Ultrazvukovo zosilnené reaktory s pevným lôžkom
- Ultrazvukové miešanie a disperzia aktivuje a zintenzívňuje katalytickú reakciu v reaktoroch s pevným lôžkom.
- Sonikácia zlepšuje prenos hmoty a tým zvyšuje účinnosť, mieru premeny a výťažnosť.
- Ďalšou výhodou je odstránenie pasivačných znečisťujúcich vrstiev z častíc katalyzátora ultrazvukovou kavitáciou.
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.
Účinky výkonového ultrazvuku na heterogénne chemické reakcie sú dobre známe a široko používané v priemyselných katalytických procesoch. Katalytické reakcie v reaktore s pevným lôžkom môžu tiež ťažiť z ultrazvukovej úpravy. Ultrazvukové ožarovanie katalyzátora s pevným lôžkom vytvára vysoko reaktívne povrchy, zvyšuje transport hmoty medzi kvapalnou fázou (reaktanty) a katalyzátorom a odstraňuje pasivačné povlaky (napr. oxidové vrstvy) z povrchu. Ultrazvuková fragmentácia krehkých materiálov zväčšuje plochy povrchu a prispieva tak k zvýšenej aktivite.
Výhody
- Zvýšená efektivita
- Zvýšená reaktivita
- Zvýšený konverzný pomer
- Vyšší výnos
- Recyklácia katalyzátora
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.
Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukových účinkoch na chemické reakcie (sonochémia)!
Príklady
- Ultrazvuková predúprava Ni katalyzátora pre hydrogenačné reakcie
- Sonikovaný katalyzátor Raney Ni s kyselinou vínnou má za následok veľmi vysokú enantioselektivitu
- Ultrazvukom pripravené Fischer-Tropschove katalyzátory
- Sonochemicky upravené amorfné práškové katalyzátory pre zvýšenú reaktivitu
- Sonosyntéza práškov amorfných kovov
Ultrazvuková regenerácia katalyzátora
Tuhé katalyzátory v reaktoroch s pevným lôžkom sú väčšinou vo forme šerikálnych guľôčok alebo valcových rúrok. Počas chemickej reakcie je povrch katalyzátora pasivovaný znečistenou vrstvou, čo spôsobuje stratu katalytickej aktivity a/alebo selektivity v priebehu času. Časové škály rozpadu katalyzátora sa značne líšia. Zatiaľ čo napríklad katalyzátorová úmrtnosť krakovacieho katalyzátora sa môže vyskytnúť v priebehu niekoľkých sekúnd, katalyzátor železa používaný pri syntéze amoniaku môže trvať 5–10 rokov. Deaktiváciu katalyzátora však možno pozorovať pre všetky katalyzátory. Zatiaľ čo možno pozorovať rôzne mechanizmy (napr. chemické, mechanické, tepelné) deaktivácie katalyzátora, znečistenie je jedným z najčastejších typov rozpadu katalyzátora. Znečistenie sa vzťahuje na fyzické ukladanie druhov z tekutej fázy na povrch a v póroch katalyzátora, čím sa blokujú reaktívne miesta. Znečistenie katalyzátorom koksom a uhlíkom je rýchlo prebiehajúci proces a možno ho zvrátiť regeneráciou (napr. ultrazvukovým ošetrením).
Ultrazvuková kavitácia je úspešná metóda na odstránenie pasivačných vrstiev znečistenia z povrchu katalyzátora. Ultrazvukové zotavenie katalyzátora sa zvyčajne uskutočňuje sonikáciou častíc v kvapaline (napr. deionizovanej vode), aby sa odstránili zvyšky znečistenia (napr. platinové / kremičité vlákno pt/SF, niklové katalyzátory).
ultrazvukové systémy
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.
Ak chcete otestovať svoju chemickú reakciu pod ultrazvukovým žiarením, môžete navštíviť naše ultrazvukové procesné laboratórium a technické centrum v Teltow!
Kontaktujte nás ešte dnes! Radi s vami prediskutujeme ultrazvukovú intenzifikáciu vášho chemického procesu!
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
Ultrazvukový prietokový systém
- hydrogenácia
- Alcylácia
- Kyanácia
- Etherifikácia
- Esterifikácie
- polymerizácia
- Allylácia
- Brómovanie
(napr. Zieglerove-Nattove katalyzátory, metalokény)
Literatúra/Referencie
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Deaktivácia a regenerácia heterogénneho katalyzátora: prehľad. Katalyzátory 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Regenerácia niklu z použitých katalyzátorov Ni/Al2O3 pomocou kyslého lúhovania, chelácie a ultrazvuku. Výskumný časopis nedávnych vied, zv. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, K.R.; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, MS; Uppalaiah, K. (2012): Ultrazvukom asistovaná regioselektívna nitrácia aromatických zlúčenín v prítomnosti určitých kovových solí skupiny V a VI. Zelená a udržateľná chémia, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalýza” In: Príručka heterogénnej katalýzy, zv. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Ultrazvuková kavitácia a sonochémia
Spojenie silového ultrazvuku s kvapalinami a suspenziami má za následok akustická kavitácia. Akustická kavitácia sa vzťahuje na fenomén rýchlej tvorby, rastu a implozivného kolapsu dutín naplnených parou. To vytvára veľmi krátkodobé "horúce miesta" s extrémnymi teplotnými špičkami až 5000 K, veľmi vysokými rýchlosťami ohrevu / chladenia nad 109Ks-1a tlaky 1000 atm s príslušnými diferenciálmi – To všetko v rámci nanosekundového života.
Oblasť výskumu Sonochémia skúma účinok ultrazvuku pri tvorbe akustické kavitácie v kvapalinách, ktorá iniciuje a/alebo zvyšuje chemickú aktivitu v roztoku.
Heterogénne katalytické reakcie
V chémii sa heterogénna katalýza vzťahuje na typ katalytickej reakcie, kde sa fázy katalyzátora a reaktantov navzájom líšia. V kontexte heterogénnej chémie sa fáza nepoužíva len na rozlíšenie medzi pevnou látkou, kvapalinou a plynom, ale vzťahuje sa aj na nemiešateľné kvapaliny, napr. olej a voda.
Počas heterogénnej reakcie jeden alebo viac reaktantov podlieha chemickej zmene na rozhraní, napr. na povrchu pevného katalyzátora.
Rýchlosť reakcie závisí od koncentrácie reaktantov, veľkosti častíc, teploty, katalyzátora a ďalších faktorov.
Koncentrácia reaktantu: Vo všeobecnosti zvýšenie koncentrácie reaktantu zvyšuje rýchlosť reakcie v dôsledku väčšieho rozhrania a tým väčšieho prenosu fázy medzi časticami reaktantu.
Veľkosť častíc: Ak je jedným z reaktantov pevná častica, potom ju nemožno zobraziť v rovnici rýchlosti, pretože rovnica rýchlosti ukazuje iba koncentrácie a pevné látky nemôžu mať koncentráciu, pretože sú v inej fáze. Veľkosť častíc pevnej látky však ovplyvňuje rýchlosť reakcie v dôsledku dostupnej plochy povrchu pre prenos fázy.
Reakčná teplota: Teplota súvisí s rýchlostnou konštantou prostredníctvom Arrheniovej rovnice: k = Ae-Ea/RT
Kde Ea je aktivačná energia, R je univerzálna plynová konštanta a T je absolútna teplota v Kelvinoch. A je Arrheniov (frekvenčný) faktor. e-Ea/RT udáva počet častíc pod krivkou, ktoré majú energiu väčšiu ako aktivačná energia, Ea.
Katalyzátor: Vo väčšine prípadov prebiehajú reakcie s katalyzátorom rýchlejšie, pretože vyžadujú menej aktivačnej energie. Heterogénne katalyzátory poskytujú povrch templátu, na ktorom prebieha reakcia, zatiaľ čo homogénne katalyzátory tvoria medziprodukty, ktoré uvoľňujú katalyzátor počas nasledujúceho kroku mechanizmu.
Ďalšie faktory: Iné faktory, ako je svetlo, môžu ovplyvniť určité reakcie (fotochémia).
Nukleofilná substitúcia
Nukleofilná substitúcia je základná trieda reakcií v organickej (a anorganickej) chémii, pri ktorej sa nukleofil selektívne viaže vo forme Lewisovej bázy (ako donátor elektrónového páru) s organickým komplexom alebo útočí na kladný alebo čiastočne kladný (+ve) náboj atómu alebo skupiny atómov, aby nahradil odchádzajúcu skupinu. Kladný alebo čiastočne kladný atóm, ktorý je akceptorom elektrónových párov, sa nazýva elektrofil. Celá molekulárna entita elektrofilu a odchádzajúcej skupiny sa zvyčajne nazýva substrát.
Nukleofilnú substitúciu možno pozorovať ako dve rôzne dráhy – SN1 a SN2 reakcia. Aká forma reakčného mechanizmu – sN1 alebo SN2 – sa uskutočňuje, závisí od štruktúry chemických zlúčenín, typu nukleofila a rozpúšťadla.
Typy deaktivácie katalyzátora
- Otrava katalyzátorom je termín pre silnú chemisorpciu druhov na katalytických miestach, ktoré blokujú miesta pre katalytickú reakciu. Otrava môže byť reverzibilná alebo nezvratná.
- Znečistenie sa vzťahuje na mechanickú degradáciu katalyzátora, kde sa druhy z tekutej fázy ukladajú na katalytický povrch a v póroch katalyzátora.
- Tepelná degradácia a spekanie majú za následok stratu katalytického povrchu, podpornej plochy a aktívnych fázových podporných reakcií.
- Tvorba pár znamená chemickú degradačnú formu, kde plynná fáza reaguje s katalyzátorovou fázou za vzniku prchavých zlúčenín.
- Reakcie para-pevná látka a pevná látka-pevná látka majú za následok chemickú deaktiváciu katalyzátora. Para, podpora alebo promótor reagujú s katalyzátorom tak, že vzniká neaktívna fáza.
- Opotrebovanie alebo drvenie častíc katalyzátora má za následok stratu katalytického materiálu v dôsledku mechanického oderu. Vnútorný povrch katalyzátora sa stráca v dôsledku mechanicky vyvolaného drvenia častíc katalyzátora.