Ultrazvukovo zosilnené reaktory s pevným lôžkom

Ultrazvukové ožiarenie môže zlepšiť katalytické reakcie v reaktoroch s pevným ložom najmä prostredníctvom zintenzívnenia prenosu hmoty v okolí a vnútri náplne katalyzátora. Okrem toho ultrazvukové ožiarenie odstraňuje pasivačné a znečisťujúce vrstvy z povrchu katalyzátora, čím dochádza k jeho nepretržitej regenerácii.

Ako ultrazvuk zlepšuje katalýzu na pevnom loži

V reaktore s pevným ložom zostávajú častice katalyzátora nehybné, zatiaľ čo kvapalné, plynné alebo viacfázové reaktanty pretekajú ložom. Výkonnosť reakcie je často obmedzovaná vonkajším prenosom hmoty, difúziou v póroch, kanálovaním, zanášaním a gradientmi prenosu tepla. Ultrazvuk môže zmierniť viaceré z týchto obmedzení vytváraním akustickej kavitácie, mikroprúdenia, šmykových síl a tlakových oscilácií.

Kľúčové účinky reakcií s pevným ložom zintenzívnených ultrazvukom

• Zlepšený prenos hmoty s vonkajším prostredím: Ultrazvukové mikroprúdenie znižuje rozsah stagnujúcej medznej vrstvy okolo častíc katalyzátora, čím umožňuje reaktantom efektívnejšie dosiahnuť aktívne miesta.
• Zlepšená prístupnosť pórov: Kolísania tlaku a pohyb kvapaliny vyvolané kavitáciou môžu zlepšiť prenikanie reaktantov do pórov katalyzátora a odstraňovanie produktov z pórov.
• Obmedzenie usadzovania nečistôt a pasivácia: Ultrazvukové ožiarenie môže pomôcť odstrániť usadeniny, polymérne vrstvy, prekurzory koksu alebo iné pasivačné vrstvy z povrchov katalyzátorov, čím sa na dlhší čas zachová katalytická aktivita.

Lepší kontakt medzi kvapalinou a pevnou látkou: Ultrazvuk prispieva k lepšiemu zvlhčeniu častíc katalyzátora, čo je obzvlášť užitočné v systémoch s kvapkovým ložom, so zásobovaním suspenzou alebo v systémoch s pevným ložom v kvapalnej fáze.

• Znížené vytváranie kanálikov v upchatých ložiskách: V štúdiách s mikropakovaným ložiskom sa preukázalo, že ultrazvuk mení správanie toku a znižuje disperziu, čím pomáha reaktoru priblížiť sa k ideálnejšiemu správaniu s plošným tokom.
• Zlepšený prenos tepla: Akustické prúdenie a turbulencia zlepšujú lokálny odvod tepla, čím sa znižuje výskyt horúcich bodov alebo studených zón v katalytickom loži.
• Vyššia konverzia a výnos: Vďaka zlepšeniu prenosu hmoty a dostupnosti katalyzátora môže ultrazvukové ožiarenie zvýšiť rýchlosť reakcie, konverziu a výťažok produktu, najmä ak je reakcia obmedzená skôr transportom než čisto kineticky.

Ako sonikácia zlepšuje katalýzu na pevnom loži?

Hlavným mechanizmom je akustická kavitácia: ultrazvukové vlny vytvárajú mikroskopické bubliny, ktoré rastú a prudko kolabujú. Ich kolaps vyvoláva lokálne šmykové napätie, mikroprúdy, rázové vlny a intenzívne premiešavanie. V blízkosti povrchov katalyzátorov môžu tieto účinky čistiť, aktivovať a obnovovať rozhranie medzi pevnou látkou a kvapalinou. Prehľady týkajúce sa sonokatalýzy to opisujú ako synergiu medzi ultrazvukom a pevnými katalyzátormi, ktorá zahŕňa zlepšený prenos tepla, prenos hmoty a lokalizované účinky na katalytických povrchoch.

Ultrazvuková úprava je najúčinnejšia v prípadoch, keď reakcia v pevnom loži trpí:

• pomalá difúzia do pórov katalyzátora,
• nedostatočné zmáčanie častíc katalyzátora,
• nahromadenie produktu vo vnútri pórov,
• znečistenie alebo pasivácia povrchu,
• kinetika obmedzená prenosom hmoty,
• nerovnomerné rozdelenie viacfázového prúdenia,
• prúdenie cez upchaté lože.

Katalyzátory s pevným lôžkom

Pevné lôžka (niekedy nazývané aj balené lôžko) sú bežne zaťažené katalyzátorovými peletami, čo sú zvyčajne granule s priemerom od 1 do 5 mm. Môžu byť vložené do reaktora vo forme jedného lôžka, ako samostatné škrupiny alebo v rúrkach. Katalyzátory sú väčšinou založené na kovoch ako nikel, meď, osmium, platina a ródium.
Vplyv výkonného ultrazvuku na heterogénne chemické reakcie je dobre známy a široko sa využíva v priemyselných katalytických procesoch. Aj katalytické reakcie v reaktore s pevným ložom ťažia z ožiarenia ultrazvukom. Ultrazvukové ožiarenie katalyzátora s pevným ložom vytvára vysoko reaktívne povrchy, zvyšuje prenos hmoty medzi kvapalnou fázou (reaktantmi) a katalyzátorom a odstraňuje pasivačné povlaky (napr. oxidové vrstvy) z povrchu.

Ultrazvuková intenzifikácia katalytických reakcií

Ultrazvukové miešanie a miešanie zlepšuje kontakt medzi časticami reaktantu a katalyzátora, vytvára vysoko reaktívne povrchy a iniciuje a/alebo zvyšuje chemickú reakciu.
Príprava ultrazvukového katalyzátora môže spôsobiť zmeny v kryštalizačnom správaní, disperzii / deaglomerácii a povrchových vlastnostiach. Okrem toho môžu byť vlastnosti predtvarovaných katalyzátorov ovplyvnené odstránením pasivačných povrchových vrstiev, lepšou disperziou, zvýšením prenosu hmoty.

Príklady reakcií vylepšených pomocou ultrazvuku

• Ultrazvuková predúprava Ni katalyzátora pre hydrogenačné reakcie
• Sonikovaný katalyzátor Raney Ni s kyselinou vínnou má za následok veľmi vysokú enantioselektivitu
• Ultrazvukom syntetizované Fischer-Tropschove katalyzátory
• Sonochemicky upravené amorfné práškové katalyzátory pre zvýšenú reaktivitu
• Sonosyntéza práškov amorfných kovov

Ultrazvuková regenerácia katalyzátora

Pevné katalyzátory v reaktoroch s pevným ložom sa bežne používajú vo forme guľovitých guličiek, peliet, extrudátov alebo valcovitých častíc. Počas chemických reakcií môže dôjsť k pasivácii povrchu katalyzátora v dôsledku usadzovania znečisťujúcej vrstvy, čo v priebehu času vedie k postupnej strate katalytickej aktivity a/alebo selektivity.
Časový priebeh deaktivácie katalyzátora sa značne líši. Napríklad deaktivácia katalyzátora pri krakovaní môže nastať v priebehu niekoľkých sekúnd, zatiaľ čo katalyzátor na báze železa používaný pri syntéze amoniaku môže zostať aktívny 5–10 rokov. Deaktivácia katalyzátora sa však vyskytuje prakticky vo všetkých katalytických procesoch. Hoci môžu nastať rôzne mechanizmy deaktivácie – vrátane chemickej, mechanickej a tepelnej degradácie – Ukladanie usadenín je jednou z najčastejších príčin zhoršenia účinnosti katalyzátora.
Pod pojmom „znečistenie“ sa rozumie fyzické usadzovanie látok z kvapalnej fázy na povrchu katalyzátora a vo vnútri jeho pórov. Tieto usadeniny blokujú reaktívne miesta, obmedzujú prístupnosť pórov a znižujú kontakt medzi reaktantmi a aktívnym povrchom katalyzátora. Zanášanie katalyzátora koksom alebo uhlíkatými usadeninami je často rýchly proces; v mnohých prípadoch ho však možno čiastočne alebo úplne zvrátiť pomocou ultrazvukovej regenerácie.

Ultrazvuková kavitácia je účinná metóda na odstraňovanie pasivujúcich usadenín z povrchov katalyzátorov. Počas sonikácie vytvára vysokointenzívny ultrazvuk v kvapalnom prostredí kavitačné bubliny. Ich kolaps spôsobuje lokálne šmykové sily, mikroprúdy, rázové vlny a intenzívne mikromiešanie. Tieto účinky pomáhajú odstraňovať usadeniny z povrchu katalyzátora, opäť otvárať upchaté póry a obnovovať prístup k aktívnym miestam.
Regenerácia katalyzátora pomocou ultrazvuku sa zvyčajne vykonáva tak, že sa častice katalyzátora dispergujú v kvapaline, napríklad v deionizovanej vode alebo vhodnom rozpúšťadle, a suspenzia sa vystaví kontrolovanému pôsobeniu ultrazvuku. Týmto procesom je možné odstrániť usadeniny z rôznych katalytických materiálov, vrátane katalyzátorov na báze platiny a kremičitých vlákien, niklových katalyzátorov a iných katalyzátorov s kovovým nosičom. V dôsledku toho môže ultrazvuková úprava prispieť k regenerácii katalyzátora, predĺženiu jeho životnosti a zlepšeniu udržateľnosti procesu.

Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukovej regenerácii vyhorených katalyzátorov!

Ultrazvukové zariadenia určené na integráciu do chemických reaktorov

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne ultrazvukové procesory a variácie na integráciu výkonového ultrazvuku do reaktorov s pevným lôžkom. Do reaktorov s pevným lôžkom sú k dispozícii rôzne ultrazvukové systémy. Pre zložitejšie typy reaktorov ponúkame prispôsobený ultrazvuk roztoky.
Zistite, ako ultrazvuk zlepšuje chemické reakcie v rôznych typoch reaktorov!
Ak chcete otestovať vplyv ultrazvuku na vašu chemickú reakciu, srdečne vás pozývame na návštevu nášho laboratória pre ultrazvukové procesy a technického centra v Teltowe!
Kontaktujte nás ešte dnes! Radi s vami prediskutujeme ultrazvukovú intenzifikáciu vášho chemického procesu!
V nasledujúcej tabuľke nájdete približnú kapacitu spracovania sonikátorov Hielscher: