Hielscher Ultrasonics
Vi diskuterar gärna din process.
Ring oss: +49 3328 437-420
Maila oss: [email protected]

Ultraljudsintensifierade reaktorer med fast bädd

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.

Begäran om information



Sonicator UIP2000hdT mounted on a fixed bed reactor to intensify catalytic reactions

Ultraljudsbehandling 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.
  • 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.

  • 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.
  • Förbättrad värmeöverföring: 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.

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.

Katalysatorer med fast bädd

Fasta bäddar (ibland även kallad packad bädd) är vanligtvis laddade med katalysatorpellets, som vanligtvis är granulat med diametrar från 1-5 mm. De kan laddas in i reaktorn i form av en enkelbädd, som separata skal eller i rör. Katalysatorerna är mestadels baserade på metaller som nickel, koppar, osmium, platina och rodium.
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.

Ultraljud homogenisator UIP1500hdT med en flödescell utrustad med kylmantel för att kontrollera processtemperaturen under ultraljudsbehandling.

Sonicator UIP1500hdT with flow-cell for the reactivation and recycling of spent catalysts

Advantages of Ultrasonically Intensified Catalytic Reactions

  • Förbättrad effektivitet
  • Ökad reaktivitet
  • Ökad konverteringsgrad
  • Högre avkastning
  • Återvinning av katalysator

Ultraljudsintensifiering av katalytiska reaktioner

Ultraljudsblandning och omrörning förbättrar kontakten mellan reaktant och katalysatorpartiklar, skapar mycket reaktiva ytor och initierar och/eller förbättrar den kemiska reaktionen.
Förberedelse av ultraljudskatalysator kan orsaka förändringar i kristallisationsbeteende, dispersion / deagglomeration och ytegenskaper. Dessutom kan egenskaperna hos förformade katalysatorer påverkas genom att ta bort passiverande ytskikt, bättre dispersion, öka massöverföringen.

Examples of Ultrasonically-Improved Reactions

  • Ultraljud förbehandling av Ni-katalysator för hydrogeneringsreaktioner
  • Sonicated Raney Ni-katalysator med vinsyra resulterar i en mycket hög enantioselektivitet
  • Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
  • Sonokemiskt behandlade amorfa pulverkatalysatorer för ökad reaktivitet
  • Sono-syntes av amorfa metallpulver

Återhämtning av ultraljudskatalysator

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 occurincluding chemical, mechanical, and thermal degradationfouling 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

Kraftultraljud används för katalysatorer och katalytiska reaktioner. (Klicka för att förstora!)Hielscher Ultrasonics erbjuder olika ultraljudsprocessorer och varianter för integration av kraftultraljud i reaktorer med fast bädd. Olika ultraljudssystem finns tillgängliga för att installeras i reaktorer med fast bädd. För mer komplexa reaktortyper erbjuder vi Anpassat ultraljud Lösningar.
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!
Kontakta oss idag! Vi är glada att diskutera ultraljudsintensifieringen av din kemiska process med dig!
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos Hielschers sonikatorer:

Batchvolym Flöde Rekommenderade enheter
10 till 2000 ml 20 till 400 ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 till 20L 0.2 till 4L/min UIP2000hdT
10 till 100L 2 till 10L/min UIP4000
N.A. 10 till 100 L/min UIP16000
N.A. Större kluster av UIP16000
Inbyggd bearbetning med ultraljudsprocessorer med 7 kW effekt (Klicka för att förstora!)

Flödessystem med ultraljud

Ultraljudsintensifierade reaktioner

  • Hydrogenering
  • Alcylering
  • Cyanering
  • företring
  • Esterification
  • Polymerisation
  • (t.ex. Ziegler-Natta-katalysatorer, metallocener)

  • Allylering
  • Brominering

Be om mer information

Please use the form below to request additional information about sonicators for the integration into fixed bed reactors, technical details and prices. We will be glad to discuss your chemical reactor design with you and to offer you the best sonicator fulfilling your requirements!




Litteratur / Referenser



Fakta som är värda att veta

Vad är ultraljudskavitation?

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.

Vad är sonokemi?

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?

Inom kemi hänvisar heterogen katalys till den typ av katalytisk reaktion där faserna i katalysatorn och reaktanterna skiljer sig från varandra. I samband med heterogen kemi används fas inte bara för att skilja mellan fast, flytande och gas, utan det hänvisar också till oblandbara vätskor, t.ex. olja och vatten.
Under en heterogen reaktion genomgår en eller flera reaktanter en kemisk förändring vid ett gränsskikt, t.ex. på ytan av en fast katalysator.
Reaktionshastigheten beror på koncentrationen av reaktanter, partikelstorleken, temperaturen, katalysatorn och ytterligare faktorer.
Reaktant koncentration: I allmänhet ökar en ökning av koncentrationen av en reaktant reaktionshastigheten på grund av det större gränssnittet och därmed större fasöverföring mellan reaktantpartiklar.
Partikelstorlek: När en av reaktanterna är en fast partikel, kan den inte visas i hastighetsekvationen, eftersom hastighetsekvationen bara visar koncentrationer och fasta ämnen inte kan ha en koncentration eftersom de befinner sig i en annan fas. Partikelstorleken hos det fasta ämnet påverkar dock reaktionshastigheten på grund av den tillgängliga ytan för fasöverföring.
Reaktionstemperatur: Temperaturen är relaterad till hastighetskonstanten via Arrhenius ekvation: k = Ae-Ea/RT
Där Ea är aktiveringsenergin, R är den universella gaskonstanten och T är den absoluta temperaturen i Kelvin. A är Arrhenius-faktorn (frekvens). e-Ea/RT ger antalet partiklar under kurvan som har energi större än aktiveringsenergin, Ea.
Katalysator: I de flesta fall sker reaktioner snabbare med en katalysator eftersom de kräver mindre aktiveringsenergi. Heterogena katalysatorer ger en mallyta vid vilken reaktion sker, medan homogena katalysatorer bildar mellanprodukter som frigör katalysatorn under ett efterföljande steg i mekanismen.
Andra faktorer: Andra faktorer som ljus kan påverka vissa reaktioner (fotokemi).

What are the Types of Catalyst Deactivation?

  • Katalysatorförgiftning är termen för den starka kemisorptionen av arter på katalytiska platser som blockerar platser för katalytisk reaktion. Förgiftning kan vara reversibel eller irreversibel.
  • Nedsmutsning avser en mekanisk nedbrytning av katalysatorn, där ämnen från vätskefas avsätts på den katalytiska ytan och i katalysatorns porer.
  • Termisk nedbrytning och sintring resulterar i förlust av katalytisk yta, stödarea och aktiva fasstödreaktioner.
  • Ångbildning innebär en kemisk nedbrytningsform, där gasfasen reagerar med katalysatorfasen för att producera flyktiga föreningar.
  • Reaktioner mellan ånga och fast ämne och fast ämne resulterar i kemisk deaktivering av katalysatorn. Ånga, stöd eller promotor reagerar med katalysatorn så att en inaktiv fas produceras.
  • Förslitning eller krossning av katalysatorpartiklarna leder till förlust av katalytiskt material på grund av mekanisk nötning. Katalysatorns inre yta går förlorad på grund av mekaniskt inducerad krossning av katalysatorpartikeln.

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.
Den nukleofila substitutionen kan observeras som två olika vägar – den SN1 och SN2 reaktion. Vilken form av reaktionsmekanism – sN1 eller SN2 – äger rum, beror på strukturen hos de kemiska föreningarna, typen av nukleofil och lösningsmedlet.

Vi diskuterar gärna din process.