Реактори са фиксним слојем и ултразвучном интензификацијом

Соникација може побољшати каталитичке реакције у реакторима са фиксним слојем првенствено интензивирањем преноса масе око и унутар пакованог слоја катализатора. Поред тога, соникација уклања пасивирајуће слојеве и слојеве наслага са површине катализатора, чиме непрекидно регенерише катализатор.

Како соникација побољшава катализу у фиксном слоју

У реактору са фиксним слојем честице катализатора остају непокретне док течни, гасовити или вишефазни реактанти протичу кроз слој. Учинак реакције често је ограничен спољашњим преносом масе, дифузијом у порама, стварањем преференцијалних канала протока, накупљањем наслага и градијентима преноса топлоте. Ултразвук може смањити неколико ових ограничења стварањем акустичне кавитације, микрострујања, сила смицања и осцилација притиска.

Кључни ефекти ултразвучно интензивираних реакција у фиксном слоју

• Побољшан спољашњи пренос масе: Ултразвучно микрострујање смањује стагнирајући гранични слој око честица катализатора, омогућавајући реактантима да ефикасније стигну до активних места.
• Повећана доступност пора: Флуктуације притиска изазване кавитацијом и кретање течности могу побољшати продирање реактаната у поре катализатора и уклањање производа из пора.
• Смањење накупљања наслага и пасивације: Соникација може помоћи у уклањању наслага, полимерних филмова, прекурсора кокса или других пасивирајућих слојева са површина катализатора, чиме се дуже одржава каталитичка активност.

Побољшан контакт између течне и чврсте фазе: Ултразвук поспешује квашење честица катализатора, што је посебно корисно у системима са фиксним слојем кроз који течност капље, системима који се напајају суспензијом или системима са фиксним слојем у течној фази.

• Смањено стварање преференцијалних канала протока у пакованим слојевима: У истраживањима микропакованих слојева показано је да ултразвук мења карактеристике протока и смањује дисперзију, помажући да се проток у реактору приближи идеалнијем клипном протоку.
• Побољшан пренос топлоте: Акустично струјање и турбуленција побољшавају локално одвођење топлоте, смањујући појаву врућих тачака или хладних зона у слоју катализатора.
• Већа конверзија и принос: Побољшањем преноса масе и доступности катализатора, соникација може повећати брзину реакције, конверзију и принос производа, нарочито када је реакција ограничена транспортом, а не искључиво кинетиком.

Како соникација побољшава катализу у фиксном слоју?

Главни механизам је акустична кавитација: ултразвучни таласи стварају микроскопске мехуриће који расту и нагло колабирају. Њихов колапс ствара локално смицање, микромлазеве, ударне таласе и интензивно мешање. У близини површина катализатора ови ефекти могу очистити, активирати и обновити међуфазну површину између чврсте и течне фазе. Прегледни радови о сонокатализи описују ово као синергију ултразвука и чврстих катализатора, која обухвата побољшан пренос топлоте, пренос масе и локализоване ефекте на каталитичким површинама.

Соникација је најкориснија када је реакција у фиксном слоју отежана услед:

• споре дифузије у поре катализатора,
• слабог квашења честица катализатора,
• накупљања производа унутар пора,
• накупљања наслага или пасивације површине,
• кинетике ограничене преносом масе,
• неравномерне расподеле вишефазног протока,
• стварања преференцијалних канала протока кроз паковани слој.

Катализатори у фиксном слоју

Фиксни слојеви (који се понекад називају и пакованим слојевима) обично се пуне пелетама катализатора, које су најчешће грануле пречника 1–5mm. Могу се унети у реактор у облику једног слоја, као засебне љуске или у цевима. Катализатори су углавном на бази метала као што су никл, бакар, осмијум, платина и родијум.
Ефекти ултразвука велике снаге на хетерогене хемијске реакције добро су познати и широко се користе у индустријским каталитичким процесима. Каталитичке реакције у реактору са фиксним слојем такође имају користи од третмана соникацијом. Ултразвучно озрачивање катализатора у фиксном слоју ствара високореактивне површине, повећава пренос масе између течне фазе (реактаната) и катализатора и уклања пасивирајуће превлаке (нпр. оксидне слојеве) са површине.

