Реакторы с неподвижным слоем с ультразвуковой интенсификацией
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.
Ультразвуковой аппарат 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.
- Улучшенная теплопередача: 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.
Катализаторы с неподвижным слоем
Стационарные слои (иногда также называемые упакованными слоями) обычно загружаются катализаторными гранулами, которые обычно представляют собой гранулы диаметром от 1 до 5 мм. Они могут быть загружены в реактор в виде одного слоя, в виде отдельных оболочек или в виде труб. Катализаторы в основном основаны на таких металлах, как никель, медь, осмий, платина и родий.
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.
- Повышенная эффективность
- Повышенная реактивность
- Повышенный коэффициент конверсии
- Более высокая урожайность
- Переработка катализатора
Ультразвуковая интенсификация каталитических реакций
Ультразвуковое смешивание и перемешивание улучшает контакт между реагентом и частицами катализатора, создает высокореактивные поверхности и инициирует и/или усиливает химическую реакцию.
Ультразвуковое приготовление катализатора может вызвать изменения в кристаллизационных свойствах, дисперсии/деагломерации и поверхностных свойствах. Кроме того, на характеристики предварительно сформированных катализаторов можно влиять за счет удаления пассивирующих поверхностных слоев, улучшения диспергирования, увеличения массообмена.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- Ультразвуковая предварительная обработка никелевого катализатора для реакций гидрирования
- Ультразвуковой катализатор Raney Ni с винной кислотой приводит к очень высокой энантиоселективности
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- Сонохимически обработанные катализаторы из аморфного порошка для повышения реакционной способности
- Соносинтез порошков аморфных металлов
Ультразвуковая регенерация катализатора
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 предлагает различные ультразвуковые процессоры и вариации для интеграции силового ультразвука в реакторы с неподвижным слоем. Различные ультразвуковые системы доступны для установки в реакторах с неподвижным слоем. Для более сложных типов реакторов мы предлагаем Индивидуальный ультразвуковой Решения.
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!
Свяжитесь с нами сегодня! Мы рады обсудить с вами ультразвуковую интенсификацию Вашего химического процесса!
В приведенной ниже таблице указана приблизительная производительность соника Hielscher:
- гидрирование
- Алцилирование
- Цианирование
- Этерификация
- Этерификации
- полимеризация
- Аллилирование
- Бромирование
(например, катализаторы Циглера-Натта, металлоцены)
Литература / Литература
- 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.
Факты, которые стоит знать
Что такое ультразвуковая кавитация?
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.
Что такое сонохимия?
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?
В химии гетерогенным катализом называют тип каталитической реакции, в которой фазы катализатора и реагентов отличаются друг от друга. В контексте гетерогенной химии фаза используется не только для различения твердого, жидкого и газообразного, но и для обозначения несмешивающихся жидкостей, например, масла и воды.
Во время гетерогенной реакции один или несколько реагентов претерпевают химическое изменение на границе раздела, например, на поверхности твердого катализатора.
Скорость реакции зависит от концентрации реагентов, размера частиц, температуры, катализатора и других факторов.
Концентрация реагента: В целом, увеличение концентрации реагента увеличивает скорость реакции из-за большей границы раздела и, следовательно, большего фазового переноса между частицами реагента.
Размер частиц: Когда один из реагентов является твердой частицей, то он не может быть отображен в уравнении скорости, так как уравнение скорости показывает только концентрации, а твердые вещества не могут иметь концентрацию, так как находятся в другой фазе. Однако размер частиц твердого тела влияет на скорость реакции из-за доступной площади поверхности для фазового переноса.
Температура реакции: Температура связана с константой скорости через уравнение Аррениуса: k = Ae-Эа/РТ
Где Ea — энергия активации, R — универсальная газовая постоянная, а T — абсолютная температура в Кельвинах. A — фактор Аррениуса (частоты). e-Эа/РТ задает число частиц под кривой, которые имеют энергию больше, чем энергия активации, Ea.
Катализатор: В большинстве случаев реакции с катализатором протекают быстрее, потому что они требуют меньше энергии активации. Гетерогенные катализаторы обеспечивают поверхность матрицы, на которой происходит реакция, в то время как гомогенные катализаторы образуют промежуточные продукты, которые высвобождают катализатор на последующей стадии механизма.
Другие факторы: Другие факторы, такие как свет, могут влиять на определенные реакции (фотохимию).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- Отравление катализатором — это термин, обозначающий сильную хемосорбцию веществ на каталитических центрах, которые блокируют участки для каталитической реакции. Отравление может быть обратимым или необратимым.
- Загрязнение относится к механической деградации катализатора, при которой частицы из жидкой фазы осаждаются на каталитической поверхности и в порах катализатора.
- Термическая деградация и спекание приводят к потере площади каталитической поверхности, площади поддержки и активных реакций фазового обеспечения.
- Образование паров означает форму химического разложения, при которой газовая фаза вступает в реакцию с фазой катализатора с образованием летучих соединений.
- Реакции «пар–твердое тело» и «твердое вещество» приводят к химической дезактивации катализатора. Пар, поддержатель или промотор вступает в реакцию с катализатором, в результате чего образуется неактивная фаза.
- Истирание или дробление частиц катализатора приводит к потере каталитического материала из-за механического истирания. Площадь внутренней поверхности катализатора теряется из-за механического измельчения частицы катализатора.
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.
Нуклеофильное замещение можно наблюдать в виде двух различных путей – СN1 и SN2 реакция. Какая форма механизма реакции – sN1 или СN2 – имеет место, зависит от структуры химических соединений, типа нуклеофила и растворителя.

