Reaktorë me shtrat fiks të intensifikuar me ultratinguj
Sonikimi mund të përmirësojë reaksionet katalitike në reaktorët me shtrat fiks, kryesisht duke intensifikuar transferimin e masës përreth dhe brenda shtratit të mbushur me katalizator. Gjithashtu, sonikimi largon shtresat e pasivizimit dhe të ndotjes nga sipërfaqja e katalizatorit, duke e rigjeneruar kështu vazhdimisht katalizatorin.
Si e përmirëson sonikimi katalizën në shtrat fiks
Në një reaktor me shtrat fiks, grimcat e katalizatorit qëndrojnë të palëvizshme, ndërsa reaktantët e lëngshëm, të gaztë ose shumëfazorë rrjedhin nëpër shtrat. Performanca e reaksionit shpesh kufizohet nga transferimi i jashtëm i masës, difuzioni në pore, formimi i kanaleve preferenciale të rrjedhjes, ndotja nga depozitimet dhe gradientët e transferimit të nxehtësisë. Ultratingujt mund të zvogëlojnë disa prej këtyre kufizimeve duke gjeneruar kavitacion akustik, mikrorryma, forca prerëse dhe luhatje të presionit.
Sonikatori UIP2000hdT i integruar në një reaktor me shtrat fiks
Efektet kryesore të reaksioneve në shtrat fiks të intensifikuara me ultratinguj
- Transferim i jashtëm i përmirësuar i masës: Mikrorrymat ultrasonike zvogëlojnë shtresën kufitare të ndenjur përreth grimcave të katalizatorit, duke u mundësuar reaktantëve të arrijnë më me efikasitet në qendrat aktive.
- Qasshmëri e përmirësuar e poreve: Luhatjet e presionit të shkaktuara nga kavitacioni dhe lëvizja e lëngut mund të përmirësojnë depërtimin e reaktantëve në poret e katalizatorit dhe largimin e produkteve nga poret.
- Zvogëlim i ndotjes nga depozitimet dhe i pasivizimit: Sonikimi mund të ndihmojë në largimin e depozitimeve, filmave polimerikë, pararendësve të koksit ose shtresave të tjera pasivizuese nga sipërfaqet e katalizatorit, duke ruajtur aktivitetin katalitik për më gjatë.
- Zvogëlim i formimit të kanaleve preferenciale të rrjedhjes në shtretërit e mbushur: Në studimet mbi mikroshtretërit e mbushur, është treguar se ultratingujt ndryshojnë sjelljen e rrjedhjes dhe zvogëlojnë dispersionin, duke ndihmuar që reaktori t’i afrohet një sjelljeje më ideale të rrjedhjes piston.
- Transferim i përmirësuar i nxehtësisë: Rrymat akustike dhe turbulenca përmirësojnë shpërndarjen lokale të nxehtësisë, duke zvogëluar pikat e nxehta ose zonat e ftohta në shtratin e katalizatorit.
- Konvertim dhe rendiment më të lartë: Duke përmirësuar transferimin e masës dhe qasshmërinë e katalizatorit, sonikimi mund të rrisë shpejtësinë e reaksionit, konvertimin dhe rendimentin e produktit, veçanërisht kur reaksioni kufizohet nga transporti dhe jo vetëm nga kinetika.
Kontakt i përmirësuar lëng–ngurtë: Ultratingujt nxisin lagie më të mirë të grimcave të katalizatorit, gjë që është veçanërisht e dobishme në sistemet me shtrat fiks me rrjedhje pikluese, me ushqim në formë suspensioni ose me fazë të lëngshme.
Si e përmirëson sonikimi katalizën në shtrat fiks?
Mekanizmi kryesor është kavitacioni akustik: valët ultrasonike krijojnë flluska mikroskopike që rriten dhe shemben vrullshëm. Shembja e tyre gjeneron forca prerëse lokale, mikrorryma në formë currilash, valë goditëse dhe përzierje intensive. Pranë sipërfaqeve të katalizatorit, këto efekte mund të pastrojnë, aktivizojnë dhe ripërtërijnë ndërfaqen ngurtë–lëng. Artikujt përmbledhës mbi sonokatalizën e përshkruajnë këtë si një sinergji midis ultratingujve dhe katalizatorëve të ngurtë, e cila përfshin përmirësimin e transferimit të nxehtësisë dhe të masës, si dhe efekte të lokalizuara në sipërfaqet katalitike.
Sonikimi është më i dobishëm kur reaksioni në shtrat fiks vuan nga:
- difuzioni i ngadaltë në poret e katalizatorit,
- lagia e dobët e grimcave të katalizatorit,
- grumbullimi i produktit brenda poreve,
- ndotja nga depozitimet ose pasivizimi i sipërfaqes,
- kinetika e kufizuar nga transferimi i masës,
- shpërndarja e pabarabartë e rrjedhjes shumëfazore,
- formimi i kanaleve preferenciale të rrjedhjes nëpër shtratin e mbushur.
Katalizatorë me shtrat fiks
Shtretërit fiksë (ndonjëherë të quajtur edhe shtretër të mbushur) zakonisht mbushen me peleta katalizatori, të cilat zakonisht janë granula me diametra nga 1–5mm. Ato mund të ngarkohen në reaktor si një shtrat i vetëm, në mbështjellje të veçanta ose në tuba. Katalizatorët kryesisht bazohen në metale si nikeli, bakri, osmiumi, platini dhe rodiumi.
Efektet e ultratingujve me fuqi të lartë në reaksionet kimike heterogjene njihen mirë dhe përdoren gjerësisht në proceset katalitike industriale. Edhe reaksionet katalitike në një reaktor me shtrat fiks përfitojnë nga trajtimi me sonikim. Rrezatimi ultrasonik i katalizatorit me shtrat fiks gjeneron sipërfaqe shumë reaktive, rrit transportin e masës midis fazës së lëngshme (reaktantëve) dhe katalizatorit dhe largon veshjet pasivizuese (p.sh. shtresat e oksideve) nga sipërfaqja.
Sonikatori UIP1500hdT me qelizë rrjedhjeje për riaktivizimin dhe riciklimin e katalizatorëve të konsumuar
- Efikasitet i përmirësuar
- Reaktivitet i rritur
- Shpejtësi e rritur e konvertimit
- Rendiment më i lartë
- Riciklimi i katalizatorit
Intensifikimi i reaksioneve katalitike me ultratinguj
Përzierja dhe trazimi me ultratinguj përmirësojnë kontaktin ndërmjet grimcave të reaktantëve dhe të katalizatorit, krijojnë sipërfaqe shumë reaktive dhe nisin dhe/ose përforcojnë reaksionin kimik.
Përgatitja e katalizatorëve me ultratinguj mund të shkaktojë ndryshime në sjelljen gjatë kristalizimit, në shpërndarjen / deaglomerimin dhe në vetitë e sipërfaqes. Për më tepër, karakteristikat e katalizatorëve të formuar paraprakisht mund të ndikohen nga heqja e shtresave sipërfaqësore pasivizuese, shpërndarja më e mirë dhe rritja e transferimit të masës.
Shembuj të reaksioneve të përmirësuara me ultratinguj
- Paratrajtimi me ultratinguj i katalizatorit Ni për reaksionet e hidrogjenimit
- Katalizatori Raney Ni i trajtuar me sonikim me acid tartarik jep një enantioselektivitet shumë të lartë
- Katalizatorë Fischer-Tropsch të sintetizuar me ultratinguj
- Katalizatorë në formë pluhuri amorf të trajtuar në mënyrë sonokimike për reaktivitet të rritur
- Sonosinteza e pluhurave metalike amorfe
Rikuperimi i katalizatorëve me ultratinguj
Katalizatorët e ngurtë në reaktorët me shtrat fiks përdoren zakonisht në formën e rruazave sferike, peletave, ekstrudateve ose grimcave cilindrike. Gjatë reaksioneve kimike, sipërfaqja e katalizatorit mund të pasivizohet nga një shtresë depozitimesh, duke sjellë një humbje graduale të aktivitetit katalitik dhe/ose selektivitetit me kalimin e kohës.
Kohëzgjatja e çaktivizimit të katalizatorit ndryshon ndjeshëm. Për shembull, çaktivizimi i një katalizatori të krakingut mund të ndodhë brenda disa sekondave, ndërsa një katalizator hekuri i përdorur në sintezën e amoniakut mund të mbetet aktiv për 5–10 vjet. Megjithatë, çaktivizimi i katalizatorit vërehet pothuajse në të gjitha proceset katalitike. Edhe pse mund të ndodhin mekanizma të ndryshëm çaktivizimi – përfshirë degradimin kimik, mekanik dhe termik – ndotja nga depozitimet është një nga shkaqet më të zakonshme të degradimit të katalizatorit.
Ndotja nga depozitimet i referohet depozitimit fizik të specieve nga faza fluide mbi sipërfaqen e katalizatorit dhe brenda poreve të tij. Këto depozitime bllokojnë qendrat reaktive, kufizojnë qasjen në pore dhe zvogëlojnë kontaktin ndërmjet reaktantëve dhe sipërfaqes aktive të katalizatorit. Ndotja e katalizatorit nga koksi ose depozitimet karbonike është shpesh një proces i shpejtë; megjithatë, në shumë raste ajo mund të zhbëhet pjesërisht ose plotësisht me rigjenerim me ultratinguj.
Kavitacioni ultrasonik është një metodë efektive për heqjen e shtresave pasivizuese të depozitimeve nga sipërfaqet e katalizatorëve. Gjatë sonikimit, ultratingujt me intensitet të lartë krijojnë flluska kavitacioni në një mjedis të lëngshëm. Kolapsi i tyre prodhon forca prerëse të lokalizuara, mikrorryma në formë currilash, valë goditëse dhe mikropërzierje intensive. Këto efekte ndihmojnë në shkëputjen e mbetjeve të depozitimeve nga sipërfaqja e katalizatorit, rihapjen e poreve të bllokuara dhe rikthimin e qasjes në qendrat aktive.
Rikuperimi i katalizatorëve me ultratinguj kryhet zakonisht duke shpërndarë grimcat e katalizatorit në një lëng, si uji i dejonizuar ose një tretës i përshtatshëm, dhe duke e ekspozuar pezullinë ndaj një trajtimi të kontrolluar me ultratinguj. Ky proces mund të largojë mbetjet e depozitimeve nga materiale të ndryshme katalitike, përfshirë katalizatorët prej platini/fibrash silici, katalizatorët e nikelit dhe katalizatorë të tjerë metalikë mbi mbartës. Si rezultat, sonikimi mund të kontribuojë në rigjenerimin e katalizatorit, zgjatjen e jetëgjatësisë së tij dhe përmirësimin e qëndrueshmërisë së procesit.
Sonikatorë për integrim në reaktorë kimikë
Hielscher Ultrasonics ofron procesorë të ndryshëm ultrasonikë dhe variante për integrimin e ultratingujve me fuqi të lartë në reaktorë me shtrat fiks. Sisteme të ndryshme ultrasonike janë të disponueshme për instalim në reaktorë me shtrat fiks. Për lloje më komplekse reaktorësh, ofrojmë zgjidhje ultrasonike të personalizuara.
Mësoni se si sonikimi përmirëson reaksionet kimike në reaktorë me projektime të ndryshme!
Për të testuar efektet e sonikimit në reaksionin tuaj kimik, jeni të mirëpritur të vizitoni laboratorin tonë të proceseve me ultratinguj dhe qendrën teknike në Teltow!
Na kontaktoni sot! Do të na pëlqente të diskutonim me ju intensifikimin e procesit tuaj kimik me ultratinguj!
Tabela më poshtë jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të sonikatorëve Hielscher:
Sistem rrjedhjeje me ultratinguj
- Hidrogjenimi
- Alkilimi
- Cianimi
- Eterifikimi
- Esterifikimi
- Polimerizimi
- Alilimi
- Bromimi
(p.sh. katalizatorët Ziegler-Natta, metalocenet)
Literatura / Referencat
- 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.
Fakte që ia vlen të njihni
Çfarë është kavitacioni tejzanor?
Kavitacioni tejzanor është formimi, rritja dhe shembja e vrullshme e flluskave mikroskopike të avullit ose gazit në një lëng të ekspozuar ndaj ultratingujve me intensitet të lartë. Gjatë shembjes së flluskave, për kohë shumë të shkurtra mund të krijohen kushte lokale ekstreme, duke përfshirë temperaturë të lartë, presion të lartë, valë goditëse, mikrorryma në formë currilash dhe forca të forta prerëse.
Çfarë është sonokimia?
Sonokimia është përdorimi i këtyre efekteve të kavitacionit tejzanor për të nisur, përshpejtuar ose modifikuar procese kimike dhe fizikokimike. Ajo ka rëndësi të veçantë në sistemet me fazë të lëngët, sepse kavitacioni përmirëson përzierjen, transferimin e masës, emulsifikimin, shpërndarjen e grimcave, pastrimin e sipërfaqes së katalizatorit dhe, në disa raste, formimin e radikaleve. Si rrjedhojë, sonokimia përdoret për të intensifikuar reaksione të tilla si kataliza heterogjene, oksidimi, ekstraktimi, polimerizimi, kristalizimi dhe sinteza e nanomaterialeve.
Çfarë është një reaksion katalitik heterogjen?
Në kimi, kataliza heterogjene i referohet llojit të reaksionit katalitik në të cilin fazat e katalizatorit dhe të reaktantëve ndryshojnë nga njëra-tjetra. Në kontekstin e kimisë heterogjene, faza nuk përdoret vetëm për të dalluar gjendjen e ngurtë, të lëngët dhe të gaztë, por i referohet edhe lëngjeve që nuk përzihen me njëri-tjetrin, p.sh. vajit dhe ujit.
Gjatë një reaksioni heterogjen, një ose më shumë reaktantë pësojnë një ndryshim kimik në një ndërfaqe, p.sh. në sipërfaqen e një katalizatori të ngurtë.
Shpejtësia e reaksionit varet nga përqendrimi i reaktantëve, madhësia e grimcave, temperatura, katalizatori dhe faktorë të tjerë.
Përqendrimi i reaktantit: Në përgjithësi, rritja e përqendrimit të një reaktanti rrit shpejtësinë e reaksionit për shkak të ndërfaqes më të madhe dhe, si rrjedhojë, transferimit më të madh ndërmjet fazave midis grimcave të reaktantëve.
Madhësia e grimcave: Kur njëri prej reaktantëve është një grimcë e ngurtë, ai nuk mund të paraqitet në ekuacionin e shpejtësisë, pasi ekuacioni i shpejtësisë tregon vetëm përqendrimet dhe trupat e ngurtë nuk mund të kenë përqendrim, duke qenë se ndodhen në një fazë tjetër. Megjithatë, madhësia e grimcave të trupit të ngurtë ndikon në shpejtësinë e reaksionit për shkak të sipërfaqes së disponueshme për transferimin ndërmjet fazave.
Temperatura e reaksionit: Temperatura lidhet me konstanten e shpejtësisë nëpërmjet ekuacionit të Arrheniusit: k = Ae-Ea/RT
Ku Ea është energjia e aktivizimit, R është konstantja universale e gazeve dhe T është temperatura absolute në kelvin. A është faktori i Arrheniusit (i frekuencës). e-Ea/RT jep numrin e grimcave nën kurbë që kanë energji më të madhe se energjia e aktivizimit, Ea.
Katalizatori: Në shumicën e rasteve, reaksionet zhvillohen më shpejt me një katalizator, sepse kërkojnë më pak energji aktivizimi. Katalizatorët heterogjenë sigurojnë një sipërfaqe që shërben si model ku zhvillohet reaksioni, ndërsa katalizatorët homogjenë formojnë produkte të ndërmjetme që çlirojnë katalizatorin gjatë një hapi pasues të mekanizmit.
Faktorë të tjerë: Faktorë të tjerë, si drita, mund të ndikojnë në disa reaksione (fotokimia).
Cilat janë llojet e çaktivizimit të katalizatorit?
- Helmimi i katalizatorit është termi që përdoret për kemisorbimin e fortë të specieve kimike në qendrat katalitike, të cilat bllokojnë qendrat ku zhvillohet reaksioni katalitik. Helmimi mund të jetë i kthyeshëm ose i pakthyeshëm.
- Ndotja nga depozitimet i referohet një degradimi mekanik të katalizatorit, ku specie kimike nga faza fluide depozitohen në sipërfaqen katalitike dhe në poret e katalizatorit.
- Degradimi termik dhe sinterizimi sjellin humbjen e sipërfaqes katalitike, të sipërfaqes së mbartësit dhe të reaksioneve ndërmjet fazës aktive dhe mbartësit.
- Formimi i avullit nënkupton një formë të degradimit kimik, ku faza e gaztë reagon me fazën e katalizatorit për të prodhuar përbërje të avullueshme.
- Reaksionet avull–trup i ngurtë dhe trup i ngurtë–trup i ngurtë çojnë në çaktivizimin kimik të katalizatorit. Avulli, mbartësi ose promotori reagon me katalizatorin, duke prodhuar një fazë joaktive.
- Konsumimi nga fërkimi ose thërrmimi i grimcave të katalizatorit çon në humbjen e materialit katalitik për shkak të abrazionit mekanik. Sipërfaqja e brendshme e katalizatorit humbet për shkak të thërrmimit të grimcës së katalizatorit nga veprimi mekanik.
Lexoni më shumë se si trajtimi me ultratinguj mund të riaktivizojë katalizatorët e konsumuar!
Çfarë është zëvendësimi nukleofilik?
Zëvendësimi nukleofilik është një klasë themelore reaksionesh në kiminë organike (dhe inorganike), në të cilat një nukleofil lidhet në mënyrë selektive, si bazë e Lewis-it (si dhurues i një çifti elektronesh), me një kompleks organik ose sulmon ngarkesën pozitive ose pjesërisht pozitive (+) të një atomi ose të një grupi atomesh për të zëvendësuar një grup largues. Atomi pozitiv ose pjesërisht pozitiv, i cili është pranuesi i çiftit të elektroneve, quhet elektrofil. E gjithë njësia molekulare e elektrofilit dhe e grupit largues zakonisht quhet substrat.
Zëvendësimi nukleofilik mund të vërehet në dy rrugë të ndryshme – reaksionet SN1 dhe SN2. Forma e mekanizmit të reaksionit – SN1 ose SN2 – që ndodh, varet nga struktura e përbërjeve kimike, lloji i nukleofilit dhe tretësi.