Ултразвучно интензивирање каталитичких реакција

Ултразвучно мешање и агитација побољшавају контакт између реактаната и честица катализатора, стварају високо реактивне површине и покрећу и/или поспешују хемијску реакцију.
Ултразвучна припрема катализатора може изазвати промене у понашању при кристализацији, дисперговању / деагломерацији и површинским својствима. Поред тога, на карактеристике претходно формираних катализатора може се утицати уклањањем пасивирајућих површинских слојева, бољим дисперговањем и повећањем преноса масе.

Примери реакција побољшаних ултразвуком

• Ултразвучна предобрада Ni катализатора за реакције хидрогенизације
• Соникација Ренејевог Ni катализатора са винском киселином доводи до веома високе енантиоселективности
• Ултразвучно синтетисани Фишер–Тропшови катализатори
• Сонохемијски третирани аморфни прашкасти катализатори за повећану реактивност
• Соносинтеза аморфних металних прахова

Ултразвучно обнављање катализатора

Чврсти катализатори у реакторима са непокретним слојем обично се користе у облику сферних зрна, пелета, екструдата или цилиндричних честица. Током хемијских реакција, површина катализатора може постати пасивирана слојем наслага, што временом доводи до постепеног губитка каталитичке активности и/или селективности.
Временски период деактивације катализатора знатно варира. На пример, деактивација катализатора за крекинг може наступити у року од неколико секунди, док катализатор на бази гвожђа који се користи у синтези амонијака може остати активан 5–10 година. Ипак, деактивација катализатора примећује се у готово свим каталитичким процесима. Иако се могу јавити различити механизми деактивације – укључујући хемијску, механичку и термичку деградацију – стварање наслага један је од најчешћих узрока пропадања катализатора.
Стварање наслага подразумева физичко таложење хемијских врста из флуидне фазе на површини катализатора и унутар његових пора. Ове наслаге блокирају реактивна места, ограничавају приступ порама и смањују контакт између реактаната и активне површине катализатора. Стварање наслага кокса или угљеничних наслага на катализатору често је брз процес; међутим, у многим случајевима оне се могу делимично или потпуно уклонити ултразвучном регенерацијом.

Ултразвучна кавитација је ефикасна метода за уклањање пасивирајућих слојева наслага са површина катализатора. Током соникације, ултразвук високог интензитета ствара кавитационе мехуриће у течној средини. Њихов колапс производи локализоване силе смицања, микромлазеве, ударне таласе и интензивно микромешање. Ови ефекти помажу одвајању остатака наслага са површине катализатора, поновном отварању зачепљених пора и обнављању приступа активним местима.
Ултразвучно обнављање катализатора обично се спроводи дисперговањем честица катализатора у течности, попут дејонизоване воде или одговарајућег растварача, и излагањем суспензије контролисаном ултразвучном третману. Овим процесом могу се уклонити остаци наслага са различитих каталитичких материјала, укључујући катализаторе од платине на влакнима силицијум-диоксида, катализаторе на бази никла и друге металне катализаторе на носачима. Као резултат тога, соникација може допринети регенерацији катализатора, продужењу његовог радног века и побољшању одрживости процеса.

Кликните овде да сазнате више о ултразвучној регенерацији истрошених катализатора!

Соникатори за уградњу у хемијске реакторе

Hielscher Ultrasonics нуди различите ултразвучне процесоре и варијанте за интеграцију ултразвука велике снаге у реакторе са непокретним слојем. За уградњу у реакторе са непокретним слојем доступни су различити ултразвучни системи. За сложеније типове реактора нудимо прилагођена ултразвучна решења.
Сазнајте како соникација побољшава хемијске реакције у реакторима различитих конструкција!
Да бисте испитали ефекте соникације на вашу хемијску реакцију, добродошли сте у нашу лабораторију за ултразвучне процесе и технички центар у Телтову!
Контактирајте нас данас! Радо ћемо са вама разговарати о ултразвучном интензивирању вашег хемијског процеса!
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде соникатора Hielscher: