Ultradźwiękowo zintensyfikowane reaktory ze stałym złożem

Ultradźwiękowanie może usprawnić reakcje katalityczne w reaktorach ze złożem stałym, głównie poprzez intensyfikację transferu masy wokół i wewnątrz złoża katalizatora. Ponadto ultradźwiękowanie usuwa warstwy pasywacyjne i osady z powierzchni katalizatora, co pozwala na jego ciągłą regenerację.

W jaki sposób sonikacja poprawia wydajność katalizy w złożu stałym

W reaktorze ze złożem stałym cząstki katalizatora pozostają nieruchome, podczas gdy ciekłe, gazowe lub wielofazowe substancje reagujące przepływają przez złoże. Wydajność reakcji jest często ograniczona przez zewnętrzny transfer masy, dyfuzję porową, zjawisko kanalizacji, zanieczyszczenie oraz gradienty wymiany ciepła. Ultradźwięki mogą zmniejszyć niektóre z tych ograniczeń poprzez wywoływanie kawitacji akustycznej, mikroprądów, sił ścinających oraz oscylacji ciśnienia.

Główne efekty reakcji w złożu stałym wzmocnionych ultradźwiękami

• Zwiększony zewnętrzny transfer masy: Mikroprzepływ ultradźwiękowy zmniejsza warstwę graniczną wokół cząstek katalizatora, umożliwiając substancjom reagującym skuteczniejsze dotarcie do miejsc aktywnych.
• Zwiększona dostępność porów: Wahania ciśnienia i ruch cieczy wywołane kawitacją mogą poprawić przenikanie reagentów do porów katalizatora oraz usuwanie produktów z porów.
• Ograniczanie osadzania się zanieczyszczeń i pasywacja: Ultradźwiękowanie może pomóc w usuwaniu osadów, warstw polimerowych, prekursorów koksu lub innych warstw pasywujących z powierzchni katalizatorów, co pozwala na dłuższe utrzymanie aktywności katalitycznej.

Lepszy kontakt między cieczą a ciałem stałym: Ultradźwięki sprzyjają lepszemu zwilżaniu cząstek katalizatora, co jest szczególnie przydatne w układach ze złożem kroplowym, zasilanych zawiesiną lub w układach ze złożem stałym w fazie ciekłej.

• Zmniejszone zjawisko kanalizacji w złożach upakowanych: W badaniach nad złożami mikropakowanymi wykazano, że ultradźwięki modyfikują charakterystykę przepływu i ograniczają dyspersję, pomagając reaktorowi zbliżyć się do bardziej idealnego przepływu graniowego.
• Ulepszony transfer ciepła: Strumieniowanie akustyczne i turbulencja poprawiają lokalne odprowadzanie ciepła, ograniczając powstawanie gorących punktów lub zimnych stref w złożu katalizatora.
• Wyższa konwersja i wydajność: Dzięki poprawie wymiany masowej i dostępności katalizatora sonikacja może zwiększyć szybkość reakcji, stopień konwersji oraz wydajność produktu, zwłaszcza gdy reakcja jest ograniczona transportowo, a nie wyłącznie kinetycznie.

W jaki sposób sonikacja poprawia wydajność katalizy w złożu stałym?

Głównym mechanizmem jest kawitacja akustyczna: fale ultradźwiękowe powodują powstawanie mikroskopijnych pęcherzyków, które gwałtownie rosną i pękają. Ich pękanie generuje lokalne ścinanie, mikrostrumienie, fale uderzeniowe oraz intensywne mieszanie. W pobliżu powierzchni katalizatorów efekty te mogą oczyszczać, aktywować i odświeżać granicę faz ciało stałe–ciecz. W przeglądach literatury dotyczącej sonokatalizy zjawisko to opisuje się jako synergię między ultradźwiękami a katalizatorami stałymi, obejmującą poprawę wymiany ciepła, wymiany masy oraz efekty lokalne na powierzchniach katalitycznych.

Zastosowanie ultradźwięków przynosi największe korzyści, gdy reakcja w złożu stałym boryka się z następującymi problemami:

• powolna dyfuzja do porów katalizatora,
• słabe zwilżanie cząstek katalizatora,
• nagromadzenie produktu w porach,
• zanieczyszczenie lub pasywacja powierzchni,
• kinetyka ograniczona przenoszeniem masy,
• nierównomierny rozkład przepływu wielofazowego,
• przepływ przez złoże upakowane.

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.
Wpływ ultradźwięków o dużej mocy na heterogeniczne reakcje chemiczne jest dobrze znany i szeroko wykorzystywany w przemysłowych procesach katalitycznych. Również reakcje katalityczne w reaktorze ze złożem stałym zyskują na zastosowaniu obróbki ultradźwiękowej. Naświetlanie ultradźwiękowe katalizatora w złożu stałym tworzy powierzchnie o wysokiej reaktywności, zwiększa transport masowy między fazą ciekłą (reagentami) a katalizatorem oraz usuwa powłoki pasywujące (np. warstwy tlenku) z powierzchni.

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.

Przykłady reakcji usprawnionych za pomocą ultradźwięków

• Ultradźwiękowa obróbka wstępna katalizatora Ni do reakcji uwodornienia
• Sonikowany katalizator Raney Ni z kwasem winowym zapewnia bardzo wysoką enancjoselektywność
• Katalizatory Fischer-Tropscha wytworzone metodą syntezy ultradźwiękowej
• Poddane obróbce sonochemicznej amorficzne katalizatory proszkowe o zwiększonej reaktywności
• Sono-synteza amorficznych proszków metali

Ultradźwiękowy odzysk katalizatora

Katalizatory stałe w reaktorach ze złożem stałym są zazwyczaj stosowane w postaci kulistych granulek, peletek, wycisków lub cząstek cylindrycznych. Podczas reakcji chemicznych powierzchnia katalizatora może ulec pasywacji pod wpływem warstwy osadu, co z czasem prowadzi do stopniowej utraty aktywności katalitycznej i/lub selektywności.
Czas trwania dezaktywacji katalizatora jest bardzo zróżnicowany. Na przykład dezaktywacja katalizatora krakingu może nastąpić w ciągu kilku sekund, podczas gdy katalizator żelazowy stosowany w syntezie amoniaku może zachowywać aktywność przez 5–10 lat. Niemniej jednak dezaktywację katalizatora obserwuje się praktycznie we wszystkich procesach katalitycznych. Chociaż mogą występować różne mechanizmy dezaktywacji – w tym degradację chemiczną, mechaniczną i termiczną – Osadzanie się osadów jest jedną z najczęstszych przyczyn utraty aktywności katalizatora.
Zanieczyszczenie oznacza fizyczne osadzanie się substancji z fazy płynnej na powierzchni katalizatora oraz w jego porach. Osady te blokują miejsca reakcyjne, ograniczają dostępność porów oraz zmniejszają kontakt między reagentami a aktywną powierzchnią katalizatora. Zanieczyszczenie katalizatora przez koks lub osady węglowe jest często procesem szybkim; jednak w wielu przypadkach można je częściowo lub całkowicie odwrócić poprzez regenerację ultradźwiękową.

Kawitacja ultradźwiękowa jest skuteczną metodą usuwania pasywujących warstw osadów z powierzchni katalizatorów. Podczas sonikacji ultradźwięki o wysokim natężeniu generują pęcherzyki kawitacyjne w ośrodku ciekłym. Ich zapadanie się powoduje powstanie lokalnych sił ścinających, mikrostrumieni, fal uderzeniowych oraz intensywnego mikromieszania. Efekty te pomagają w odrywaniu pozostałości zanieczyszczeń od powierzchni katalizatora, ponownym otwarciu zablokowanych porów oraz przywróceniu dostępu do aktywnych miejsc.
Odzyskiwanie katalizatora metodą ultradźwiękową polega zazwyczaj na zdyspergowaniu cząstek katalizatora w cieczy, takiej jak woda dejonizowana lub odpowiedni rozpuszczalnik, a następnie poddaniu zawiesiny kontrolowanemu działaniu ultradźwięków. Proces ten pozwala usunąć osady zanieczyszczeń z różnych materiałów katalitycznych, w tym z katalizatorów platynowo-krzemionkowych, katalizatorów niklowych oraz innych katalizatorów metalowych na nośniku. W rezultacie sonikacja może przyczynić się do regeneracji katalizatora, wydłużenia jego żywotności oraz poprawy zrównoważonego charakteru procesu.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o regeneracji zużytych katalizatorów metodą ultradźwiękową!

Urządzenia ultradźwiękowe przeznaczone do montażu w reaktorach chemicznych

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.
Dowiedz się, w jaki sposób sonikacja usprawnia przebieg reakcji chemicznych w różnych typach reaktorów!
Aby sprawdzić wpływ ultradźwięków na przebieg reakcji chemicznej, serdecznie zapraszamy do odwiedzenia naszego laboratorium procesów ultradźwiękowych oraz centrum technicznego w 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: