Реакторы с неподвижным слоем, интенсифицированные ультразвуком

Обработка ультразвуком может улучшать каталитические реакции в реакторах с неподвижным слоем главным образом за счёт интенсификации массопереноса вокруг и внутри насыпного слоя катализатора. Кроме того, обработка ультразвуком удаляет пассивирующие слои и отложения с поверхности катализатора, тем самым непрерывно регенерируя его.

Как обработка ультразвуком улучшает катализ в неподвижном слое

В реакторе с неподвижным слоем частицы катализатора остаются неподвижными, а жидкие, газообразные или многофазные реагенты проходят через слой. Эффективность реакции часто ограничивается внешним массопереносом, диффузией в порах, образованием каналов потока, накоплением отложений и градиентами теплопереноса. Ультразвук может ослаблять некоторые из этих ограничений, вызывая акустическую кавитацию, микропотоки, силы сдвига и колебания давления.

Основные эффекты интенсификации реакций в неподвижном слое ультразвуком

• Улучшенный внешний массоперенос: Ультразвуковые микропотоки уменьшают застойный пограничный слой вокруг частиц катализатора, позволяя реагентам эффективнее достигать активных центров.
• Повышенная доступность пор: Вызванные кавитацией колебания давления и движение жидкости могут улучшать проникновение реагентов в поры катализатора и удаление продуктов из пор.
• Уменьшение отложений и пассивации: Обработка ультразвуком может способствовать удалению отложений, полимерных плёнок, предшественников кокса или других пассивирующих слоёв с поверхностей катализатора, сохраняя каталитическую активность дольше.

Улучшенный контакт жидкости с твёрдой фазой: Ультразвук способствует лучшему смачиванию частиц катализатора, что особенно полезно в системах с неподвижным слоем с орошаемым слоем, подачей суспензии или жидкофазным процессом.

• Уменьшение образования каналов потока в насыпных слоях: В исследованиях микронасыпных слоёв было показано, что ультразвук изменяет характер течения и уменьшает дисперсию, помогая приблизить режим работы реактора к более идеальному режиму вытеснения.
• Улучшенный теплоперенос: Акустические течения и турбулентность улучшают локальный отвод тепла, уменьшая горячие точки или холодные зоны в слое катализатора.
• Более высокая степень превращения и выход: Улучшая массоперенос и доступность катализатора, обработка ультразвуком может повышать скорость реакции, степень превращения и выход продукта, особенно когда реакция ограничена переносом, а не исключительно кинетикой.

Как обработка ультразвуком улучшает катализ в неподвижном слое?

Основной механизм – акустическая кавитация: ультразвуковые волны создают микроскопические пузырьки, которые растут и резко схлопываются. Их схлопывание вызывает локальный сдвиг, микроструи, ударные волны и интенсивное перемешивание. Вблизи поверхностей катализатора эти эффекты могут очищать, активировать и обновлять границу раздела твёрдой и жидкой фаз. В обзорах по сонокатализу это описывается как синергия ультразвука и твёрдых катализаторов, включающая улучшенный теплоперенос, массоперенос и локальные эффекты на каталитических поверхностях.

Обработка ультразвуком наиболее полезна, когда реакция в неподвижном слое затруднена следующими факторами:

• медленная диффузия в поры катализатора,
• плохое смачивание частиц катализатора,
• накопление продуктов внутри пор,
• накопление отложений или пассивация поверхности,
• кинетика, ограниченная массопереносом,
• неравномерное распределение многофазного потока,
• образование каналов потока в насыпном слое.

Катализаторы неподвижного слоя

Неподвижные слои (иногда также называемые насыпными слоями) обычно заполняют гранулированным катализатором, как правило, с диаметром гранул 1–5mm. Катализатор можно загружать в реактор в виде единого слоя, в отдельных оболочках или в трубах. Катализаторы преимущественно основаны на таких металлах, как никель, медь, осмий, платина и родий.
Воздействие мощного ультразвука на гетерогенные химические реакции хорошо известно и широко используется в промышленных каталитических процессах. Обработка ультразвуком также благоприятно влияет на каталитические реакции в реакторе с неподвижным слоем. Ультразвуковое облучение катализатора неподвижного слоя создаёт высокореакционноспособные поверхности, увеличивает массоперенос между жидкой фазой (реагентами) и катализатором и удаляет пассивирующие покрытия (например, оксидные слои) с поверхности.

Ультразвуковая интенсификация каталитических реакций

Ультразвуковое смешивание и перемешивание улучшает контакт между частицами реагента и катализатора, создаёт высокореакционноспособные поверхности и инициирует и/или усиливает химическую реакцию.
Ультразвуковая подготовка катализатора может вызывать изменения характера кристаллизации, диспергирования / деагломерации и свойств поверхности. Кроме того, на характеристики предварительно сформированных катализаторов можно влиять путём удаления пассивирующих поверхностных слоёв, улучшения диспергирования и усиления массопереноса.

Примеры реакций, улучшенных с помощью ультразвука

• Ультразвуковая предварительная обработка катализатора Ni для реакций гидрирования
• Обработка катализатора Ni Ренея ультразвуком с винной кислотой обеспечивает очень высокую энантиоселективность
• Катализаторы Фишера–Тропша, синтезированные с помощью ультразвука
• Сонохимическая обработка аморфных порошковых катализаторов для повышения реакционной способности
• Соносинтез аморфных металлических порошков

Ультразвуковое восстановление катализатора

Твёрдые катализаторы в реакторах с неподвижным слоем обычно используются в виде сферических шариков, гранул, экструдатов или цилиндрических частиц. Во время химических реакций поверхность катализатора может пассивироваться слоем отложений, что приводит к постепенной потере каталитической активности и/или селективности с течением времени.
Время дезактивации катализатора значительно варьируется. Например, дезактивация катализатора крекинга может происходить за секунды, тогда как железный катализатор, используемый для синтеза аммиака, может сохранять активность в течение 5–10 лет. Тем не менее дезактивация катализатора наблюдается практически во всех каталитических процессах. Хотя возможны различные механизмы дезактивации – включая химическую, механическую и термическую деградацию – накопление отложений является одной из наиболее распространённых причин ухудшения свойств катализатора.
Накопление отложений означает физическое осаждение веществ из текучей фазы на поверхности катализатора и внутри его пор. Эти отложения блокируют реакционноспособные центры, ограничивают доступность пор и уменьшают контакт между реагентами и активной поверхностью катализатора. Загрязнение катализатора коксом или углеродсодержащими отложениями часто происходит быстро; однако во многих случаях оно может быть частично или полностью устранено с помощью ультразвуковой регенерации.

Ультразвуковая кавитация – эффективный метод удаления пассивирующих слоёв отложений с поверхностей катализатора. Во время обработки ультразвуком высокоинтенсивный ультразвук создаёт кавитационные пузырьки в жидкой среде. Их схлопывание вызывает локальные силы сдвига, микроструи, ударные волны и интенсивное микроперемешивание. Эти эффекты помогают отделять остаточные отложения от поверхности катализатора, вновь открывать заблокированные поры и восстанавливать доступ к активным центрам.
Ультразвуковое восстановление катализатора обычно проводится путём диспергирования частиц катализатора в жидкости, например деионизированной воде или подходящем растворителе, и воздействия на суспензию контролируемой ультразвуковой обработкой. Этот процесс может удалять остаточные отложения с различных каталитических материалов, включая платиновые катализаторы на волокнах диоксида кремния, никелевые катализаторы и другие нанесённые металлические катализаторы. В результате обработка ультразвуком может способствовать регенерации катализатора, продлению срока его службы и повышению экологической устойчивости процесса.

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

Ультразвуковые аппараты для встраивания в химические реакторы

Hielscher Ultrasonics предлагает различные ультразвуковые процессоры и варианты исполнения для интеграции мощного ультразвука в реакторы с неподвижным слоем. Для установки в реакторы с неподвижным слоем доступны различные ультразвуковые системы. Для более сложных типов реакторов мы предлагаем индивидуальные ультразвуковые решения.
Узнайте, как обработка ультразвуком улучшает химические реакции в реакторах различных конструкций!
Чтобы проверить влияние обработки ультразвуком на вашу химическую реакцию, приглашаем вас посетить нашу лабораторию ультразвуковых процессов и технический центр в Тельтове!
Свяжитесь с нами сегодня! Мы будем рады обсудить с вами ультразвуковую интенсификацию вашего химического процесса!
В приведённой ниже таблице указана приблизительная производительность ультразвуковых аппаратов Hielscher: