reactiesnelheid is afhankelijk van de concentratie van de reactanten, de deeltjesgrootte, de temperatuur, de katalysator en andere factoren.
Concentratie van de reactant: Over het algemeen verhoogt een verhoging van de concentratie van een reactant de reactiesnelheid door het grotere grensvlak en daardoor een grotere faseoverdracht tussen de reactordeeltjes.
Deeltjesgrootte: Als een van de reactanten een vast deeltje is, dan kan dit niet worden weergegeven in de snelheidsvergelijking, omdat de snelheidsvergelijking alleen concentraties weergeeft en vaste stoffen geen concentratie kunnen hebben omdat ze in een andere fase zitten. De deeltjesgrootte van de vaste stof beïnvloedt echter de reactiesnelheid vanwege het beschikbare oppervlak voor faseoverdracht.
Reactietemperatuur: Temperatuur is gerelateerd aan de snelheidsconstante via de vergelijking van Arrhenius: k = Ae-Ea/RT
Waarbij Ea de activeringsenergie is, R de universele gasconstante en T de absolute temperatuur in Kelvin. A is de Arrhenius (frequentie)factor. e-Ea/RT geeft het aantal deeltjes onder de curve die een energie hebben die groter is dan de activeringsenergie, Ea.
Katalysator: In de meeste gevallen verlopen reacties sneller met een katalysator omdat er minder activeringsenergie nodig is. Heterogene katalysatoren bieden een sjabloonoppervlak waarop de reactie plaatsvindt, terwijl homogene katalysatoren tussenproducten vormen die de katalysator vrijmaken tijdens een volgende stap van het mechanisme.
Andere factoren: Andere factoren zoals licht kunnen bepaalde reacties beïnvloeden (fotochemie).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- Katalysatorvergiftiging is de term voor de sterke chemisorptie van stoffen op katalytische sites die sites voor katalytische reactie blokkeren. Vergiftiging kan reversibel of irreversibel zijn.
- Fouling verwijst naar een mechanische degradatie van de katalysator, waarbij soorten uit de vloeistoffase neerslaan op het katalytische oppervlak en in katalysatorporiën.
- Thermische degradatie en sinteren resulteert in het verlies van katalytisch oppervlak, ondersteuningsgebied en actieve fase-ondersteuningsreacties.
- Dampvorming betekent een chemische afbraakvorm waarbij de gasfase reageert met de katalysatorfase om vluchtige verbindingen te produceren.
- Damp-vaste en vaste stof-vaste reacties resulteren in de chemische deactivering van de katalysator. Damp, drager of promotor reageert met de katalysator zodat er een inactieve fase ontstaat.
- Attrutie of pletten van de katalysatordeeltjes resulteert in het verlies van katalytisch materiaal door mechanische slijtage. Het interne oppervlak van de katalysator gaat verloren door het mechanisch pletten van de katalysatordeeltjes.
Read more about how sonication can reactivate spent catalysts!
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.
De nucleofiele substitutie kan worden waargenomen als twee verschillende routes – de SN1 en SN2 reactie. Welke vorm van reactiemechanisme – sN1 of SN2 – plaatsvindt, is afhankelijk van de structuur van de chemische verbindingen, het type nucleofiel en het oplosmiddel.

