Ultrazvukovo zosilnené reaktory s pevným lôžkom
Sonication can improve catalytic reactions in fixed-bed reactors mainly by intensifying mass transfer around and inside the packed catalyst bed. Additionally, sonication removes passivation and fouling layers from the catalyst surface thereby continuously regenerating the catalyst.
How Sonication Improves Fixed-Bed Catalysis
In a fixed-bed reactor, the catalyst particles remain stationary while liquid, gas, or multiphase reactants flow through the bed. Reaction performance is often limited by external mass transfer, pore diffusion, channeling, fouling, and heat-transfer gradients. Ultrasound can reduce several of these limitations by generating acoustic cavitation, microstreaming, shear forces, and pressure oscillations.
Sonicator UIP2000hdT integrated in a fixed bed reactor
Key Effects of Ultrasonically-Intensified Fixed Bed Reactions
- Improved external mass transfer: Ultrasonic microstreaming reduces the stagnant boundary layer around catalyst particles, allowing reactants to reach active sites more efficiently.
- Enhanced pore accessibility: Cavitation-induced pressure fluctuations and liquid movement can improve penetration of reactants into catalyst pores and removal of products from pores.
- Reduction of fouling and passivation: Sonication can help remove deposits, polymer films, coke precursors, or other passivating layers from catalyst surfaces, maintaining catalytic activity for longer.
- Reduced channeling in packed beds: In micropacked-bed studies, ultrasound has been shown to modify flow behavior and reduce dispersion, helping the reactor approach more ideal plug-flow behavior.
- Zlepšený prenos tepla: Acoustic streaming and turbulence improve local heat dissipation, reducing hot spots or cold zones in the catalyst bed.
- Higher conversion and yield: By improving mass transfer and catalyst accessibility, sonication can increase reaction rate, conversion, and product yield, especially when the reaction is transport-limited rather than purely kinetically limited.
Improved liquid-solid contact: Ultrasound promotes better wetting of catalyst particles, which is especially useful in trickle-bed, slurry-fed, or liquid-phase fixed-bed systems.
How does Sonication Improve Fixed Bed Catalysis?
The main mechanism is acoustic cavitation: ultrasonic waves create microscopic bubbles that grow and collapse violently. Their collapse generates local shear, microjets, shockwaves, and intense mixing. Near catalyst surfaces, these effects can clean, activate, and refresh the solid-liquid interface. Reviews of sonocatalysis describe this as a synergy between ultrasound and solid catalysts, involving improved heat transfer, mass transfer, and localized effects at catalytic surfaces.
Sonication is most beneficial when the fixed-bed reaction suffers from:
- slow diffusion into catalyst pores,
- poor wetting of catalyst particles,
- product accumulation inside pores,
- fouling or surface passivation,
- mass-transfer-limited kinetics,
- multiphase flow maldistribution,
- channeling through the packed bed.
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.
The effects of power ultrasound on heterogeneous chemical reactions are well known and widely used for industrial catalytic processes. Catalytic reactions in a fixed bed reactor benefit from sonication treatment, too. Ultrasonic irradiation of the fixed bed catalyst generates highly reactive surfaces, increases the mass transport between liquid phase (reactants) and catalyst, and removes passivating coatings (e.g. oxide layers) from the surface.
- 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.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- Ultrazvuková predúprava Ni katalyzátora pre hydrogenačné reakcie
- Sonikovaný katalyzátor Raney Ni s kyselinou vínnou má za následok veľmi vysokú enantioselektivitu
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- Sonochemicky upravené amorfné práškové katalyzátory pre zvýšenú reaktivitu
- Sonosyntéza práškov amorfných kovov
Ultrazvuková regenerácia katalyzátora
Solid catalysts in fixed-bed reactors are commonly used in the form of spherical beads, pellets, extrudates, or cylindrical particles. During chemical reactions, the catalyst surface can become passivated by a fouling layer, resulting in a gradual loss of catalytic activity and/or selectivity over time.
The timescale of catalyst deactivation varies considerably. For example, the deactivation of a cracking catalyst may occur within seconds, whereas an iron catalyst used in ammonia synthesis may remain active for 5–10 years. Nevertheless, catalyst deactivation is observed in virtually all catalytic processes. Although different deactivation mechanisms can occur – including chemical, mechanical, and thermal degradation – fouling is one of the most common causes of catalyst decay.
Fouling refers to the physical deposition of species from the fluid phase onto the catalyst surface and within its pores. These deposits block reactive sites, restrict pore accessibility, and reduce contact between reactants and the active catalyst surface. Catalyst fouling by coke or carbonaceous deposits is often a rapid process; however, in many cases it can be partially or fully reversed by ultrasonic regeneration.
Ultrasonic cavitation is an effective method for removing passivating fouling layers from catalyst surfaces. During sonication, high-intensity ultrasound generates cavitation bubbles in a liquid medium. Their collapse produces localized shear forces, microjets, shock waves, and intense micro-mixing. These effects help detach fouling residues from the catalyst surface, reopen blocked pores, and restore access to active sites.
Ultrasonic catalyst recovery is typically carried out by dispersing the catalyst particles in a liquid, such as deionized water or a suitable solvent, and exposing the suspension to controlled ultrasonic treatment. This process can remove fouling residues from various catalyst materials, including platinum/silica fibre catalysts, nickel catalysts, and other supported metal catalysts. As a result, sonication can contribute to catalyst regeneration, extended catalyst lifetime, and improved process sustainability.
Click here to learn more about the ultrasonic regeneration of spent catalysts!
Sonicators for the Integration into Chemical Reactors
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.
Learn how sonication improves chemical reactions in various reactor designs!
To test the effects of sonication on your chemical reaction, you are welcome to visit our ultrasonic process lab and technical center in Teltow!
Kontaktujte nás ešte dnes! Radi s vami prediskutujeme ultrazvukovú intenzifikáciu vášho chemického procesu!
V nasledujúcej tabuľke nájdete približnú kapacitu spracovania sonikátorov Hielscher:
- hydrogenácia
- Alcylácia
- Kyanácia
- Etherifikácia
- Esterifikácie
- polymerizácia
- Allylácia
- Brómovanie
(napr. Zieglerove-Nattove katalyzátory, metalokény)
Literatúra / Referencie
- Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Heterogeneous Catalyst Deactivation and Regeneration: A Review. Catalysts 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Recovery of Nickel from Spent Ni/Al2O3 Catalysts using Acid Leaching, Chelation and Ultrasonication. Research Journal of Recent Sciences Vol. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, K.R.; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, M.S.; Uppalaiah, K. (2012): Ultrasonically Assisted Regioselective Nitration of Aromatic Compounds in Presence of Certain Group V and VI Metal Salts. Green and Sustainable Chemistry, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” In: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Čo je ultrazvuková kavitácia?
Ultrasonic cavitation is the formation, growth and violent collapse of microscopic vapor or gas bubbles in a liquid exposed to high-intensity ultrasound. During bubble collapse, extreme local conditions can occur for very short times, including high temperature, high pressure, shock waves, microjets and intense shear forces.
Čo je sonochémia?
Sonochemistry is the use of these ultrasonic cavitation effects to initiate, accelerate or modify chemical and physicochemical processes. It is especially relevant in liquid-phase systems because cavitation enhances mixing, mass transfer, emulsification, particle dispersion, catalyst surface cleaning and, in some cases, radical formation. As a result, sonochemistry is used to intensify reactions such as heterogeneous catalysis, oxidation, extraction, polymerization, crystallization and nanomaterial synthesis.
What is a Heterogeneous Catalytic Reaction?
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).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- 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.
Read more about how sonication can reactivate spent catalysts!
What is Nucleophilic Substitution?
Nucleophilic substitution is a fundamental class of reactions in organic (and inorganic) chemistry, in which a nucleophile selectively bonds in form of a Lewis base (as electron pair donator) with an organic complex with or attacks the positive or partially positive (+) charge of an atom or a group of atoms to replace a leaving group. The positive or partially positive atom, which is the electron pair acceptor, is called an electrophile. The whole molecular entity of the electrophile and the leaving group is usually called the substrate.
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.

