เครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่งที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สามารถปรับปรุงปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่งได้ โดยหลักแล้วเป็นการเพิ่มการถ่ายเทมวลรอบและภายในเบดตัวเร่งปฏิกิริยาที่บรรจุไว้ นอกจากนี้ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ยังขจัดชั้นพาสซิเวชันและชั้นคราบสะสมออกจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา จึงฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่อง

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการเร่งปฏิกิริยาในเบดนิ่งอย่างไร

ในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่กับที่ ขณะที่สารตั้งต้นที่เป็นของเหลว ก๊าซ หรือหลายเฟสไหลผ่านเบด ประสิทธิภาพของปฏิกิริยามักถูกจำกัดด้วยการถ่ายเทมวลภายนอก การแพร่ในรูพรุน การไหลลัดผ่านเป็นช่องทาง การสะสมคราบ และความชันของการถ่ายเทความร้อน อัลตราซาวนด์สามารถลดข้อจำกัดเหล่านี้ได้หลายประการ โดยก่อให้เกิดคาวิเทชันทางเสียง การไหลเวียนระดับจุลภาค แรงเฉือน และการแกว่งของความดัน

ผลสำคัญของปฏิกิริยาในเบดนิ่งที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์

• การถ่ายเทมวลภายนอกที่ดีขึ้น: การไหลเวียนระดับจุลภาคจากอัลตราซาวนด์ช่วยลดชั้นขอบเขตที่หยุดนิ่งรอบอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้สารตั้งต้นเข้าถึงตำแหน่งกัมมันต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
• การเข้าถึงรูพรุนที่ดีขึ้น: ความผันผวนของความดันและการเคลื่อนที่ของของเหลวที่เกิดจากคาวิเทชันสามารถช่วยให้สารตั้งต้นแทรกซึมเข้าสู่รูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยาและนำผลิตภัณฑ์ออกจากรูพรุนได้ดีขึ้น
• การลดการสะสมคราบและพาสซิเวชัน: การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สามารถช่วยขจัดคราบสะสม ฟิล์มพอลิเมอร์ สารตั้งต้นของโค้ก หรือชั้นอื่น ๆ ที่ทำให้เกิดพาสซิเวชันออกจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้คงความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาได้นานขึ้น

การสัมผัสระหว่างของเหลวกับของแข็งที่ดีขึ้น: อัลตราซาวนด์ส่งเสริมให้อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาเปียกได้ดีขึ้น ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในระบบเบดนิ่งแบบของเหลวไหลหยด แบบป้อนสารแขวนลอย หรือแบบเฟสของเหลว

• การไหลลัดผ่านเป็นช่องทางในเบดบรรจุที่ลดลง: การศึกษาเบดบรรจุระดับจุลภาคแสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์ปรับเปลี่ยนพฤติกรรมการไหลและลดการกระจายตามการไหล ช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์มีพฤติกรรมใกล้เคียงการไหลแบบปลั๊กในอุดมคติมากขึ้น
• การถ่ายเทความร้อนที่ดีขึ้น: การไหลเวียนที่เกิดจากคลื่นเสียงและความปั่นป่วนช่วยปรับปรุงการระบายความร้อนเฉพาะบริเวณ ลดจุดร้อนหรือบริเวณเย็นในเบดตัวเร่งปฏิกิริยา
• การเปลี่ยนสารตั้งต้นและผลได้ที่สูงขึ้น: ด้วยการปรับปรุงการถ่ายเทมวลและการเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยา การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา การเปลี่ยนสารตั้งต้น และผลได้ของผลิตภัณฑ์ โดยเฉพาะเมื่อปฏิกิริยาถูกจำกัดด้วยการขนส่งสาร มากกว่าถูกจำกัดด้วยจลนพลศาสตร์เพียงอย่างเดียว

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการเร่งปฏิกิริยาในเบดนิ่งอย่างไร?

กลไกหลักคือคาวิเทชันทางเสียง: คลื่นอัลตราซาวนด์สร้างฟองขนาดจุลภาคที่เติบโตและยุบตัวอย่างรุนแรง การยุบตัวของฟองก่อให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะบริเวณ ลำพุ่งของของเหลวระดับจุลภาค คลื่นกระแทก และการผสมอย่างเข้มข้น ใกล้พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ผลเหล่านี้สามารถทำความสะอาด กระตุ้น และฟื้นสภาพรอยต่อระหว่างของแข็งกับของเหลวได้ บทความปริทัศน์เกี่ยวกับการเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นเสียงอธิบายปรากฏการณ์นี้ว่าเป็นการเสริมฤทธิ์กันระหว่างอัลตราซาวนด์กับตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็ง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อนและการถ่ายเทมวลที่ดีขึ้น รวมถึงผลเฉพาะบริเวณที่พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ให้ประโยชน์มากที่สุดเมื่อปฏิกิริยาในเบดนิ่งประสบปัญหาต่อไปนี้:

• การแพร่เข้าสู่รูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ช้า,
• การเปียกของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ดี,
• การสะสมของผลิตภัณฑ์ภายในรูพรุน,
• การสะสมคราบหรือพาสซิเวชันที่พื้นผิว,
• จลนพลศาสตร์ที่ถูกจำกัดด้วยการถ่ายเทมวล,
• การกระจายการไหลหลายเฟสที่ไม่สม่ำเสมอ,
• การไหลลัดผ่านเป็นช่องทางในเบดบรรจุ

ตัวเร่งปฏิกิริยาในเบดนิ่ง

เบดนิ่ง (บางครั้งเรียกว่าเบดบรรจุ) โดยทั่วไปบรรจุด้วยเม็ดตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งมักเป็นเม็ดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1–5mm สามารถบรรจุเข้าเครื่องปฏิกรณ์ในรูปแบบเบดเดียว ในเปลือกแยกกัน หรือในท่อ ตัวเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่มีโลหะเป็นองค์ประกอบหลัก เช่น นิกเกิล ทองแดง ออสเมียม แพลทินัม และโรเดียม
ผลของอัลตราซาวนด์กำลังสูงต่อปฏิกิริยาเคมีแบบวิวิธพันธุ์เป็นที่ทราบกันดีและมีการใช้อย่างแพร่หลายในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรม ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่งได้รับประโยชน์จากการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เช่นกัน การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ไปยังตัวเร่งปฏิกิริยาในเบดนิ่งสร้างพื้นผิวที่มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาสูง เพิ่มการขนส่งมวลระหว่างเฟสของเหลว (สารตั้งต้น) กับตัวเร่งปฏิกิริยา และขจัดชั้นเคลือบที่ทำให้เกิดพาสซิเวชัน (เช่น ชั้นออกไซด์) ออกจากพื้นผิว

การเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราซาวนด์

การผสมและการกวนด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการสัมผัสระหว่างสารตั้งต้นกับอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา สร้างพื้นผิวที่มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาสูง และเริ่มต้นและ/หรือส่งเสริมปฏิกิริยาเคมี
การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราซาวนด์สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการตกผลึก การกระจายตัว / การแยกกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกัน และสมบัติพื้นผิว นอกจากนี้ ลักษณะของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขึ้นรูปไว้แล้วอาจเปลี่ยนแปลงได้จากการขจัดชั้นผิวที่ทำให้เกิดพาสซิเวชัน การกระจายตัวที่ดีขึ้น และการถ่ายเทมวลที่เพิ่มขึ้น

ตัวอย่างปฏิกิริยาที่ปรับปรุงด้วยอัลตราซาวนด์

• การปรับสภาพตัวเร่งปฏิกิริยา Ni ล่วงหน้าด้วยอัลตราซาวนด์สำหรับปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน
• การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับตัวเร่งปฏิกิริยา Raney Ni ร่วมกับกรดทาร์ทาริกให้ความเลือกจำเพาะต่อเอนแอนทิโอเมอร์สูงมาก
• ตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch ที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์
• ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดผงอสัณฐานที่ผ่านกระบวนการโซโนเคมีเพื่อเพิ่มความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยา
• การสังเคราะห์ผงโลหะอสัณฐานด้วยคลื่นเสียง

การกู้คืนตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราซาวนด์

ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่งโดยทั่วไปใช้ในรูปเม็ดทรงกลม เม็ดอัด ชิ้นอัดรีด หรืออนุภาคทรงกระบอก ระหว่างปฏิกิริยาเคมี พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเกิดพาสซิเวชันจากชั้นคราบสะสม ส่งผลให้ความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาและ/หรือความเลือกจำเพาะค่อย ๆ ลดลงเมื่อเวลาผ่านไป
ระยะเวลาที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมความว่องไวแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการแตกโมเลกุลอาจเสื่อมความว่องไวภายในเวลาไม่กี่วินาที ขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กที่ใช้ในการสังเคราะห์แอมโมเนียอาจยังคงมีความว่องไวได้นาน 5–10 ปี อย่างไรก็ตาม พบการเสื่อมความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาแทบทั้งหมด แม้อาจมีกลไกการเสื่อมความว่องไวหลายแบบ – รวมถึงการเสื่อมสภาพทางเคมี ทางกล และทางความร้อน – การสะสมคราบเป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา
การสะสมคราบหมายถึงการสะสมตัวทางกายภาพของสารจากเฟสของไหลบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาและภายในรูพรุน คราบเหล่านี้ปิดกั้นตำแหน่งที่เกิดปฏิกิริยา จำกัดการเข้าถึงรูพรุน และลดการสัมผัสระหว่างสารตั้งต้นกับพื้นผิวกัมมันต์ของตัวเร่งปฏิกิริยา การสะสมคราบโค้กหรือคราบที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบบนตัวเร่งปฏิกิริยามักเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ในหลายกรณีสามารถฟื้นคืนสภาพได้บางส่วนหรือทั้งหมดด้วยการฟื้นฟูด้วยอัลตราซาวนด์

คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการขจัดชั้นคราบสะสมที่ทำให้เกิดพาสซิเวชันออกจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ระหว่างการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงสร้างฟองคาวิเทชันในตัวกลางของเหลว การยุบตัวของฟองก่อให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะบริเวณ ลำพุ่งของของเหลวระดับจุลภาค คลื่นกระแทก และการผสมระดับจุลภาคอย่างเข้มข้น ผลเหล่านี้ช่วยให้คราบตกค้างหลุดออกจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา เปิดรูพรุนที่อุดตันอีกครั้ง และฟื้นคืนการเข้าถึงตำแหน่งกัมมันต์
การกู้คืนตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราซาวนด์โดยทั่วไปดำเนินการโดยกระจายอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาในของเหลว เช่น น้ำปราศจากไอออนหรือตัวทำละลายที่เหมาะสม แล้วให้สารแขวนลอยผ่านการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ภายใต้การควบคุม กระบวนการนี้สามารถขจัดคราบตกค้างออกจากวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาหลายชนิด รวมถึงตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม/เส้นใยซิลิกา ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล และตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะบนตัวรองรับชนิดอื่น ๆ ด้วยเหตุนี้ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จึงสามารถช่วยฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยา ยืดอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยา และเพิ่มความยั่งยืนของกระบวนการได้

คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แล้วด้วยอัลตราซาวนด์!

เครื่องอัลตราซาวนด์สำหรับติดตั้งรวมเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์เคมี

Hielscher Ultrasonics นำเสนอเครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์หลากหลายชนิดและรูปแบบสำหรับติดตั้งอัลตราซาวนด์กำลังสูงรวมเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง มีระบบอัลตราซาวนด์หลายรูปแบบให้เลือกติดตั้งในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชนิดที่ซับซ้อนมากขึ้น เรานำเสนอ ระบบอัลตราซาวนด์ที่ปรับแต่งตามความต้องการ โดยเฉพาะ
เรียนรู้ว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงปฏิกิริยาเคมีในเครื่องปฏิกรณ์รูปแบบต่าง ๆ ได้อย่างไร!
หากต้องการทดสอบผลของการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ต่อปฏิกิริยาเคมีของคุณ เรายินดีต้อนรับคุณสู่ห้องปฏิบัติการกระบวนการอัลตราซาวนด์และศูนย์เทคนิคของเราใน Teltow!
ติดต่อเราวันนี้! เรายินดีหารือกับคุณเกี่ยวกับการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเคมีของคุณด้วยอัลตราซาวนด์!
ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher: