Ултразвучно појачани реактори са фиксним слојем
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.
Соницатор УИП2000хдТ 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.
- Poboljšan prenos toplote: 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.
Катализатори са фиксним слојем
Фиксни слојеви (понекад се називају и збијени слој) обично су напуњени пелетима катализатора, које су обично грануле пречника од 1-5 мм. Могу се убацити у реактор у облику једног кревета, као одвојене шкољке или у цевима. Катализатори су углавном засновани на металима као што су никл, бакар, осмијум, платина и родијум.
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.
- Побољшана ефикасност
- Повећана реактивност
- Повећана стопа конверзије
- Већи принос
- Рециклирање катализатора
Ултразвучно интензивирање каталитичких реакција
Ултразвучно мешање и мешање побољшава контакт између честица реактаната и катализатора, ствара високо реактивне површине и покреће и/или појачава хемијску реакцију.
Ултразвучна припрема катализатора може изазвати промене у понашању кристализације, дисперзији/деагломерацији и својствима површине. Штавише, на карактеристике претходно формираних катализатора може се утицати уклањањем пасивизирајућих површинских слојева, бољом дисперзијом, повећањем преноса масе.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- Ултразвучни предтретман Ни катализатора за реакције хидрогенације
- Соницирани Ранеи Ни катализатор са винском киселином даје веома високу енантиоселективност
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- Сонохемијски третирани аморфни катализатори у праху за повећану реактивност
- Соно-синтеза прахова аморфних метала
Ултразвучни опоравак катализатора
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
Хиелсцхер Ултрасоницс нуди различите ултразвучне процесоре и варијације за интеграцију ултразвука снаге у реакторе са фиксним лежајем. Доступни су различити ултразвучни системи за уградњу у реакторе са фиксним слојем. За сложеније типове реактора нудимо прилагођени ултразвучни решења.
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!
Контактирајте нас данас! Драго нам је да са вама разговарамо о ултразвучном интензивирању вашег хемијског процеса!
Donja tabela vam daje indikaciju približnog kapaciteta obrade Hielscher sonicatora:
- хидрогенација
- Алцилација
- Цијанација
- етерификација
- естерификација
- полимеризација
- Алилација
- Бромирање
(нпр. Зиеглер-Натта катализатори, металоценс)
Литература / Референце
- 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.
Чињенице које вреди знати
Шта је ултразвучна кавитација?
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.
Шта је сонохемија?
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?
У хемији, хетерогена катализа се односи на тип каталитичке реакције где се фазе катализатора и реактаната разликују једна од друге. У контексту хетерогене хемије, фаза се не користи само за разликовање чврсте материје, течности и гаса, већ се односи и на течности које се не мешају, нпр. уље и воду.
Током хетерогене реакције, један или више реактаната пролазе кроз хемијску промену на интерфејсу, нпр. на површини чврстог катализатора.
Брзина реакције зависи од концентрације реактаната, величине честица, температуре, катализатора и других фактора.
Концентрација реактаната: Уопштено говорећи, повећање концентрације реактанта повећава брзину реакције због већег интерфејса и тиме већег преноса фазе између честица реактаната.
Величине честица: Када је један од реактаната чврста честица, онда се не може приказати у једначини брзине, пошто једначина брзине показује само концентрације, а чврсте материје не могу имати концентрацију пошто су у другој фази. Међутим, величина честица чврсте супстанце утиче на брзину реакције због расположиве површине за пренос фазе.
Температура реакције: Температура је повезана са константом брзине преко Аррениусове једначине: к = Ае-Еа/РТ
Где је Еа енергија активације, Р је универзална гасна константа, а Т је апсолутна температура у Келвинима. А је Аррхениус (фреквенцијски) фактор. е-Еа/РТ даје број честица испод криве које имају енергију већу од енергије активације, Еа.
катализатор: У већини случајева, реакције се дешавају брже са катализатором јер захтевају мање енергије активације. Хетерогени катализатори обезбеђују површину шаблона на којој се дешава реакција, док хомогени катализатори формирају међупроизводе који ослобађају катализатор током следећег корака механизма.
Остали фактори: Други фактори као што је светлост могу утицати на одређене реакције (фотохемија).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- Тровање катализатором је израз за снажну хемисорпцију врста на каталитичким местима која блокирају места за каталитичку реакцију. Тровање може бити реверзибилно или неповратно.
- Прљање се односи на механичку деградацију катализатора, где се врсте из течне фазе таложе на каталитичку површину иу поре катализатора.
- Термичка деградација и синтеровање резултирају губитком каталитичке површине, површине носача и активних фаза-носних реакција.
- Формирање паре означава облик хемијске деградације, где гасна фаза реагује са фазом катализатора да би се произвела испарљива једињења.
- Реакције пара–чврста материја и чврсто–чврсто стање резултирају хемијском деактивацијом катализатора. Пара, носач или промотер реагују са катализатором тако да настаје неактивна фаза.
- Трешење или дробљење честица катализатора доводи до губитка каталитичког материјала услед механичке абразије. Унутрашња површина катализатора се губи услед механичког дробљења честица катализатора.
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.
Нуклеофилна супституција се може посматрати као два различита пута – СН1 и СН2 реакција. Који облик реакционог механизма – сН1 или СН2 – одвија, зависи од структуре хемијских једињења, типа нуклеофила и растварача.

