Реакторы с неподвижным слоем с ультразвуковой интенсификацией
- Ультразвуковое смешивание и диспергирование активируют и усиливают каталитическую реакцию в реакторах с неподвижным слоем.
- Ультразвук улучшает массоперенос и тем самым повышает эффективность, коэффициент преобразования и выход.
- Дополнительным преимуществом является удаление пассивирующих обрастающих слоев из частиц катализатора с помощью ультразвуковой кавитации.
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.
Влияние силового ультразвука на гетерогенные химические реакции хорошо известно и широко используется в промышленных каталитических процессах. Каталитические реакции в реакторе с неподвижным слоем также могут выиграть от ультразвуковой обработки. Ультразвуковое облучение катализатора с неподвижным слоем создает высокореактивные поверхности, увеличивает массоперенос между жидкой фазой (реагентами) и катализатором, а также удаляет пассивирующие покрытия (например, оксидные слои) с поверхности. Ультразвуковая дробление хрупких материалов увеличивает площадь поверхности и тем самым способствует повышению активности.
Преимущества
- 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.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о воздействии ультразвука на химические реакции (сонохимия)!
Примеры
- Ультразвуковая предварительная обработка никелевого катализатора для реакций гидрирования
- Ультразвуковой катализатор Raney Ni с винной кислотой приводит к очень высокой энантиоселективности
- Катализаторы Фишера-Тропша, подготовленные ультразвуком
- Сонохимически обработанные катализаторы из аморфного порошка для повышения реакционной способности
- Соносинтез порошков аморфных металлов
Ультразвуковая регенерация катализатора
Твердые катализаторы в реакторах с неподвижным слоем в основном имеют форму шарообразных шариков или цилиндрических трубок. В ходе химической реакции поверхность катализатора пассивируется слоем загрязнения, что приводит к потере каталитической активности и/или селективности с течением времени. Временные рамки распада катализатора значительно варьируются. В то время как, например, смертность катализатора крекинга может произойти в течение нескольких секунд, железный катализатор, используемый в синтезе аммиака, может прослужить 5–10 лет. Тем не менее, дезактивация катализатора может наблюдаться для всех катализаторов. Несмотря на то, что могут наблюдаться различные механизмы (например, химические, механические, термические) дезактивации катализатора, загрязнение является одним из наиболее частых типов распада катализатора. Загрязнение относится к физическому осаждению частиц из жидкой фазы на поверхность и в порах катализатора, блокируя тем самым реакционноспособные центры. Загрязнение катализатора коксом и углеродом является быстро происходящим процессом и может быть обращено вспять путем регенерации (например, ультразвуковой обработки).
Ультразвуковая кавитация является успешным методом удаления пассивирующих обрастающих слоев с поверхности катализатора. Ультразвуковое восстановление катализатора обычно осуществляется путем ультразвукового обработки частиц в жидкости (например, деионизированной воде) для удаления остатков загрязнения (например, платины/кремнеземного волокна pt/SF, никелевых катализаторов).
Ультразвуковые системы
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.
Чтобы проверить свою химическую реакцию под действием ультразвукового излучения, вы можете посетить нашу лабораторию ультразвуковых процессов и технический центр в Тельтове!
Свяжитесь с нами сегодня! Мы рады обсудить с вами ультразвуковую интенсификацию Вашего химического процесса!
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
Ультразвуковая проточная система
- гидрирование
- Алцилирование
- Цианирование
- Этерификация
- Этерификации
- полимеризация
- Аллилирование
- Бромирование
(например, катализаторы Циглера-Натта, металлоцены)
Литература/Литература
- Аргайл, доктор медицины; Бартоломью, К.Х. (2015): Дезактивация и регенерация гетерогенного катализатора: обзор. Катализаторы 2015, 5, 145-269.
- Оза, Р.; Патель, С. (2012): Извлечение никеля из отработанных катализаторов Ni/Al2O3 с использованием кислотного выщелачивания, хелатирования и ультразвука. Научно-исследовательский журнал новейших наук, том 1; 2012. 434-443.
- Сана, С.; Раджанна, K.Ch.; Редди, К.Р.; Бхушан, М.; Венкатешварлу, М.; Кумар, М.С.; Уппалая, К. (2012): Ультразвуковое регеоселективное нитрование ароматических соединений в присутствии определенных солей металлов группы V и VI. Зеленая и устойчивая химия, 2012, 2, 97-111.
- Суслик, К. С.; Скрабалак, С. Е. (2008): “Сонокатализ” В кн.: Справочник по гетерогенному катализу, т. 4; Эртл, Г.; Кнёзингер, Х.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Факты, которые стоит знать
Ультразвуковая кавитация и сонохимия
Связывание силового ультразвука с жидкостями и суспензиями приводит к акустическая кавитация. Акустическая кавитация относится к явлению быстрого образования, роста и имплозивного коллапса заполненных паром пустот. Это создает очень короткоживущие «горячие точки» с экстремальными температурными пиками до 5000 К, очень высокими скоростями нагрева / охлаждения выше 109Кс-1и давления 1000 атм с соответствующими дифференциалами – И все это в пределах наносекунды жизни.
Область научных исследований Сонохимия Исследует влияние ультразвука на образование акустической кавитации в жидкостях, которая инициирует и/или усиливает химическую активность в растворе.
Гетерогенные каталитические реакции
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).
Нуклеофильное замещение
Нуклеофильное замещение — это фундаментальный класс реакций в органической (и неорганической) химии, в которых нуклеофил избирательно связывается в форме основания Льюиса (в качестве донора электронных пар) с органическим комплексом с положительным или частично положительным (+ve)зарядом атома или группы атомов, чтобы заменить уходящую группу. Положительный или частично положительный атом, который является акцептором электронных пар, называется электрофилом. Вся молекулярная сущность электрофила и уходящей группы обычно называется субстратом.
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.
Виды дезактивации катализатора
- 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.