Ultraljudsintensifierade reaktorer med fast bädd
- Ultraljudsblandning och dispersion aktiverar och intensifierar den katalytiska reaktionen i reaktorer med fast bädd.
- Ultraljudsbehandling förbättrar massöverföringen och ökar därmed effektiviteten, omvandlingshastigheten och utbytet.
- En ytterligare fördel är avlägsnandet av passiverande nedsmutsningsskikt från katalysatorpartiklarna genom ultraljudskavitation.
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.
Effekterna av kraftultraljud på heterogena kemiska reaktioner är välkända och används i stor utsträckning för industriella katalytiska processer. Katalytiska reaktioner i en reaktor med fast bädd kan också dra nytta av ultraljudsbehandling. Ultraljudsbestrålning av katalysatorn med fast bädd genererar mycket reaktiva ytor, ökar masstransporten mellan vätskefas (reaktanter) och katalysator och tar bort passiverande beläggningar (t.ex. oxidskikt) från ytan. Ultraljudsfragmentering av spröda material ökar ytan och bidrar därmed till en ökad aktivitet.
Fördelar
- 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.
Klicka här för att lära dig mer om ultraljudseffekter på kemiska reaktioner (sonokemi)!
Exempel
- Ultraljud förbehandling av Ni-katalysator för hydrogeneringsreaktioner
- Sonicated Raney Ni-katalysator med vinsyra resulterar i en mycket hög enantioselektivitet
- Ultraljudspreparerade Fischer-Tropsch-katalysatorer
- Sonokemiskt behandlade amorfa pulverkatalysatorer för ökad reaktivitet
- Sono-syntes av amorfa metallpulver
Återhämtning av ultraljudskatalysator
Fasta katalysatorer i reaktorer med fast bädd är oftast i form av sfäriska pärlor eller cylindriska rör. Under den kemiska reaktionen passiveras katalysatorns yta av ett nedsmutsningsskikt som orsakar förlust av katalytisk aktivitet och/eller selektivitet över tiden. Tidsskalorna för katalysatorns sönderfall varierar avsevärt. Medan till exempel katalysatordödligheten för en krackningskatalysator kan inträffa inom några sekunder, kan en järnkatalysator som används i ammoniaksyntesen pågå i 5–10 år. Avaktivering av katalysatorn kan dock observeras för alla katalysatorer. Även om olika mekanismer (t.ex. kemiska, mekaniska, termiska) för avaktivering av katalysatorn kan observeras, är nedsmutsning en av de vanligaste typerna av katalysatorsönderfall. Nedsmutsning avser den fysiska avsättningen av ämnen från vätskefasen på ytan och i katalysatorns porer och därigenom blockerar de reaktiva platserna. Nedsmutsning av katalysatorer med koks och kol är en snabbt förekommande process och kan vändas genom regenerering (t.ex. ultraljudsbehandling).
Ultraljudskavitation är en framgångsrik metod för att avlägsna passiverande nedsmutsningsskikt från katalysatorns yta. Återvinningen av ultraljudskatalysatorn utförs vanligtvis genom att sonikera partiklarna i en vätska (t.ex. avjoniserat vatten) för att avlägsna nedsmutsningsrester (t.ex. platina / kiseldioxidfiber pt / SF, nickelkatalysatorer).
ultraljudssystem
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.
För att testa din kemiska reaktion under ultraljudsstrålning är du välkommen att besöka vårt ultraljudsprocesslaboratorium och tekniska center i 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 våra ultraljudsapparater:
Flödessystem med ultraljud
- Hydrogenering
- Alcylering
- Cyanering
- företring
- Esterification
- Polymerisation
- Allylering
- Brominering
(t.ex. Ziegler-Natta-katalysatorer, metallocener)
Litteratur/Referenser
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Heterogen katalysatordeaktivering och regenerering: En recension. Katalysatorer 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Återvinning av nickel från förbrukade Ni/Al2O3-katalysatorer med hjälp av syraurlakning, kelering och ultraljud. 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): Ultraljudsassisterad regioselektiv nitrering av aromatiska föreningar i närvaro av vissa metallsalter i grupp V och VI. Grön och hållbar kemi, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonokatalys” I: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (red.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Fakta som är värda att veta
Ultraljud kavitation och sonokemi
Koppling av kraftultraljud till vätskor som en uppslamning resulterar i akustisk kavitation. Akustisk kavitation hänvisar till fenomenet snabb bildning, tillväxt och implosiv kollaps av ångfyllda hålrum. Detta genererar mycket kortlivade "hot spots" med extrema temperaturtoppar på upp till 5000K, mycket höga värme-/kylhastigheter på över 109Ks-1och tryck på 1000ATM med respektive differenser – allt inom en nanosekunds livstid.
Forskningsområdet Sonokemi undersöker effekten av ultraljud vid bildande av akustisk kavitation i vätskor, vilket initierar och/eller förstärker den kemiska aktiviteten i en lösning.
Heterogena katalytiska reaktioner
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).
Nukleofil substitution
Nukleofil substitution är en grundläggande klass av reaktioner i organisk (och oorganisk) kemi, där en nukleofil selektivt binder i form av en Lewis-bas (som elektronpardonator) med ett organiskt komplex med eller attackerar den positiva eller delvis positiva (+ve) laddningen hos en atom eller en grupp av atomer för att ersätta en lämnande grupp. Den positiva eller delvis positiva atomen, som är elektronparets acceptor, kallas en elektrofil. Hela den molekylära enheten hos elektrofilen och den lämnande gruppen kallas vanligtvis substratet.
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.
Typer av avaktivering av katalysator
- 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.