เครื่องปฏิกรณ์เตียงคงที่ที่เข้มข้นด้วยอัลตราโซนิก

การโซนิเคชันสามารถปรับปรุงปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาในเตียงคงที่ (fixed-bed reactors) ได้โดยการเพิ่มความเข้มข้นของการถ่ายเทมวลรอบ ๆ และภายในเตียงตัวเร่งปฏิกิริยาที่บรรจุอยู่ นอกจากนี้ การโซนิเคชันยังช่วยกำจัดชั้นการป้องกันการกัดกร่อน (passivation) และชั้นการสะสมของสิ่งสกปรก (fouling) จากผิวหน้าของตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้สามารถฟื้นฟูตัวเร่ง

วิธีการที่การโซนิเคชันช่วยปรับปรุงการเร่งปฏิกิริยาแบบเตียงคงที่

ในเตาปฏิกรณ์แบบเตียงคงที่ (fixed-bed reactor) อนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาจะคงที่อยู่ในตำแหน่งเดิม ขณะที่สารตั้งต้นที่เป็นของเหลว ของแก๊ส หรือสารตั้งต้นหลายเฟสไหลผ่านเตียงของตัวเร่งปฏิกิริยา ประสิทธิภาพของปฏิกิริยามักถูกจำกัดโดยการถ่ายเทมวลจากภายนอก การแพร่ผ่านรูพรุน การไหลแบบช่องแคบ การอุดตัน และการกระจายตัวของอุณหภูมิ อัลตราซาวด์สามารถลดข้อจำกัดเหล่านี้ได้หลายประการโดยการสร้างฟองเสียงในของเหลว (acoustic cavitation), การไหลของของเหลวในระดับจุลภาค (microstreaming), แรงเฉือน (shear forces), และการสั่นสะเทือนของความดัน (pressure oscillations)

ผลกระทบหลักของปฏิกิริยาแบบเตียงคงที่ที่ถูกกระตุ้นด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

• การถ่ายเทมวลภายนอกที่ดีขึ้น: การไหลของไมโครสตรีมมิ่งด้วยคลื่นอัลตราโซนิกช่วยลดชั้นขอบเขตที่หยุดนิ่งรอบๆ อนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้สารตั้งต้นสามารถเข้าถึงตำแหน่งที่ใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
• การเข้าถึงรูพรุนที่ดีขึ้น: การผันผวนของแรงดันที่เกิดจากการเกิดโพรงอากาศและการเคลื่อนที่ของของเหลวสามารถปรับปรุงการแทรกซึมของสารตั้งต้นเข้าสู่รูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยาและการกำจัดผลิตภัณฑ์ออกจากรูพรุนได้
• การลดการเกิดคราบและการทำให้เป็นสภาพ การโซนิเคชันสามารถช่วยกำจัดคราบสะสม ฟิล์มพอลิเมอร์ สารตั้งต้นของโคก หรือชั้นป้องกันอื่นๆ จากพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้สามารถรักษาประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาได้นานขึ้น

การปรับปรุงการสัมผัสระหว่างของเหลวกับของแข็ง: อัลตราซาวด์ช่วยส่งเสริมการเปียกของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีขึ้น ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในระบบเตียงไหล, ระบบป้อนแบบสลัดดี้, หรือระบบเตียงคงที่ในเฟสของเหลว

• การไหลผ่านช่องแคบในเตียงบรรจุที่ลดลง: ในการศึกษาเตียงบรรจุขนาดเล็กมาก พบว่าอัลตราซาวด์สามารถปรับเปลี่ยนพฤติกรรมการไหลและลดการกระจายตัว ช่วยให้ตัวปฏิกรณ์เข้าใกล้พฤติกรรมการไหลแบบตัน (plug-flow) ที่เหมาะสมยิ่งขึ้น
• การถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้น: การไหลของเสียงและการปั่นป่วนช่วยปรับปรุงการกระจายความร้อนในท้องถิ่น ลดจุดร้อนหรือโซนเย็นในเตียงของตัวเร่งปฏิกิริยา
• อัตราการแปลงและผลผลิตที่สูงขึ้น: โดยการปรับปรุงการถ่ายโอนมวลและการเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยา การใช้อัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลง และการผลิตผลของผลิตภัณฑ์ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อปฏิกิริยาถูกจำกัดโดยการขนส่งมากกว่าการจำกัดทางจลนศาสตร์เพียงอย่างเดียว

การสั่นด้วยคลื่นเสียงช่วยปรับปรุงการเร่งปฏิกิริยาแบบเตียงคงที่ได้อย่างไร?

กลไกหลักคือการเกิดโพรงอากาศเชิงเสียง: คลื่นอัลตราโซนิกสร้างฟองอากาศขนาดเล็กมากที่เติบโตและยุบตัวอย่างรุนแรง การยุบตัวของฟองอากาศเหล่านี้ก่อให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะที่, ไมโครเจ็ต, คลื่นกระแทก และการผสมที่เข้มข้น ใกล้ผิวหน้าของตัวเร่งปฏิกิริยา ผลกระทบเหล่านี้สามารถทำความสะอาด กระตุ้น และฟื้นฟูผิวหน้าของของแข็งและของเหลวได้ บททบทวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียง (sonocatalysis) ได้อธิบายไว้ว่าผลกระทบนี้เป็นผล synergy ระหว่างคลื่นเสียงความถี่สูงกับตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็ง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อน การถ่ายเทมวล และผลกระทบที่เฉพาะเจาะจงที่ผิวหน้าของตัวเร่งปฏิกิริยา

การโซนิเคชันมีประโยชน์มากที่สุดเมื่อปฏิกิริยาแบบชั้นคงที่ประสบปัญหา:

• การแพร่กระจายช้าเข้าสู่รูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยา
• การเปียกตัวที่ไม่ดีของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา
• การสะสมของผลิตภัณฑ์ภายในรูพรุน
• การเกิดคราบสกปรกหรือการเกิดชั้นป้องกันผิว
• จลนศาสตร์ที่จำกัดการถ่ายโอนมวล
• การกระจายตัวไม่สมดุลของการไหลหลายเฟส
• การไหลผ่านเตียงที่อัดแน่น

ตัวเร่งปฏิกิริยาเตียงคงที่

เตียงคงที่ (บางครั้งเรียกอีกอย่างว่าเตียงบรรจุ) มักเต็มไปด้วยเม็ดตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งมักจะเป็นเม็ดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 1-5 มม. สามารถบรรจุลงในเครื่องปฏิกรณ์ในรูปแบบของเตียงเดี่ยวเป็นเปลือกแยกหรือในท่อ ตัวเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่ใช้โลหะ เช่น นิกเกิล ทองแดง ออสเมียม แพลตตินั่ม และโรเดียม
ผลกระทบของอัลตราซาวนด์กำลังสูงต่อปฏิกิริยาเคมีที่ไม่สม่ำเสมอเป็นที่รู้จักกันดีและถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรม ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาในเตียงคงที่ก็ได้รับประโยชน์จากการบำบัดด้วยโซนิคเช่นกัน การฉายรังสีอัลตราโซนิกบนตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเตียงคงที่สร้างพื้นผิวที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง เพิ่มการขนส่งมวลระหว่างของเหลว (สารตั้งต้น) และตัวเร่งปฏิกิริยา และกำจัดสารเคลือบที่ป้องกันการเกิดปฏิกิริยา (เช่น ชั้นออกไซด์) จากพื้นผิว

การเพิ่มความเข้มข้นของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาอัลตราโซนิก

การผสมอัลตราโซนิกและการกวนช่วยเพิ่มการสัมผัสระหว่างอนุภาคสารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยาสร้างพื้นผิวที่มีปฏิกิริยาสูงและเริ่มต้นและ / หรือเพิ่มปฏิกิริยาเคมี
การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาอัลตราโซนิกอาจทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการตกผลึกการกระจายตัว / การแยกตัวและคุณสมบัติของพื้นผิว นอกจากนี้ลักษณะของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขึ้นรูปไว้ล่วงหน้าอาจได้รับอิทธิพลจากการขจัดชั้นพื้นผิวแบบทู่การกระจายตัวที่ดีขึ้นเพิ่มการถ่ายโอนมวล

ตัวอย่างของปฏิกิริยาที่ได้รับการปรับปรุงด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

• การปรับสภาพอัลตราโซนิกของตัวเร่งปฏิกิริยา Ni สําหรับปฏิกิริยาไฮโดรเจน
• ตัวเร่งปฏิกิริยา Raney Ni ที่โซนิคด้วยกรดทาร์ทาริกส่งผลให้มี enantioselective สูงมาก
• ตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch ที่สังเคราะห์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง
• ตัวเร่งปฏิกิริยาผงอสัณฐานที่ผ่านการบําบัดด้วยโซโนเคมีเพื่อเพิ่มปฏิกิริยา
• การสังเคราะห์โซโนของผงโลหะอสัณฐาน

การกู้คืนตัวเร่งปฏิกิริยาอัลตราโซนิก

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งในเตาปฏิกรณ์แบบชั้นคงที่มักใช้ในรูปของเม็ดกลม เม็ดอัด แผ่นอัด หรืออนุภาคทรงกระบอก ในระหว่างปฏิกิริยาเคมี พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเกิดการปิดผิวด้วยชั้นสิ่งสกปรก ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาและ/หรือความเลือกจำเพาะลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อเวลาผ่านไป
ระยะเวลาการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น การเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาในการแตกตัวอาจเกิดขึ้นภายในไม่กี่วินาที ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กที่ใช้ในการสังเคราะห์แอมโมเนียอาจยังคงทำงานได้นานถึง 5-10 ปี อย่างไรก็ตาม การเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถพบได้ในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาเกือบทุกประเภท แม้ว่าจะมีกลไกการเสื่อมสภาพที่แตกต่างกันเกิดขึ้น – รวมถึงการเสื่อมสภาพทางเคมี ทางกล และทางความร้อน – การเกิดคราบสกปรกเป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา
การเกิดคราบหมายถึงการสะสมทางกายภาพของสสารจากเฟสของเหลวลงบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาและภายในรูพรุนของมัน การสะสมเหล่านี้จะปิดกั้นตำแหน่งที่เกิดปฏิกิริยา จำกัดการเข้าถึงรูพรุน และลดการสัมผัสระหว่างสารตั้งต้นกับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพ การอุดตันของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยโค้กหรือตะกอนคาร์บอนมักเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ในหลายกรณีสามารถย้อนกลับได้บางส่วนหรือทั้งหมดด้วยการฟื้นฟูด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

การเกิดโพรงอากาศด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการกำจัดชั้นคราบสกปรกที่เกิดจากการถูกทำให้เป็นสารเฉื่อยออกจากพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ระหว่างการสั่นสะเทือนด้วยคลื่นเสียงความเข้มสูง คลื่นเสียงความเข้มสูงจะสร้างฟองอากาศในของเหลว ฟองอากาศจะยุบตัวลงและสร้างแรงเฉือนเฉพาะที่ ไมโครเจ็ต คลื่นกระแทก และการผสมในระดับจุลภาคอย่างเข้มข้น ผลกระทบเหล่านี้ช่วยขจัดคราบสกปรกออกจากพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา เปิดรูพรุนที่อุดตัน และฟื้นฟูการเข้าถึงตำแหน่งที่ใช้งานได้
การกู้คืนตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงมักดำเนินการโดยการกระจายอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาในของเหลว เช่น น้ำปราศจากไอออนหรือตัวทำละลายที่เหมาะสม และนำสารแขวนลอยไปสัมผัสกับการบำบัดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงที่ควบคุมได้ กระบวนการนี้สามารถกำจัดคราบสกปรกที่เกาะติดจากวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาต่างๆ รวมถึงตัวเร่งปฏิกิริยาใยแก้วแพลทินัม/ซิลิกา ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล และตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่รองรับอื่นๆ ดังนั้น การสั่นด้วยคลื่นเสียงสามารถช่วยในการฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยา, ยืดอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยา, และปรับปรุงความยั่งยืนของกระบวนการ

คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แล้วด้วยคลื่นอัลตราโซนิก!

เครื่องโซนิคสำหรับบูรณาการเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์ทางเคมี

Hielscher Ultrasonics นําเสนอโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกที่หลากหลายและรูปแบบต่างๆสําหรับการรวมอัลตราซาวนด์พลังงานเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์เตียงคงที่ มีระบบอัลตราโซนิกต่างๆที่จะติดตั้งในเครื่องปฏิกรณ์เตียงคงที่ สําหรับประเภทเครื่องปฏิกรณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น อัลตราโซนิกที่กําหนดเอง โซ ลู ชั่น
เรียนรู้วิธีการที่การสั่นด้วยคลื่นเสียงช่วยปรับปรุงปฏิกิริยาเคมีในเครื่องปฏิกรณ์หลากหลายรูปแบบ!
เพื่อทดสอบผลกระทบของการสั่นสะเทือนต่อปฏิกิริยาทางเคมีของคุณ คุณสามารถเยี่ยมชมห้องปฏิบัติการกระบวนการอัลตราโซนิกและศูนย์เทคนิคของเราที่เทลโทว์ได้!
ติดต่อเราวันนี้! เรายินดีที่จะหารือเกี่ยวกับการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการทางเคมีของคุณกับคุณ!
ตารางด้านล่างนี้แสดงให้คุณเห็นถึงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher: