Ultrazvočno intenzivirani reaktorji s fiksno plastjo
- Ultrazvočno mešanje in disperzija aktivira in okrepi katalitično reakcijo v reaktorjih s fiksno plastjo.
- Ultrazvočno razbijanje izboljša prenos mase in s tem poveča učinkovitost, stopnjo pretvorbe in donos.
- Dodatna prednost je odstranitev pasivizirajočih plasti obraščanja iz delcev katalizatorja z ultrazvočno kavitacijo.
Katalizatorji s fiksno plastjo
Fiksne plasti (včasih imenovane tudi pakirana postelja) so običajno obremenjene s katalizatorskimi peleti, ki so običajno granule s premerom od 1 do 5 mm. V reaktor se lahko naložijo v obliki ene postelje, kot ločene lupine ali v ceveh. Katalizatorji večinoma temeljijo na kovinah, kot so nikelj, baker, osmij, platina in rodij.
Učinki močnega ultrazvoka na heterogene kemijske reakcije so dobro znani in se pogosto uporabljajo za industrijske katalitične procese. Katalitične reakcije v reaktorju s fiksno plastjo lahko koristijo tudi ultrazvočni obdelavi. Ultrazvočno obsevanje katalizatorja s fiksno plastjo ustvarja visoko reaktivne površine, povečuje transport mase med tekočo fazo (reaktanti) in katalizatorjem ter odstranjuje pasivacijske prevleke (npr. oksidne plasti) s površine. Ultrazvočna fragmentacija krhkih materialov poveča površino in s tem prispeva k povečani aktivnosti.
Prednosti
- Izboljšana učinkovitost
- Povečana reaktivnost
- Povečana stopnja konverzije
- Višji donos
- Recikliranje katalizatorja
Ultrazvočna intenzifikacija katalitičnih reakcij
Ultrazvočno mešanje in mešanje izboljšuje stik med delci reaktanta in katalizatorja, ustvarja visoko reaktivne površine in sproži in / ali izboljša kemično reakcijo.
Ultrazvočna priprava katalizatorja lahko povzroči spremembe v obnašanju kristalizacije, disperziji / deaglomeraciji in površinskih lastnostih. Poleg tega lahko na lastnosti predhodno oblikovanih katalizatorjev vpliva odstranjevanje pasivizirajočih površinskih plasti, boljša disperzija, povečanje prenosa mase.
Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o ultrazvočnih učinkih na kemijske reakcije (sonokemija)!
Primeri
- Ultrazvočna predobdelava Ni katalizatorja za reakcije hidrogeniranja
- Sonicated Raney Ni katalizator z vinsko kislino povzroči zelo visoko enantioselektivnost
- Ultrazvočno pripravljeni Fischer-Tropschovi katalizatorji
- Sonokemično obdelani amorfni praškasti katalizatorji za povečano reaktivnost
- Sonosinteza amorfnih kovinskih prahov
Ultrazvočno izterjava katalizatorja
Trdni katalizatorji v reaktorjih s fiksno plastjo so večinoma v obliki šeričnih kroglic ali cilindričnih cevi. Med kemijsko reakcijo se površina katalizatorja pasivira z obraščajočo plastjo, kar sčasoma povzroči izgubo katalitične aktivnosti in/ali selektivnosti. Časovne lestvice za razpad katalizatorja se zelo razlikujejo. Medtem ko se na primer smrtnost katalizatorja zaradi krekinga lahko pojavi v nekaj sekundah, lahko železov katalizator, ki se uporablja pri sintezi amoniaka, traja 5–10 let. Vendar pa je deaktivacijo katalizatorja mogoče opaziti pri vseh katalizatorjih. Medtem ko je mogoče opaziti različne mehanizme (npr. kemične, mehanske, toplotne) deaktivacije katalizatorja, je obraščanje ena najpogostejših vrst razpada katalizatorja. Obraščanje se nanaša na fizično odlaganje vrst iz tekoče faze na površino in v pore katalizatorja, s čimer blokira reaktivna mesta. Obraščanje katalizatorja s koksom in ogljikom je hiter proces in ga je mogoče obrniti z regeneracijo (npr. ultrazvočno obdelavo).
Ultrazvočna kavitacija je uspešna metoda za odstranjevanje pasivizirajočih plasti obraščanja s površine katalizatorja. Ultrazvočna obnova katalizatorja se običajno izvede z ultrazvočnim razbijanjem delcev v tekočini (npr. Deionizirana voda), da se odstranijo ostanki obraščanja (npr. platina / silicijeva vlakna pt / SF, nikljevi katalizatorji).
Ultrazvočni sistemi
Hielscher Ultrasonics ponuja različne ultrazvočne procesorje in različice za integracijo ultrazvoka moči v reaktorje s fiksno posteljo. Na voljo so različni ultrazvočni sistemi za vgradnjo v reaktorje s fiksno posteljo. Za bolj kompleksne tipe reaktorjev ponujamo Prilagojena ultrazvočna Rešitve.
Če želite preizkusiti svojo kemično reakcijo pod ultrazvočnim sevanjem, vas vabimo, da obiščete naš ultrazvočni procesni laboratorij in tehnični center v Teltowu!
Kontaktirajte nas še danes! Z veseljem se bomo z vami pogovorili o ultrazvočni intenzifikaciji vašega kemičnega procesa!
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
Ultrazvočni pretočni sistem
- hidrogeniranje
- Alcylacija
- Cianina
- Eterifikacija
- esterifikacija
- polimerizacija
- Alilacija
- Bromacija
(npr. Ziegler-Nattovi katalizatorji, metaloceni)
Literatura/Reference
- Argyle, dr. med.; Bartholomew, C.H. (2015): Heterogena deaktivacija in regeneracija katalizatorja: pregled. Katalizatorji 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Pridobivanje niklja iz izrabljenih katalizatorjev Ni / Al2O3 z uporabo kislinskega izpiranja, kelacije in ultrazvočne razglasitve. Raziskovalna revija za nedavne znanosti, zvezek 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, K.R.; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, MS; Uppalaiah, K. (2012): Ultrazvočno podprta regioselektivna nitracija aromatskih spojin v prisotnosti določenih kovinskih soli skupine V in VI. Zelena in trajnostna kemija, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocataliza” V: Priročnik za heterogeno katalizo, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (ur.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Ultrazvočna kavitacija in sonokemija
Spajanje močnega ultrazvoka v tekočine in gnojevke povzroči akustična kavitacija. Akustična kavitacija se nanaša na pojav hitrega nastajanja, rasti in implozivnega propada praznin, napolnjenih s paro. To ustvarja zelo kratkotrajne "vroče točke" z ekstremnimi temperaturnimi vrhovi do 5000 K, zelo visokimi hitrostmi ogrevanja / hlajenja nad 109Ks-1in tlaki 1000 atm z ustreznimi diferenciali – vse v nanosekundni življenjski dobi.
Raziskovalno področje Sonokemija Raziskuje učinek ultrazvoka pri tvorbi akustične kavitacije v tekočinah, ki sproži in/ali poveča kemijsko aktivnost v raztopini.
Heterogene katalitične reakcije
V kemiji se heterogena kataliza nanaša na vrsto katalitične reakcije, kjer se faze katalizatorja in reaktantov med seboj razlikujejo. V kontekstu heterogene kemije se faza ne uporablja le za razlikovanje med trdno, tekočo in plinasto, ampak se nanaša tudi na tekočine, ki se ne mešajo, npr. olje in voda.
Med heterogeno reakcijo se eden ali več reaktantov kemično spremeni na vmesniku, npr. na površini trdnega katalizatorja.
Hitrost reakcije je odvisna od koncentracije reaktantov, velikosti delcev, temperature, katalizatorja in drugih dejavnikov.
Koncentracija reaktanta: Na splošno povečanje koncentracije reaktanta poveča hitrost reakcije zaradi večjega vmesnika in s tem večjega faznega prenosa med delci reaktanta.
Velikost delcev: Če je eden od reaktantov trdni delec, ga ni mogoče prikazati v enačbi hitrosti, saj enačba hitrosti prikazuje samo koncentracije, trdne snovi pa ne morejo imeti koncentracije, ker so v drugi fazi. Vendar pa velikost delcev trdne snovi vpliva na hitrost reakcije zaradi razpoložljive površine za prenos faze.
Reakcijska temperatura: Temperatura je povezana s konstanto hitrosti prek Arrheniusove enačbe: k = Ae-Ea/RT
Kjer je Ea aktivacijska energija, je R univerzalna plinska konstanta in T je absolutna temperatura v Kelvinih. A je Arrheniusov (frekvenčni) faktor. e-Ea/RT daje število delcev pod krivuljo, ki imajo energijo, večjo od aktivacijske energije, Ea.
Katalizator: V večini primerov se reakcije pojavijo hitreje s katalizatorjem, ker zahtevajo manj aktivacijske energije. Heterogeni katalizatorji zagotavljajo površino šablone, na kateri poteka reakcija, medtem ko homogeni katalizatorji tvorijo vmesne produkte, ki sproščajo katalizator v naslednjem koraku mehanizma.
Drugi dejavniki: Drugi dejavniki, kot je svetloba, lahko vplivajo na določene reakcije (fotokemija).
Nukleofilna substitucija
Nukleofilna substitucija je temeljni razred reakcij v organski (in anorganski) kemiji, v kateri se nukleofil selektivno veže v obliki Lewisove baze (kot donator elektronskega para) z organskim kompleksom z ali napade pozitiven ali delno pozitiven (+ve) naboj atoma ali skupine atomov, da nadomesti odhajajočo skupino. Pozitivni ali delno pozitivni atom, ki je akceptor elektronskih parov, se imenuje elektrofil. Celotna molekularna entiteta elektrofila in odhajajoča skupina se običajno imenuje substrat.
Nukleofilno substitucijo lahko opazimo kot dve različni poti – SN1 in SN2 reakcija. Katera oblika reakcijskega mehanizma – sN1 ali SN2 – poteka, je odvisno od strukture kemičnih spojin, vrste nukleofila in topila.
Vrste deaktivacije katalizatorja
- Zastrupitev s katalizatorjem je izraz za močno kemisorpcijo vrst na katalitičnih mestih, ki blokirajo mesta za katalitično reakcijo. Zastrupitev je lahko reverzibilna ali nepovratna.
- Obraščanje se nanaša na mehansko razgradnjo katalizatorja, kjer se vrste iz tekoče faze odlagajo na katalitično površino in v pore katalizatorja.
- Toplotna razgradnja in sintranje povzročita izgubo katalitske površine, podporne površine in aktivnih fazno-podpornih reakcij.
- Nastajanje hlapov pomeni kemično razgradno obliko, pri kateri plinska faza reagira s katalizatorsko fazo in nastane hlapne spojine.
- Reakcije para-trdna snov in trdna snov povzročijo kemično deaktivacijo katalizatorja. Para, podpora ali promotor reagirajo s katalizatorjem, tako da nastane neaktivna faza.
- Izčrpavanje ali drobljenje delcev katalizatorja povzroči izgubo katalitskega materiala zaradi mehanske obrabe. Notranja površina katalizatorja se izgubi zaradi mehansko povzročenega drobljenja delcev katalizatorja.