Ультразвуково інтенсифіковані реактори з нерухомим шаром каталізатора

Ультразвукова обробка може покращувати каталітичні реакції в реакторах з нерухомим шаром каталізатора переважно за рахунок інтенсифікації масоперенесення навколо та всередині насипного шару каталізатора. Крім того, ультразвукова обробка видаляє пасивуючі та забруднювальні шари з поверхні каталізатора, тим самим безперервно регенеруючи каталізатор.

Як ультразвукова обробка покращує каталіз у реакторах з нерухомим шаром

У реакторі з нерухомим шаром каталізатора частинки каталізатора залишаються стаціонарними, тоді як рідкі, газові або багатофазні реагенти протікають через шар. Продуктивність реакції часто обмежується зовнішнім масоперенесенням, дифузією в порах, каналуванням, забрудненням та градієнтами тепlopеренесення. Ультразвук може зменшити деякі з цих обмежень, генеруючи акустичну кавітацію, мікрострумені, зсувні сили та осциляції тиску.

Ультразвуковий обробник UIP2000hdT, встановлений на реакторі з нерухомим шаром для інтенсифікації каталітичних реакцій

Ультразвуковий обробник UIP2000hdT інтегрований у реактор з нерухомим шаром каталізатора

Ключові ефекти реакцій у нерухомому шарі, інтенсифікованих ультразвуком

Покращене зовнішнє масоперенесення: Ультразвукові мікрострумені зменшують нерухомий граничний шар навколо частинок каталізатора, дозволяючи реагентам ефективніше досягати активних центрів.
Покращена доступність пор: Флуктуації тиску та рух рідини, спричинені кавітацією, можуть покращити проникнення реагентів у пори каталізатора та видалення продуктів із пор.
Зменшення забруднення та пасивації: Ультразвукова обробка може допомогти видалити відкладення, полімерні плівки, прекурсори коксу або інші пасивуючі шари з поверхні каталізатора, підтримуючи каталітичну активність протягом довшого часу.

Покращений контакт рідина–тверде тіло: Ультразвук сприяє кращому змочуванню частинок каталізатора, що особливо корисно в краплинних, суспензійних або рідкофазних системах з нерухомим шаром каталізатора.

Зменшення каналування в насипних шарах: У дослідженнях мікрореакторів з насипним шаром показано, що ультразвук модифікує поведінку потоку та зменшує дисперсію, допомагаючи реактору наближатися до більш ідеальної поведінки поршневого потоку.
Покращене тепlopеренесення: Акустичні потоки та турбулентність покращують локальне відведення тепла, зменшуючи гарячі точки або холодні зони в шарі каталізатора.
Вища конверсія та вихід продукту: Покращуючи масоперенесення та доступність каталізатора, ультразвукова обробка може збільшити швидкість реакції, конверсію та вихід продукту, особливо коли реакція обмежена перенесенням, а не чисто кінетичними факторами.

Як ультразвукова обробка покращує каталіз у реакторах з нерухомим шаром?

Основним механізмом є акустична кавітація: ультразвукові хвилі створюють мікроскопічні бульбашки, які ростуть і бурхливо колапсують. Їхній колапс генерує локальний зсув, мікрострумені, ударні хвилі та інтенсивне змішування. Біля поверхонь каталізатора ці ефекти можуть очищати, активувати та оновлювати межу поділу рідина–тверде тіло. Огляди сонокаталізу описують це як синергію між ультразвуком і твердими каталізаторами, що включає покращене тепlopеренесення, масоперенесення та локалізовані ефекти на каталітичних поверхнях.

Ультразвукова обробка є найбільш корисною, коли реакція в нерухомому шарі страждає від:

повільної дифузії в пори каталізатора,
поганого змочування частинок каталізатора,
накопичення продуктів всередині пор,
забруднення або пасивації поверхні,
кінетики, обмеженої масоперенесенням,
нерівномірного розподілу багатофазного потоку,
каналування через насипний шар.

Каталізатори для реакторів з нерухомим шаром

Нерухомі шари (іноді також називані насипними шарами) зазвичай завантажуються гранулами каталізатора, які зазвичай є гранулами діаметром 1–5mm. Вони можуть бути завантажені в реактор у формі одного шару, окремих оболонок або в трубках. Каталізатори переважно базуються на металах, таких як нікель, мідь, осмій, платина та родій.
Ефекти потужного ультразвуку на гетерогенні хімічні реакції добре відомі та широко використовуються в промислових каталітичних процесах. Каталітичні реакції в реакторі з нерухомим шаром також виграють від ультразвукової обробки. Ультразвукове опромінення каталізатора в нерухомому шарі створює високоактивні поверхні, збільшує масоперенесення між рідкою фазою (реагентами) та каталізатором і видаляє пасивуючі покриття (наприклад, оксидні шари) з поверхні.

Ультразвуковий гомогенізатор UIP1500hdT з проточною коміркою, обладнаною сорочкою охолодження для контролю температури процесу під час ультразвукової обробки.

Ультразвуковий обробник UIP1500hdT з проточною коміркою для реактивації та рециклінгу відпрацьованих каталізаторів

Переваги каталітичних реакцій, інтенсифікованих ультразвуком

Покращена ефективність
Підвищена реакційна здатність
Підвищена швидкість конверсії
Вищий вихід
Рециклінг каталізатора

Інтенсифікація каталітичних реакцій ультразвуком

Ультразвукове змішування та перемішування покращує контакт між частинками реагентів і каталізатора, створює високоактивні поверхні та ініціює і/або посилює хімічну реакцію.
Ультразвукове приготування каталізатора може спричиняти зміни у поведінці кристалізації, дисперсії / дезагломерації та властивостях поверхні. Крім того, характеристики попередньо сформованих каталізаторів можна змінити шляхом видалення пасивуючих поверхневих шарів, кращої дисперсії та підвищення масопереносу.

Приклади реакцій, покращених ультразвуком

Ультразвукова попередня обробка Ni-каталізатора для реакцій гідрогенізації
Сонікований Raney Ni каталізатор з винною кислотою забезпечує дуже високу енантиоселективність
Ультразвуково синтезовані каталізатори Фішера-Тропша
Аморфні порошкові каталізатори, оброблені сонохімічно, для підвищеної реакційної здатності
Соно-синтез аморфних металевих порошків

Ультразвукове відновлення каталізатора

Тверді каталізатори в реакторах із нерухомим шаром зазвичай використовуються у формі сферичних гранул, таблеток, екструдатів або циліндричних частинок. Під час хімічних реакцій поверхня каталізатора може пасивуватися шаром забруднень, що призводить до поступової втрати каталітичної активності та/або селективності з часом.
Часовий масштаб дезактивації каталізатора значно варіюється. Наприклад, дезактивація каталізатора крекінгу може відбуватися протягом секунд, тоді як залізний каталізатор, що використовується в синтезі аміаку, може залишатися активним протягом 5–10 років. Тим не менш, дезактивація каталізатора спостерігається практично в усіх каталітичних процесах. Хоча можуть відбуватися різні механізми дезактивації – включаючи хімічну, механічну та термічну деградацію – забруднення є однією з найпоширеніших причин розпаду каталізатора.
Забруднення означає фізичне осадження речовин із рідкої фази на поверхню каталізатора та всередину його пор. Ці відкладення блокують реакційні центри, обмежують доступність пор і 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 забруднень з поверхні каталізатора. Під час сонікації високоефектний ультразвук генерує кавітаційні бульбашки в рідкому середовищі. Їхнє колапсування створює локальні зсувні сили, мікрострумені, ударні хвилі та інтенсивне мікрозмішування. Ці ефекти допомагають відокремити залишки забруднень від поверхні каталізатора, відновити доступ до заблокованих пор і повернути доступ до активних центрів.
Ультразвукове відновлення каталізатора зазвичай здійснюється шляхом диспергування частинок каталізатора в рідині, такій як деіонізована вода або відповідний розчинник, і піддавання суспензії контрольованій ультразвуковій обробці. Цей процес може видаляти залишки забруднень з різних каталітичних матеріалів, включаючи каталізатори на основі платини/волокна діоксиду кремнію, нікелеві каталізатори та інші каталізатори на носіях. В результаті сонікація може сприяти регенерації каталізатора, подовженню терміну служби каталізатора та покращенню сталості процесу.

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

Соникатори для інтеграції в хімічні реактори

Hielscher Ultrasonics пропонує різні ультразвукові процесори та варіації для інтеграції потужного ультразвуку в реактори з нерухомим шаром. Доступні різні ультразвукові системи для встановлення в реактори з нерухомим шаром. Для більш складних типів реакторів ми пропонуємо індивідуальні ультразвукові рішення.
Дізнайтеся, як сонікація покращує хімічні реакції в різних конструкціях реакторів!
Щоб перевірити вплив сонікації на вашу хімічну реакцію, ласкаво просимо відвідати нашу лабораторію ультразвукових процесів і технічний центр у Тельтові!
Зв’яжіться з нами сьогодні! Ми будемо раді обговорити з вами інтенсифікацію вашого хімічного процесу за допомогою ультразвуку!
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки ультразвукових генераторів Hielscher:

Об’єм партії	Об’ємна витрата	Рекомендовані пристрої
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20L	0,2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	більше	кластер UIP16000

Потокова обробка за допомогою 7kW потужних ультразвукових процесорів (Натисніть, щоб збільшити!)

Проточна ультразвукова система

Ультразвуково інтенсифіковані реакції

Гідрогенізація
Alcylation
Ціанування
Етерифікація
Естерифікація
Полімеризація

(наприклад, каталізатори Ціглера–Натта, металоцени)

Алювання
Бромування

Запросіть додаткову інформацію

Будь ласка, скористайтеся формою нижче, щоб отримати додаткову інформацію про ультразвукові апарати для інтеграції в реактори з нерухомим шаром, технічні характеристики та ціни. Ми з радістю обговоримо з Вами конструкцію Вашого хімічного реактора та запропонуємо найкращий ультразвуковий апарат, що відповідає Вашим вимогам!

Адреса електронної пошти (обов’язково)

Номер телефону

Ім’я

Сфера інтересу

Література / Посилання

Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Heterogeneous Catalyst Deactivation and Regeneration: A Review. Catalysts 2015, 5, 145-269.
Oza, R.; Patel, S. (2012): Recovery of Nickel from Spent Ni/Al2O3 Catalysts using Acid Leaching, Chelation and Ultrasonication. 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): Ultrasonically Assisted Regioselective Nitration of Aromatic Compounds in Presence of Certain Group V and VI Metal Salts. Green and Sustainable Chemistry, 2012, 2, 97-111.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” In: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.

Пов’язані теми

Факти, які варто знати

Що таке ультразвукова кавітація?

Ультразвукова кавітація – це утворення, зростання та бурхливе колапс мікроскопічних бульбашок пари або газу в рідині, що піддається дії ультразвуку високої інтенсивності. Під час колапсу бульбашок протягом дуже короткого часу можуть виникати екстремальні локальні умови, включаючи високу температуру, високий тиск, ударні хвилі, мікроджгути та інтенсивні зсувні сили.

Що таке сонохімія?

Сонохімія – це використання цих ефектів ультразвукової кавітації для ініціювання, прискорення або модифікації хімічних та фізико-хімічних процесів. Вона особливо актуальна в рідкофазних системах, оскільки кавітація покращує змішування, масоперенесення, емульгування, диспергування частинок, очищення поверхні каталізатора та, в деяких випадках, утворення радикалів. Як наслідок, сонохімія використовується для інтенсифікації таких реакцій, як гетерогенний каталіз, окиснення, екстракція, полімеризація, кристалізація та синтез наноматеріалів.

Що таке гетерогенна каталітична реакція?

У хімії гетерогенний каталіз відноситься до типу каталітичної реакції, де фази каталізатора та реагентів відрізняються одна від одної. У контексті гетерогенної хімії фаза використовується не лише для розрізнення твердого, рідкого та газоподібного станів, але й стосується також незмішуваних рідин, наприклад, олії та води.
Під час гетерогенної реакції один або кілька реагентів зазнають хімічної зміни на межі розділу фаз, наприклад, на поверхні твердого каталізатора.
Швидкість реакції залежить від концентрації реагентів, розміру частинок, температури, каталізатора та інших факторів.
Концентрація реагентів: Загалом, збільшення концентрації реагенту підвищує швидкість реакції завдяки більшій межі розділу фаз і, як наслідок, більшому переносу фази між частинками реагентів.
Розмір частинок: Коли один із реагентів є твердою частинкою, його не можна відобразити в рівнянні швидкості, оскільки рівняння швидкості показує лише концентрації, а тверді речовини не можуть мати концентрації, оскільки перебувають у іншій фазі. Однак розмір частинок твердої речовини впливає на швидкість реакції завдяки доступній площі поверхні для переносу фази.
Температура реакції: Температура пов’язана з константою швидкості через рівняння Арреніуса: k = Ae^-Ea/RT
Де Ea – енергія активації, R – універсальна газова стала, а T – абсолютна температура в Кельвінах. A – фактор Арреніуса (частотний фактор). e^-Ea/RT дає кількість частинок під кривою, які мають енергію більшу, ніж енергія активації, Ea.
Каталізатор: У більшості випадків реакції відбуваються швидше за наявності каталізатора, оскільки вони потребують меншої енергії активації. Гетерогенні каталізатори забезпечують шаблонну поверхню, на якій відбувається реакція, тоді як гомогенні каталізатори утворюють проміжні продукти, які вивільняють каталізатор під час наступного етапу механізму.
Інші фактори: Інші фактори, такі як світло, можуть впливати на певні реакції (фотохімія).

Які існують типи дезактивації каталізатора?

Отруєння каталізатора – це термін для сильної хемосорбції видів на каталітичних сайтах, які блокують сайти для каталітичної реакції. Отруєння може бути оборотним або необоротним.
Загрязнення (фоулінг) відноситься до механічної деградації каталізатора, коли види з рідкої фази осаджуються на каталітичній поверхні та в порах каталізатора.
Термічна деградація та спікання призводять до втрати каталітичної площі поверхні, площі носія та реакцій між активною фазою та носієм.
Утворення пари означає форму хімічної деградації, при якій газова фаза реагує з каталітичною фазою з утворенням летких сполук.
Реакції «пара–тверде тіло» та «тверде тіло–тверде тіло» призводять до хімічної деактивації каталізатора. Пара, носій або промотор реагують з каталізатором, утворюючи неактивну фазу.
Абразивний знос або подрібнення частинок каталізатора призводять до втрати каталітичного матеріалу внаслідок механічного абразивного зносу. Внутрішня поверхня каталізатора втрачається через механічне подрібнення частинок каталізатора.

Дізнайтеся більше про те, як ультразвукова обробка може реактивувати відпрацьовані каталізатори!

Що таке нуклеофільне заміщення?

Нуклеофільне заміщення є фундаментальним класом реакцій в органічній (та неорганічній) хімії, при яких нуклеофіл селективно зв’язується у формі основи Льюїса (як донор електронної пари) з органічним комплексом або атакує позитивний або частково позитивний (+) заряд атома чи групи атомів, щоб замінити групу, що відходить. Позитивний або частково позитивний атом, який є акцептором електронної пари, називається електрофілом. Ціла молекулярна сутність електрофіла та групи, що відходить, зазвичай називається субстратом.
Нуклеофільне заміщення можна спостерігати як два різні шляхи – S_N1 та S_N2 реакції. Яка форма механізму реакції – S_N1 або S_N2 – відбувається, залежить від структури хімічних сполук, типу нуклеофіла та розчинника.