Реакторы с неподвижным слоем с ультразвуковой интенсификацией

Ультразвуковая обработка способна улучшить ход каталитических реакций в реакторах с неподвижным слоем, главным образом за счет усиления массообмена вокруг и внутри насыпного слоя катализатора. Кроме того, ультразвуковая обработка удаляет слои пассивации и загрязнения с поверхности катализатора, тем самым обеспечивая его непрерывную регенерацию.

Как ультразвуковая обработка улучшает катализ в фиксированном слое

В реакторе с неподвижным слоем частицы катализатора остаются неподвижными, в то время как жидкие, газообразные или многофазные реагенты протекают через слой. Эффективность реакции часто ограничивается внешним массообменом, диффузией в порах, канализацией, загрязнением и градиентами теплопередачи. Ультразвук может снизить влияние ряда этих ограничивающих факторов за счет создания акустической кавитации, микропотоков, сдвиговых сил и колебаний давления.

Основные эффекты реакций в фиксированном слое с усилием ультразвука

• Улучшение внешнего массообмена: Ультразвуковое микропотоковое перемешивание уменьшает застойный пограничный слой вокруг частиц катализатора, что позволяет реагентам более эффективно достигать активных центров.
• Повышенная доступность пор: Колебания давления и перемещение жидкости, вызванные кавитацией, могут способствовать лучшему проникновению реагентов в поры катализатора и удалению продуктов из пор.
• Снижение образования накипи и пассивация: Ультразвуковая обработка может способствовать удалению отложений, полимерных пленок, предшественников кокса или других пассивирующих слоев с поверхностей катализаторов, что позволяет дольше сохранять каталитическую активность.

Улучшение контакта между жидкостью и твердым телом: Ультразвук способствует более эффективному смачиванию частиц катализатора, что особенно полезно в системах с капельным слоем, с подачей суспензии или с жидкофазным неподвижным слоем.

• Снижение образования каналов в насыпных слоях: В ходе исследований с использованием микронабитых слоев было показано, что ультразвук изменяет характер течения и снижает дисперсию, способствуя приближению реактора к более идеальному поведению, характерному для пробкового потока.
• Улучшенная теплопередача: Акустическая промывка и турбулентность способствуют более эффективному локальному отводу тепла, что позволяет уменьшить количество горячих точек или холодных зон в слое катализатора.
• Повышение коэффициента конверсии и доходности: Благодаря улучшению массообмена и доступа к катализатору ультразвуковая обработка позволяет повысить скорость реакции, степень превращения и выход продукта, особенно в тех случаях, когда реакция ограничена транспортными факторами, а не исключительно кинетическими.

Как ультразвуковая обработка улучшает катализ в фиксированном слое?

Основным механизмом является акустическая кавитация: ультразвуковые волны создают микроскопические пузырьки, которые быстро растут и резко разрушаются. Их разрушение вызывает локальные сдвиговые напряжения, микроструи, ударные волны и интенсивное перемешивание. Вблизи поверхностей катализаторов эти эффекты могут очищать, активировать и обновлять границу раздела «твердое тело–жидкость». В обзорных работах по сонокатализу это описывается как синергия между ультразвуком и твердыми катализаторами, сопровождающаяся улучшением теплообмена, массообмена и локализованными эффектами на каталитических поверхностях.

Ультразвуковая обработка наиболее эффективна в тех случаях, когда реакция в стационарном слое сталкивается со следующими проблемами:

• медленная диффузия в поры катализатора,
• плохое смачивание частиц катализатора,
• накопление продукта внутри пор,
• обрастание или пассивация поверхности,
• кинетика, ограниченная массопереносом,
• неравномерное распределение многофазного потока,
• прохождение через насыпной слой.

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 мощного ультразвука на гетерогенные химические реакции хорошо известно и широко применяется в промышленных каталитических процессах. Каталитические реакции в реакторе с неподвижным слоем также выигрывают от обработки ультразвуком. Ультразвуковое облучение катализатора в реакторе с неподвижным слоем приводит к образованию высокореактивных поверхностей, усиливает массоперенос между жидкой фазой (реагентами) и катализатором, а также удаляет пассивирующие покрытия (например, оксидные слои) с поверхности.

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.

Примеры реакций, эффективность которых повышена с помощью ультразвука

• Ультразвуковая предварительная обработка никелевого катализатора для реакций гидрирования
• Ультразвуковой катализатор Raney Ni с винной кислотой приводит к очень высокой энантиоселективности
• Ультразвуковые синтезированные катализаторы Фишера-Тропша
• Сонохимически обработанные катализаторы из аморфного порошка для повышения реакционной способности
• Соносинтез порошков аморфных металлов

Ультразвуковая регенерация катализатора

Твердые катализаторы в реакторах с неподвижным слоем обычно используются в виде сферических гранул, таблеток, экструдированных изделий или цилиндрических частиц. В ходе химических реакций поверхность катализатора может пассивироваться под действием нагара, что со временем приводит к постепенной потере каталитической активности и/или селективности.
Сроки деактивации катализаторов значительно варьируются. Например, деактивация катализатора крекинга может происходить в течение нескольких секунд, тогда как железный катализатор, используемый при синтезе аммиака, может сохранять свою активность в течение 5–10 лет. Тем не менее деактивация катализатора наблюдается практически во всех каталитических процессах. Хотя могут иметь место различные механизмы деактивации – в том числе химическое, механическое и термическое разложение – Осаждение нагара — одна из наиболее распространённых причин износа катализатора.
Под загрязнением понимается физическое осаждение веществ из жидкой фазы на поверхности катализатора и внутри его пор. Эти отложения блокируют реакционные центры, ограничивают доступ к порам и снижают контакт между реагентами и активной поверхностью катализатора. Загрязнение катализатора коксом или углеродистыми отложениями часто происходит быстро; однако во многих случаях его можно частично или полностью устранить с помощью ультразвуковой регенерации.

Ультразвуковая кавитация — это эффективный метод удаления пассивирующих наслоений с поверхностей катализаторов. Во время ультразвуковой обработки высокоинтенсивные ультразвуковые волны генерируют кавитационные пузырьки в жидкой среде. Их коллапс вызывает локальные сдвиговые силы, микроструи, ударные волны и интенсивное микроперемешивание. Эти эффекты способствуют отрыву остатков нагара от поверхности катализатора, раскрытию заблокированных пор и восстановлению доступа к активным центрам.
Регенерация катализатора с помощью ультразвука обычно осуществляется путем диспергирования частиц катализатора в жидкости, такой как деионизированная вода или подходящий растворитель, и подвергания суспензии контролируемому ультразвуковому воздействию. Данный процесс позволяет удалить остатки нагара с различных катализаторных материалов, включая катализаторы на основе платины и кремнеземного волокна, никелевые катализаторы и другие катализаторы на металлической подложке. В результате ультразвуковая обработка способствует регенерации катализатора, продлению срока его службы и повышению экологической устойчивости технологического процесса.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой регенерации отработанных катализаторов!

Ультразвуковые устройства для встраивания в химические реакторы

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.
Узнайте, как ультразвуковая обработка улучшает ход химических реакций в реакторах различных конструкций!
Чтобы проверить влияние ультразвуковой обработки на вашу химическую реакцию, приглашаем вас посетить нашу лабораторию ультразвуковых технологий и технический центр в Тельтове!
Свяжитесь с нами сегодня! Мы рады обсудить с вами ультразвуковую интенсификацию Вашего химического процесса!
В приведенной ниже таблице указана приблизительная производительность соника Hielscher: