Реактори з фіксованим шаром з ультразвуковою інтенсифікацією
- Ультразвукове перемішування і диспергування активує і інтенсифікує каталітичну реакцію в реакторах з нерухомим шаром.
- Ультразвуковий звук покращує масообмін і тим самим підвищує ефективність, коефіцієнт перетворення і вихід продукції.
- Додатковою перевагою є видалення пасивуючих обростаючих шарів з частинок каталізатора за допомогою ультразвукової кавітації.
Каталізатори з нерухомим шаром
Стаціонарні шари (іноді їх також називають упакованими) зазвичай завантажуються гранулами каталізатора, які зазвичай являють собою гранули діаметром від 1 до 5 мм. Вони можуть завантажуватися в реактор у вигляді одного шару, у вигляді окремих оболонок або в трубах. В основі каталізаторів в основному лежать такі метали, як нікель, мідь, осмій, платина і родій.
Вплив силового ультразвуку на різнорідні хімічні реакції добре відомий і широко використовується для промислових каталітичних процесів. Каталітичні реакції в реакторі з нерухомим шаром також можуть отримати користь від ультразвукової обробки. Ультразвукове опромінення каталізатора з нерухомим шаром створює високореактивні поверхні, збільшує транспорт маси між рідкою фазою (реагентами) і каталізатором, а також видаляє з поверхні пасивуючі покриття (наприклад, оксидні шари). Ультразвукова дроблення крихких матеріалів збільшує площі поверхні і сприяє тим самим підвищенню активності.
Переваги
- Підвищена ефективність
- Підвищення реактивності
- Підвищений коефіцієнт конверсії
- Більш висока врожайність
- Утилізація каталізатора
Ультразвукова інтенсифікація каталітичних реакцій
Ультразвукове перемішування та перемішування покращує контакт між частинками реагенту та каталізатора, створює високореакційні поверхні та ініціює та/або підсилює хімічну реакцію.
Підготовка ультразвукового каталізатора може викликати зміни поведінки кристалізації, дисперсності / деагломерації і поверхневих властивостей. Крім того, на характеристики попередньо сформованих каталізаторів можна впливати шляхом видалення пасивуючих поверхневих шарів, кращого диспергування, збільшення масообміну.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про вплив ультразвуку на хімічні реакції (сонохімія)!
Приклади
- Ультразвукова попередня обробка каталізатора Ni для реакцій гідрування
- Ультразвуковий каталізатор Raney Ni з винною кислотою забезпечує дуже високу енантіоселективність
- Каталізатори Фішера-Тропша з ультразвуковою підготовкою
- Сонохімічно оброблені аморфні порошкові каталізатори для підвищення реакційної здатності
- Соносинтез порошків аморфних металів
Відновлення ультразвукового каталізатора
Тверді каталізатори в реакторах з нерухомим шаром в основному мають форму шерозних кульок або циліндричних трубок. Під час хімічної реакції поверхня каталізатора пасивується шаром забруднення, що з часом призводить до втрати каталітичної активності та/або селективності. Часові масштаби розпаду каталізатора значно різняться. У той час як, наприклад, смертність каталізатора крекінгу може настати протягом декількох секунд, залізний каталізатор, який використовується в синтезі аміаку, може тривати 5-10 років. Однак деактивація каталізатора може спостерігатися для всіх каталізаторів. Незважаючи на те, що можуть спостерігатися різні механізми (наприклад, хімічні, механічні, термічні) деактивації каталізатора, забруднення є одним з найбільш частих видів розпаду каталізатора. Під забрудненням розуміється фізичне осадження видів з рідкої фази на поверхню і в порах каталізатора, блокуючи тим самим реактивні центри. Забруднення каталізатора коксом і вуглецем є швидким процесом і може бути усунутий шляхом регенерації (наприклад, ультразвукової обробки).
Ультразвукова кавітація є успішним методом видалення пасивуючих шарів забруднення з поверхні каталізатора. Відновлення ультразвукового каталізатора зазвичай проводиться шляхом ультразвукового видалення частинок у рідині (наприклад, деіонізованій воді) для видалення залишків забруднення (наприклад, платини/кремнеземистого волокна pt/SF, нікелевих каталізаторів).
Ультразвукові системи
Hielscher Ultrasonics пропонує різні ультразвукові процесори та варіації для інтеграції енергетичного ультразвуку в реактори з нерухомим шаром. Доступні різні ультразвукові системи для установки в реактори з нерухомим шаром. Для більш складних типів реакторів ми пропонуємо Ультразвуковий на замовлення Рішення.
Щоб перевірити свою хімічну реакцію під ультразвуковим випромінюванням, ласкаво просимо відвідати нашу лабораторію ультразвукових процесів і технічний центр у Тельтові!
Зв'яжіться з нами сьогодні! Ми раді обговорити з Вами ультразвукову інтенсифікацію Вашого хімічного процесу!
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
Ультразвукова проточна система
- Гідрування
- Альцилювання
- Ціанізація
- Ефірифікація
- етерифікація
- Полімеризації
- Алліляція
- Бромування
(наприклад, каталізатори Ціглера-Натта, металоцени)
Література/Список літератури
- Аргайл, доктор медичних наук; Бартолом'ю, К.Х. (2015): Деактивація та регенерація гетерогенного каталізатора: огляд. Каталізатори 2015, 5, 145-269.
- Оза, Р.; Патель, С. (2012): Відновлення нікелю з відпрацьованих каталізаторів Ni/Al2O3 за допомогою кислотного вилуговування, хелатування та ультразвуку. Науковий журнал новітніх наук, том 1; 2012. 434-443.
- Сана, С.; Раджанна, K.Ch р.; Редді, К. Р.; Бхушан, М.; Венкатешварлу, М.; Кумар, М.С.; Уппалая, К. (2012): Ультразвукове регіоселективне нітрування ароматичних сполук у присутності певних солей металів групи V та VI. Зелена та стійка хімія, 2012, 2, 97-111.
- Суслік, К. С.; Скрабалак, С. Є. (2008): “Сонокаталіз” В: Довідник з гетерогенного каталізу, т. 4; Ертль, Г.; Кнезінгер, Х.; Шют, Ф.; Вейткамп, Дж., (ред.). Вайлі-ВЧ: Вайнхайм, 2008. 2006-2017.
Факти, які варто знати
Ультразвукова кавітація та сонохімія
З'єднання енергії ультразвуку з рідинами та суспензіями призводить до акустична кавітація. Акустична кавітація відноситься до явища швидкого утворення, зростання та вибухового руйнування порожнеч, заповнених парою. Це породжує дуже короткочасні «гарячі точки» з екстремальними температурними піками до 5000 К, дуже високими швидкостями нагріву/охолодження вище 109Кс-1, і тиском 1000 атм з відповідними перепадами – І все це протягом наносекундного терміну служби.
Науковий напрям Сонохімія досліджує вплив ультразвуку на формування акустичної кавітації в рідинах, яка ініціює та/або підсилює хімічну активність у розчині.
Гетерогенні каталітичні реакції
У хімії під гетерогенним каталізом розуміють тип каталітичної реакції, при якій фази каталізатора і реагуючих речовин відрізняються один від одного. У контексті гетерогенної хімії фаза використовується не тільки для розрізнення твердого тіла, рідини та газу, але також відноситься до рідин, що не змішуються, наприклад, нафти та води.
Під час гетерогенної реакції один або кілька реагентів зазнають хімічних змін на межі розділу, наприклад, на поверхні твердого каталізатора.
Швидкість реакції залежить від концентрації реагентів, розміру частинок, температури, каталізатора та інших факторів.
Концентрація реагенту: У загальному випадку збільшення концентрації реагенту збільшує швидкість реакції за рахунок більшої межі розділу і, тим самим, більшого перенесення фаз між частинками реагенту.
Розмір частинок: Коли один з реагентів є твердою частинкою, то він не може бути відображений у рівнянні швидкості, оскільки рівняння швидкості показує лише концентрації, а тверді речовини не можуть мати концентрацію, оскільки перебувають у іншій фазі. Однак розмір частинок твердої речовини впливає на швидкість реакції за рахунок доступної площі поверхні для фазового перенесення.
Температура реакції: Температура пов'язана з константою швидкості за допомогою рівняння Арреніуса: k = Ae-Ea/RT
Де Еа – енергія активації, R – універсальна газова постійна, а Т – абсолютна температура в кельвінах. А - коефіцієнт Арреніуса (частоти). e-Ea/RT дає число частинок під кривою, які мають енергію більшу за енергію активації, Еа.
Каталізатором: У більшості випадків реакції відбуваються швидше з каталізатором, оскільки вони вимагають меншої енергії активації. Гетерогенні каталізатори забезпечують поверхню матриці, на якій відбувається реакція, тоді як гомогенні каталізатори утворюють проміжні продукти, які вивільняють каталізатор на наступному етапі механізму.
Інші фактори: Інші фактори, такі як світло, можуть впливати на певні реакції (фотохімія).
Нуклеофільне заміщення
Нуклеофільне заміщення — це фундаментальний клас реакцій в органічній (і неорганічній) хімії, в яких нуклеофіл вибірково зв'язується у вигляді основи Льюїса (як донатор електронної пари) з органічним комплексом з позитивним або частково позитивним (+ve)зарядом атома або групи атомів для заміни залишаючої групи. Позитивний або частково позитивний атом, який є акцептором електронної пари, називається електрофілом. Всю молекулярну сутність електрофіла і залишаючої групи прийнято називати субстратом.
Нуклеофільне заміщення може спостерігатися у вигляді двох різних шляхів – ПN1 і СN2 реакція. Механізм якої форми реакції – sN1 або SN2 – відбувається, залежить від будови хімічних сполук, виду нуклеофіла і розчинника.
Види дезактивації каталізатора
- Отруєння каталізатором — це термін для позначення сильної хемосорбції видів на каталітичних ділянках, які блокують ділянки для каталітичної реакції. Отруєння може бути оборотним або незворотнім.
- Під забрудненням мається на увазі механічна деградація каталізатора, коли види рідкої фази осідають на поверхню каталізатора і в порах каталізатора.
- Термічна деградація і спікання призводять до втрати площі каталітичної поверхні, площі опори і активних реакцій фазової підтримки.
- Пароутворення означає форму хімічного розкладання, коли газова фаза реагує з фазою каталізатора з утворенням летких сполук.
- Реакції пар-тверде і тверде тіло призводять до хімічної дезактивації каталізатора. Пар, опора або промотор вступають в реакцію з каталізатором таким чином, що утворюється неактивна фаза.
- Стирання або дроблення частинок каталізатора призводить до втрати каталітичного матеріалу внаслідок механічного стирання. Внутрішня площа поверхні каталізатора втрачається внаслідок механічного дроблення частинки каталізатора.