Hielscher Ultrasonics
Z przyjemnością omówimy Twój proces.
Zadzwoń do nas: +49 3328 437-420
Napisz do nas: [email protected]

Ultradźwiękowo zintensyfikowane reaktory ze stałym złożem

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.

Zapytanie o informacje



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

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.
  • 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.
  • Ulepszony transfer ciepła: 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.

Katalizatory ze stałym złożem

Złoża stałe (czasami nazywane również złożami upakowanymi) są zwykle ładowane granulkami katalizatora, które są zwykle granulkami o średnicy od 1 do 5 mm. Mogą być one ładowane do reaktora w postaci pojedynczego złoża, oddzielnych powłok lub w rurach. Katalizatory oparte są głównie na metalach takich jak nikiel, miedź, osm, platyna i rod.
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.

Homogenizator ultradźwiękowy UIP1500hdT z komorą przepływową wyposażoną w płaszcz chłodzący do kontroli temperatury procesu podczas sonikacji.

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

Advantages of Ultrasonically Intensified Catalytic Reactions

  • Zwiększona wydajność
  • Zwiększona reaktywność
  • Zwiększony współczynnik konwersji
  • Wyższa wydajność
  • Recykling katalizatora

Ultradźwiękowa intensyfikacja reakcji katalitycznych

Ultradźwiękowe mieszanie i mieszanie poprawia kontakt między cząstkami reagenta i katalizatora, tworzy wysoce reaktywne powierzchnie i inicjuje i/lub wzmacnia reakcję chemiczną.
Ultradźwiękowe przygotowanie katalizatora może powodować zmiany w zachowaniu krystalizacji, dyspersji / deaglomeracji i właściwościach powierzchni. Ponadto na właściwości wstępnie uformowanych katalizatorów można wpływać poprzez usuwanie pasywujących warstw powierzchniowych, lepszą dyspersję, zwiększenie transferu masy.

Examples of Ultrasonically-Improved Reactions

  • Ultradźwiękowa obróbka wstępna katalizatora Ni do reakcji uwodornienia
  • Sonikowany katalizator Raney Ni z kwasem winowym zapewnia bardzo wysoką enancjoselektywność
  • Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
  • Poddane obróbce sonochemicznej amorficzne katalizatory proszkowe o zwiększonej reaktywności
  • Sono-synteza amorficznych proszków metali

Ultradźwiękowy odzysk katalizatora

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

Ultradźwięki mocy są stosowane do katalizatorów i reakcji katalitycznych. (Kliknij, aby powiększyć!)Hielscher Ultrasonics oferuje różne procesory ultradźwiękowe i odmiany do integracji ultradźwięków mocy w reaktorach ze złożem stałym. Różne systemy ultradźwiękowe są dostępne do zainstalowania w reaktorach ze złożem stałym. Dla bardziej złożonych typów reaktorów oferujemy dostosowany ultradźwiękowy rozwiązania.
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!
Skontaktuj się z nami już dziś! Cieszymy się, że możemy omówić z Tobą ultradźwiękową intensyfikację Twojego procesu chemicznego!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania sonikatorów Hielscher:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
10 do 2000mL 20-400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000
Przetwarzanie w linii z procesorami ultradźwiękowymi o mocy 7 kW (kliknij, aby powiększyć!)

Ultradźwiękowy system przepływu

Reakcje zintensyfikowane ultradźwiękami

  • uwodornienie
  • Alkilacja
  • Cyjanowanie
  • eteryfikacja
  • estryfikacja
  • polimeryzacja
  • (np. katalizatory Zieglera-Natty, metaloceny)

  • Allylation
  • Bromowanie

Poproś o więcej informacji

Please use the form below to request additional information about sonicators for the integration into fixed bed reactors, technical details and prices. We will be glad to discuss your chemical reactor design with you and to offer you the best sonicator fulfilling your requirements!




Literatura / Referencje



Fakty, które warto znać

Czym jest kawitacja ultradźwiękowa?

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.

Czym jest sonochemia?

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?

W chemii kataliza heterogeniczna odnosi się do rodzaju reakcji katalitycznej, w której fazy katalizatora i reagentów różnią się od siebie. W kontekście chemii heterogenicznej faza jest używana nie tylko do rozróżnienia między ciałem stałym, cieczą i gazem, ale odnosi się również do niemieszających się cieczy, np. oleju i wody.
Podczas reakcji heterogenicznej jeden lub więcej reagentów ulega przemianie chemicznej na granicy faz, np. na powierzchni stałego katalizatora.
Szybkość reakcji zależy od stężenia reagentów, wielkości cząstek, temperatury, katalizatora i innych czynników.
Stężenie reagenta: Ogólnie rzecz biorąc, wzrost stężenia reagenta zwiększa szybkość reakcji ze względu na większy interfejs, a tym samym większy transfer fazy między cząstkami reagenta.
Wielkość cząstek: Gdy jednym z reagentów jest cząstka stała, nie można jej wyświetlić w równaniu szybkości, ponieważ równanie szybkości pokazuje tylko stężenia, a ciała stałe nie mogą mieć stężenia, ponieważ znajdują się w innej fazie. Jednak wielkość cząstek ciała stałego wpływa na szybkość reakcji ze względu na dostępną powierzchnię do przenoszenia faz.
Temperatura reakcji: Temperatura jest powiązana ze stałą szybkości za pomocą równania Arrheniusa: k = Ae-Ea/RT
Gdzie Ea to energia aktywacji, R to uniwersalna stała gazowa, a T to temperatura bezwzględna w Kelwinach. A jest współczynnikiem Arrheniusa (częstotliwości). e-Ea/RT podaje liczbę cząstek pod krzywą, które mają energię większą niż energia aktywacji, Ea.
Katalizator: W większości przypadków reakcje zachodzą szybciej z użyciem katalizatora, ponieważ wymagają mniejszej energii aktywacji. Katalizatory heterogeniczne zapewniają powierzchnię szablonu, na której zachodzi reakcja, podczas gdy katalizatory homogeniczne tworzą produkty pośrednie, które uwalniają katalizator na kolejnym etapie mechanizmu.
Inne czynniki: Inne czynniki, takie jak światło, mogą wpływać na niektóre reakcje (fotochemia).

What are the Types of Catalyst Deactivation?

  • Zatrucie katalizatora to termin określający silną chemisorpcję gatunków na miejscach katalitycznych, które blokują miejsca reakcji katalitycznej. Zatrucie może być odwracalne lub nieodwracalne.
  • Zanieczyszczenie odnosi się do mechanicznej degradacji katalizatora, w której substancje z fazy ciekłej osadzają się na powierzchni katalizatora i w jego porach.
  • Degradacja termiczna i spiekanie powodują utratę powierzchni katalitycznej, powierzchni nośnej i reakcji fazy aktywnej z nośnikiem.
  • Tworzenie się oparów oznacza formę degradacji chemicznej, w której faza gazowa reaguje z fazą katalizatora w celu wytworzenia lotnych związków.
  • Reakcje para-ciało stałe i ciało stałe-ciało stałe powodują chemiczną dezaktywację katalizatora. Para, nośnik lub promotor reagują z katalizatorem, w wyniku czego powstaje nieaktywna faza.
  • Ścieranie lub kruszenie cząstek katalizatora powoduje utratę materiału katalitycznego w wyniku mechanicznego ścierania. Wewnętrzna powierzchnia katalizatora jest tracona z powodu mechanicznego kruszenia cząstek katalizatora.

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.
Substytucję nukleofilową można zaobserwować na dwóch różnych ścieżkach – SN1 i SN2. Która forma mechanizmu reakcji – sN1 lub SN2 – zależy od struktury związków chemicznych, rodzaju nukleofila i rozpuszczalnika.

Z przyjemnością omówimy Twój proces.