Реактори з фіксованим шаром з ультразвуковою інтенсифікацією
Sonication can improve catalytic reactions in fixed-bed reactors mainly by intensifying mass transfer around and inside the packed catalyst bed. Additionally, sonication removes passivation and fouling layers from the catalyst surface thereby continuously regenerating the catalyst.
How Sonication Improves Fixed-Bed Catalysis
In a fixed-bed reactor, the catalyst particles remain stationary while liquid, gas, or multiphase reactants flow through the bed. Reaction performance is often limited by external mass transfer, pore diffusion, channeling, fouling, and heat-transfer gradients. Ultrasound can reduce several of these limitations by generating acoustic cavitation, microstreaming, shear forces, and pressure oscillations.
Звуковий апарат UIP2000hdT integrated in a fixed bed reactor
Key Effects of Ultrasonically-Intensified Fixed Bed Reactions
- Improved external mass transfer: Ultrasonic microstreaming reduces the stagnant boundary layer around catalyst particles, allowing reactants to reach active sites more efficiently.
- Enhanced pore accessibility: Cavitation-induced pressure fluctuations and liquid movement can improve penetration of reactants into catalyst pores and removal of products from pores.
- Reduction of fouling and passivation: Sonication can help remove deposits, polymer films, coke precursors, or other passivating layers from catalyst surfaces, maintaining catalytic activity for longer.
- Reduced channeling in packed beds: In micropacked-bed studies, ultrasound has been shown to modify flow behavior and reduce dispersion, helping the reactor approach more ideal plug-flow behavior.
- Покращений теплообмін: Acoustic streaming and turbulence improve local heat dissipation, reducing hot spots or cold zones in the catalyst bed.
- Higher conversion and yield: By improving mass transfer and catalyst accessibility, sonication can increase reaction rate, conversion, and product yield, especially when the reaction is transport-limited rather than purely kinetically limited.
Improved liquid-solid contact: Ultrasound promotes better wetting of catalyst particles, which is especially useful in trickle-bed, slurry-fed, or liquid-phase fixed-bed systems.
How does Sonication Improve Fixed Bed Catalysis?
The main mechanism is acoustic cavitation: ultrasonic waves create microscopic bubbles that grow and collapse violently. Their collapse generates local shear, microjets, shockwaves, and intense mixing. Near catalyst surfaces, these effects can clean, activate, and refresh the solid-liquid interface. Reviews of sonocatalysis describe this as a synergy between ultrasound and solid catalysts, involving improved heat transfer, mass transfer, and localized effects at catalytic surfaces.
Sonication is most beneficial when the fixed-bed reaction suffers from:
- slow diffusion into catalyst pores,
- poor wetting of catalyst particles,
- product accumulation inside pores,
- fouling or surface passivation,
- mass-transfer-limited kinetics,
- multiphase flow maldistribution,
- channeling through the packed bed.
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.
The effects of power ultrasound on heterogeneous chemical reactions are well known and widely used for industrial catalytic processes. Catalytic reactions in a fixed bed reactor benefit from sonication treatment, too. Ultrasonic irradiation of the fixed bed catalyst generates highly reactive surfaces, increases the mass transport between liquid phase (reactants) and catalyst, and removes passivating coatings (e.g. oxide layers) from the surface.
- 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.
Examples of Ultrasonically-Improved Reactions
- Ультразвукова попередня обробка каталізатора Ni для реакцій гідрування
- Ультразвуковий каталізатор Raney Ni з винною кислотою забезпечує дуже високу енантіоселективність
- Ultrasonic synthesized Fischer-Tropsch catalysts
- Сонохімічно оброблені аморфні порошкові каталізатори для підвищення реакційної здатності
- Соносинтез порошків аморфних металів
Відновлення ультразвукового каталізатора
Solid catalysts in fixed-bed reactors are commonly used in the form of spherical beads, pellets, extrudates, or cylindrical particles. During chemical reactions, the catalyst surface can become passivated by a fouling layer, resulting in a gradual loss of catalytic activity and/or selectivity over time.
The timescale of catalyst deactivation varies considerably. For example, the deactivation of a cracking catalyst may occur within seconds, whereas an iron catalyst used in ammonia synthesis may remain active for 5–10 years. Nevertheless, catalyst deactivation is observed in virtually all catalytic processes. Although different deactivation mechanisms can occur – including chemical, mechanical, and thermal degradation – fouling is one of the most common causes of catalyst decay.
Fouling refers to the physical deposition of species from the fluid phase onto the catalyst surface and within its pores. These deposits block reactive sites, restrict pore accessibility, and reduce contact between reactants and the active catalyst surface. Catalyst fouling by coke or carbonaceous deposits is often a rapid process; however, in many cases it can be partially or fully reversed by ultrasonic regeneration.
Ultrasonic cavitation is an effective method for removing passivating fouling layers from catalyst surfaces. During sonication, high-intensity ultrasound generates cavitation bubbles in a liquid medium. Their collapse produces localized shear forces, microjets, shock waves, and intense micro-mixing. These effects help detach fouling residues from the catalyst surface, reopen blocked pores, and restore access to active sites.
Ultrasonic catalyst recovery is typically carried out by dispersing the catalyst particles in a liquid, such as deionized water or a suitable solvent, and exposing the suspension to controlled ultrasonic treatment. This process can remove fouling residues from various catalyst materials, including platinum/silica fibre catalysts, nickel catalysts, and other supported metal catalysts. As a result, sonication can contribute to catalyst regeneration, extended catalyst lifetime, and improved process sustainability.
Click here to learn more about the ultrasonic regeneration of spent catalysts!
Sonicators for the Integration into Chemical Reactors
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.
Learn how sonication improves chemical reactions in various reactor designs!
To test the effects of sonication on your chemical reaction, you are welcome to visit our ultrasonic process lab and technical center in Teltow!
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:
- Гідрування
- Альцилювання
- Ціанізація
- Ефірифікація
- етерифікація
- Полімеризації
- Алліляція
- Бромування
(наприклад, каталізатори Ціглера-Натта, металоцени)
Література / Список літератури
- 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.
Факти, які варто знати
Що таке ультразвукова кавітація?
Ultrasonic cavitation is the formation, growth and violent collapse of microscopic vapor or gas bubbles in a liquid exposed to high-intensity ultrasound. During bubble collapse, extreme local conditions can occur for very short times, including high temperature, high pressure, shock waves, microjets and intense shear forces.
Що таке сонохімія?
Sonochemistry is the use of these ultrasonic cavitation effects to initiate, accelerate or modify chemical and physicochemical processes. It is especially relevant in liquid-phase systems because cavitation enhances mixing, mass transfer, emulsification, particle dispersion, catalyst surface cleaning and, in some cases, radical formation. As a result, sonochemistry is used to intensify reactions such as heterogeneous catalysis, oxidation, extraction, polymerization, crystallization and nanomaterial synthesis.
What is a Heterogeneous Catalytic Reaction?
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).
What are the Types of Catalyst Deactivation?
- 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.
Read more about how sonication can reactivate spent catalysts!
What is Nucleophilic Substitution?
Nucleophilic substitution is a fundamental class of reactions in organic (and inorganic) chemistry, in which a nucleophile selectively bonds in form of a Lewis base (as electron pair donator) with an organic complex with or attacks the positive or partially positive (+) charge of an atom or a group of atoms to replace a leaving group. The positive or partially positive atom, which is the electron pair acceptor, is called an electrophile. The whole molecular entity of the electrophile and the leaving group is usually called the substrate.
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.

