Реактори з фіксованим шаром з ультразвуковою інтенсифікацією

Ультразвукова обробка може покращити каталітичні реакції в реакторах із нерухомим шаром, головним чином за рахунок посилення масообміну навколо та всередині шару набитого каталізатора. Крім того, ультразвукова обробка видаляє шари пасивації та забруднення з поверхні каталізатора, тим самим забезпечуючи його безперервну регенерацію.

Як ультразвукова обробка покращує каталіз у фіксованому шарі

У реакторі з нерухомим шаром частинки каталізатора залишаються нерухомими, тоді як рідкі, газоподібні або багатофазні реагенти протікають крізь шар. Ефективність реакції часто обмежується зовнішнім масообміном, дифузією в порах, каналізацією, забрудненням та градієнтами теплообміну. Ультразвук може зменшити деякі з цих обмежень завдяки утворенню акустичної кавітації, мікропотоків, зсувних сил та коливань тиску.

Основні ефекти реакцій у фіксованому шарі з ультразвуковим підсиленням

• Покращений зовнішній масообмін: Ультразвукове мікропотокове перемішування зменшує застійний прикордонний шар навколо частинок каталізатора, що дозволяє реагентам ефективніше досягати активних центрів.
• Покращена доступність пор: Коливаня тиску та рух рідини, спричинені кавітацією, можуть покращити проникнення реагентів у пори каталізатора та виведення продуктів з пор.
• Зменшення утворення накипу та пасивація: Ультразвукова обробка може допомогти видалити відкладення, полімерні плівки, попередники коксу або інші пасивуючі шари з поверхонь каталізаторів, що дозволяє довше зберігати каталітичну активність.

Покращений контакт між рідиною та твердим тілом: Ультразвук сприяє кращому змочуванню частинок каталізатора, що є особливо корисним у системах з капельним шаром, системах із подачею суспензії або системах із нерухомим шаром у рідкій фазі.

• Зменшення утворення каналів у набитих шарах: У дослідженнях з використанням мікронасипаного шару було показано, що ультразвук змінює характеристики потоку та зменшує дисперсію, допомагаючи реактору наблизитися до більш ідеального режиму прохідного потоку.
• Покращений теплообмін: Акустична проточність і турбулентність сприяють покращенню локального відведення тепла, зменшуючи кількість гарячих точок або холодних зон у шарі каталізатора.
• Вища конверсія та врожайність: Завдяки поліпшенню масообміну та доступності каталізатора ультразвукова обробка дозволяє підвищити швидкість реакції, ступінь перетворення та вихід продукту, особливо в тих випадках, коли реакція обмежується транспортними процесами, а не суто кінетичними факторами.

Як ультразвукова обробка покращує каталіз у фіксованому шарі?

Основним механізмом є акустична кавітація: ультразвукові хвилі утворюють мікроскопічні бульбашки, які швидко зростають і бурхливо руйнуються. Їхнє руйнування спричиняє локальні зсувні навантаження, утворення мікроструменів, ударних хвиль та інтенсивне перемішування. Поблизу поверхонь каталізаторів ці ефекти можуть очищати, активувати та оновлювати межу розділу «тверде тіло — рідина». У оглядах з сонокаталізу це описується як синергія між ультразвуком та твердими каталізаторами, що супроводжується покращеним теплообміном, масообміном та локалізованими ефектами на каталітичних поверхнях.

Ультразвукова обробка є найбільш ефективною, коли реакція у фіксованому шарі супроводжується такими проблемами:

• повільна дифузія в пори каталізатора,
• недостатнє змочування частинок каталізатора,
• накопичення речовини всередині пор,
• забруднення або пасивація поверхні,
• кінетика, обмежена масопереносом,
• нерівномірний розподіл багатофазного потоку,
• проходження через насипаний шар.

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 потужного ультразвуку на гетерогенні хімічні реакції добре відомий і широко застосовується в промислових каталітичних процесах. Каталітичні реакції в реакторі з нерухомим шаром також виграють від обробки ультразвуком. Ультразвукове опромінення каталізатора у реакторі з нерухомим шаром створює високореактивні поверхні, посилює масообмін між рідкою фазою (реактантами) та каталізатором, а також видаляє з поверхні пасивуючі покриття (наприклад, оксидні шари).

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.

Приклади реакцій, ефективність яких підвищено за допомогою ультразвуку

• Ультразвукова попередня обробка каталізатора Ni для реакцій гідрування
• Ультразвуковий каталізатор Raney Ni з винною кислотою забезпечує дуже високу енантіоселективність
• Каталізатори Фішера-Тропша, синтезовані за допомогою ультразвуку
• Сонохімічно оброблені аморфні порошкові каталізатори для підвищення реакційної здатності
• Соносинтез порошків аморфних металів

Відновлення ультразвукового каталізатора

Тверді каталізатори в реакторах із нерухомим шаром зазвичай використовуються у вигляді кулястих гранул, пелет, екструдатів або циліндричних частинок. Під час хімічних реакцій поверхня каталізатора може пасивуватися внаслідок утворення нальоту, що з часом призводить до поступової втрати каталітичної активності та/або селективності.
Тривалість процесу деактивації каталізатора може значно варіюватися. Наприклад, деактивація каталізатора крекінгу може відбуватися за лічені секунди, тоді як залізний каталізатор, що використовується в синтезі аміаку, може залишатися активним протягом 5–10 років. Проте деактивація каталізатора спостерігається практично в усіх каталітичних процесах. Хоча можуть мати місце різні механізми деактивації – включаючи хімічне, механічне та термічне руйнування – забруднення є однією з найпоширеніших причин втрати активності каталізатора.
Під забрудненням розуміється фізичне осадження речовин із рідкої фази на поверхню каталізатора та всередину його пор. Ці відкладення блокують реакційні центри, обмежують доступність пор та зменшують контакт між реагентами та активною поверхнею каталізатора. Забруднення каталізатора коксом або вуглецевими відкладеннями часто є швидким процесом; однак у багатьох випадках його можна частково або повністю усунути за допомогою ультразвукової регенерації.

Ультразвукова кавітація є ефективним методом видалення пасивуючих шарів відкладень з поверхонь каталізаторів. Під час ультразвукової обробки ультразвук високої інтенсивності утворює кавітаційні бульбашки в рідкому середовищі. Їхнє руйнування створює локалізовані зсувні сили, мікрострумені, ударні хвилі та інтенсивне мікроперемішування. Ці ефекти сприяють відриву залишків нагару від поверхні каталізатора, розблокуванню забитих пор та відновленню доступу до активних центрів.
Ультразвукова регенерація каталізатора зазвичай здійснюється шляхом диспергування частинок каталізатора в рідині, наприклад, у деіонізованій воді або відповідному розчиннику, та піддавання суспензії контрольованій ультразвуковій обробці. Цей процес дозволяє видалити залишки нагару з різних каталітичних матеріалів, зокрема з каталізаторів на основі платинових волокон у кремнеземі, нікелевих каталізаторів та інших каталізаторів на металевій носії. У результаті ультразвукова обробка може сприяти регенерації каталізатора, подовженню терміну його експлуатації та підвищенню екологічної стійкості технологічного процесу.

Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукову регенерацію відпрацьованих каталізаторів!

Ультразвукові пристрої для вбудовування в хімічні реактори

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.
Дізнайтеся, як ультразвукова обробка покращує хімічні реакції в реакторах різних типів!
Щоб перевірити вплив ультразвукового оброблення на вашу хімічну реакцію, запрошуємо вас відвідати нашу лабораторію ультразвукових технологій та технічний центр у Тельтові!
Зв'яжіться з нами сьогодні! Ми раді обговорити з Вами ультразвукову інтенсифікацію Вашого хімічного процесу!
У наведеній нижче таблиці вказана приблизна потужність обробки ультразвукових апаратів Hielscher: