Lò phản ứng giường cố định tăng cường siêu âm
Quá trình siêu âm có thể cải thiện các phản ứng xúc tác trong các bình phản ứng tầng cố định, chủ yếu bằng cách tăng cường quá trình truyền khối xung quanh và bên trong tầng xúc tác đã được nạp. Ngoài ra, quá trình siêu âm còn loại bỏ các lớp thụ động hóa và bám bẩn khỏi bề mặt xúc tác, từ đó giúp tái sinh xúc tác một cách liên tục.
Cách thức siêu âm cải thiện quá trình xúc tác trên giường cố định
Trong bình phản ứng tầng cố định, các hạt chất xúc tác giữ nguyên vị trí trong khi các chất phản ứng ở dạng lỏng, khí hoặc đa pha chảy qua tầng chất xúc tác. Hiệu suất phản ứng thường bị hạn chế bởi quá trình truyền khối bên ngoài, sự khuếch tán trong lỗ rỗng, hiện tượng dồn dòng, hiện tượng bám bẩn và độ dốc truyền nhiệt. Sóng siêu âm có thể giảm bớt một số hạn chế này bằng cách tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh, dòng chảy vi mô, lực cắt và dao động áp suất.
Sonicator UIP2000hdT được tích hợp trong một bình phản ứng tầng cố định
Các tác động chính của phản ứng tầng cố định được tăng cường bằng sóng siêu âm
- Tăng cường quá trình truyền khối bên ngoài: Hiện tượng dòng chảy vi mô do siêu âm làm giảm lớp biên tĩnh xung quanh các hạt chất xúc tác, giúp các chất phản ứng tiếp cận các vị trí hoạt động hiệu quả hơn.
- Khả năng tiếp cận lỗ rỗng được cải thiện: Sự dao động áp suất và chuyển động của chất lỏng do hiện tượng xâm thực gây ra có thể giúp tăng cường sự thâm nhập của các chất phản ứng vào các lỗ rỗng của chất xúc tác và quá trình loại bỏ các sản phẩm ra khỏi các lỗ rỗng đó.
- Giảm hiện tượng bám cặn và quá trình thụ động hóa: Quá trình siêu âm có thể giúp loại bỏ các cặn bám, màng polymer, các chất tiền thân của cốc hoặc các lớp thụ động hóa khác khỏi bề mặt chất xúc tác, từ đó duy trì hoạt tính xúc tác trong thời gian dài hơn.
- Giảm hiện tượng tạo kênh trong các tầng vật liệu đóng gói: Trong các nghiên cứu về tầng đóng gói vi mô, siêu âm đã được chứng minh là có khả năng điều chỉnh hành vi dòng chảy và giảm sự phân tán, giúp bình phản ứng tiến gần hơn đến hành vi dòng chảy khối lý tưởng.
- Tăng cường truyền nhiệt: Dòng chảy âm thanh và hiện tượng nhiễu loạn giúp cải thiện quá trình tản nhiệt cục bộ, từ đó giảm thiểu các điểm nóng hoặc vùng lạnh trong lớp chất xúc tác.
- Tỷ lệ chuyển đổi và năng suất cao hơn: Bằng cách cải thiện quá trình truyền khối và khả năng tiếp cận chất xúc tác, phương pháp siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng, độ chuyển hóa và năng suất sản phẩm, đặc biệt là khi phản ứng bị giới hạn bởi quá trình vận chuyển chứ không phải hoàn toàn bị giới hạn bởi động học.
Tăng cường tiếp xúc giữa chất lỏng và chất rắn: Siêu âm giúp tăng cường khả năng thấm ướt của các hạt chất xúc tác, điều này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống tầng nhỏ giọt, cấp nguyên liệu dạng bùn hoặc hệ thống tầng cố định pha lỏng.
Sonication cải thiện quá trình xúc tác trên giường cố định như thế nào?
Cơ chế chính là hiện tượng xâm thực âm thanh: sóng siêu âm tạo ra các bong bóng vi mô, chúng phát triển và vỡ tan một cách dữ dội. Quá trình vỡ tan này tạo ra lực cắt cục bộ, các tia phun vi mô, sóng xung kích và sự trộn lẫn mạnh mẽ. Gần bề mặt chất xúc tác, các hiệu ứng này có thể làm sạch, kích hoạt và làm mới giao diện rắn-lỏng. Các bài tổng quan về xúc tác siêu âm mô tả hiện tượng này là sự tương tác hiệp đồng giữa sóng siêu âm và chất xúc tác rắn, bao gồm việc cải thiện truyền nhiệt, truyền khối và các hiệu ứng cục bộ tại bề mặt xúc tác.
Quá trình siêu âm mang lại hiệu quả cao nhất khi phản ứng trên tầng cố định gặp phải các vấn đề sau:
- quá trình khuếch tán chậm vào các lỗ rỗng của chất xúc tác,
- khả năng thấm ướt kém của các hạt chất xúc tác,
- sự tích tụ sản phẩm bên trong lỗ chân lông,
- sự bám bẩn hoặc quá trình thụ động hóa bề mặt,
- động học bị giới hạn bởi quá trình truyền khối,
- sự phân bố không đồng đều của dòng chảy đa pha,
- chảy qua lớp vật liệu đóng chặt.
Chất xúc tác giường cố định
Giường cố định (đôi khi còn được gọi là giường đóng gói) thường được nạp các viên xúc tác, thường là hạt có đường kính từ 1-5mm. Chúng có thể được nạp vào lò phản ứng dưới dạng một lớp đơn, dưới dạng vỏ riêng biệt hoặc trong ống. Các chất xúc tác chủ yếu dựa trên các kim loại như niken, đồng, osmium, bạch kim và rhodium.
Tác động của siêu âm công suất cao đối với các phản ứng hóa học không đồng nhất đã được biết đến rộng rãi và được ứng dụng phổ biến trong các quá trình xúc tác công nghiệp. Các phản ứng xúc tác trong bình phản ứng tầng cố định cũng được hưởng lợi từ việc xử lý bằng siêu âm. Việc chiếu sóng siêu âm vào chất xúc tác trong lò phản ứng tầng cố định tạo ra các bề mặt có tính phản ứng cao, tăng cường sự vận chuyển khối lượng giữa pha lỏng (chất phản ứng) và chất xúc tác, đồng thời loại bỏ các lớp phủ thụ động (ví dụ: lớp oxit) khỏi bề mặt.
Máy siêu âm Sonicator UIP1500hdT kèm buồng lưu chất dùng để tái hoạt hóa và tái chế chất xúc tác đã qua sử dụng
- Cải thiện hiệu quả
- Tăng khả năng phản ứng
- Tăng tỷ lệ chuyển đổi
- Năng suất cao hơn
- Tái chế chất xúc tác
Tăng cường siêu âm của các phản ứng xúc tác
Trộn và khuấy siêu âm cải thiện sự tiếp xúc giữa các hạt phản ứng và chất xúc tác, tạo ra các bề mặt phản ứng cao và bắt đầu và / hoặc tăng cường phản ứng hóa học.
Chuẩn bị chất xúc tác siêu âm có thể gây ra những thay đổi về hành vi kết tinh, phân tán / khử kết tụ và tính chất bề mặt. Hơn nữa, các đặc tính của chất xúc tác được tạo thành sẵn có thể bị ảnh hưởng bằng cách loại bỏ các lớp bề mặt thụ động, phân tán tốt hơn, tăng truyền khối lượng.
Các ví dụ về các phản ứng được cải thiện nhờ sóng siêu âm
- Tiền xử lý siêu âm chất xúc tác Ni cho các phản ứng hydro hóa
- Chất xúc tác Raney Ni được siêu âm với axit tartaric dẫn đến tính chọn lọc đối kháng rất cao
- Chất xúc tác Fischer-Tropsch được tổng hợp bằng phương pháp siêu âm
- Chất xúc tác bột vô định hình được xử lý bằng sonochemical để tăng khả năng phản ứng
- Tổng hợp sono của bột kim loại vô định hình
Phục hồi chất xúc tác siêu âm
Chất xúc tác rắn trong các bình phản ứng tầng cố định thường được sử dụng dưới dạng hạt cầu, viên nén, sản phẩm đùn hoặc hạt hình trụ. Trong quá trình phản ứng hóa học, bề mặt chất xúc tác có thể bị thụ động hóa do một lớp cặn bám, dẫn đến sự suy giảm dần dần hoạt tính xúc tác và/hoặc độ chọn lọc theo thời gian.
Thời gian mất hoạt tính của chất xúc tác có sự chênh lệch đáng kể. Ví dụ, quá trình mất hoạt tính của chất xúc tác phân hủy có thể diễn ra trong vòng vài giây, trong khi chất xúc tác sắt được sử dụng trong quá trình tổng hợp amoniac có thể duy trì hoạt tính trong 5–10 năm. Tuy nhiên, hiện tượng mất hoạt tính của chất xúc tác được ghi nhận trong hầu như tất cả các quá trình xúc tác. Mặc dù có thể xảy ra các cơ chế mất hoạt tính khác nhau – bao gồm sự phân hủy hóa học, cơ học và nhiệt – Sự bám cặn là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của chất xúc tác.
Sự bám cặn là hiện tượng các chất từ pha lỏng lắng đọng vật lý lên bề mặt chất xúc tác và bên trong các lỗ rỗng của nó. Các chất lắng đọng này làm tắc nghẽn các vị trí phản ứng, hạn chế khả năng tiếp cận các lỗ rỗng và làm giảm sự tiếp xúc giữa các chất phản ứng với bề mặt hoạt tính của chất xúc tác. Quá trình bám cặn trên chất xúc tác do coke hoặc các chất lắng đọng chứa carbon thường diễn ra nhanh chóng; tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, quá trình này có thể được đảo ngược một phần hoặc hoàn toàn bằng phương pháp tái sinh bằng sóng siêu âm.
Hiện tượng xâm thực siêu âm là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ các lớp bám bẩn thụ động khỏi bề mặt chất xúc tác. Trong quá trình xử lý bằng sóng siêu âm, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bong bóng cavitation trong môi trường lỏng. Sự vỡ tan của các bong bóng này tạo ra lực cắt cục bộ, các tia nước vi mô, sóng xung kích và hiện tượng trộn lẫn vi mô mạnh mẽ. Những tác động này giúp tách các cặn bám khỏi bề mặt chất xúc tác, mở lại các lỗ rỗng bị tắc nghẽn và khôi phục khả năng tiếp cận các vị trí hoạt động.
Quá trình thu hồi chất xúc tác bằng sóng siêu âm thường được thực hiện bằng cách phân tán các hạt chất xúc tác trong một chất lỏng, chẳng hạn như nước khử ion hoặc dung môi phù hợp, và đưa hỗn hợp huyền phù này vào xử lý bằng sóng siêu âm có kiểm soát. Quá trình này có thể loại bỏ các cặn bám bẩn khỏi nhiều loại vật liệu xúc tác khác nhau, bao gồm chất xúc tác bạch kim/sợi silica, chất xúc tác niken và các chất xúc tác kim loại trên chất mang khác. Do đó, xử lý bằng sóng siêu âm có thể góp phần vào việc tái sinh chất xúc tác, kéo dài tuổi thọ của chất xúc tác và nâng cao tính bền vững của quy trình.
Máy siêu âm dùng để tích hợp vào các bình phản ứng hóa học
Hielscher Ultrasonics cung cấp các bộ xử lý siêu âm khác nhau và các biến thể để tích hợp siêu âm công suất vào lò phản ứng giường cố định. Các hệ thống siêu âm khác nhau có sẵn để lắp đặt vào các lò phản ứng giường cố định. Đối với các loại lò phản ứng phức tạp hơn, chúng tôi cung cấp siêu âm tùy chỉnh Giải pháp.
Tìm hiểu cách siêu âm giúp cải thiện các phản ứng hóa học trong các thiết kế bình phản ứng khác nhau!
Để kiểm tra tác động của siêu âm đối với phản ứng hóa học của quý vị, xin mời quý vị ghé thăm phòng thí nghiệm quy trình siêu âm và trung tâm kỹ thuật của chúng tôi tại Teltow!
Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay! Chúng tôi rất vui được thảo luận về việc tăng cường siêu âm của quá trình hóa học của bạn với bạn!
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn thông tin về công suất xử lý ước tính của các thiết bị siêu âm Hielscher:
Hệ thống dòng siêu âm
- hydro hóa
- Alcyl hóa
- Xa lam hóa
- Ête hóa
- este hóa
- trùng hợp
- Allyl hóa
- Bromination
(ví dụ: chất xúc tác Ziegler-Natta, metallocens)
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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.
Sự thật đáng biết
Cavitation siêu âm là gì?
Hiện tượng xâm thực siêu âm là quá trình hình thành, phát triển và sụp đổ dữ dội của các bọt hơi hoặc khí vi mô trong chất lỏng khi tiếp xúc với sóng siêu âm cường độ cao. Trong quá trình bọt sụp đổ, các điều kiện cục bộ cực đoan có thể xuất hiện trong thời gian rất ngắn, bao gồm nhiệt độ cao, áp suất cao, sóng xung kích, các tia phun vi mô và lực cắt mạnh.
Sonochemistry là gì?
Hóa học siêu âm là việc ứng dụng các hiệu ứng xâm thực siêu âm này để khởi động, đẩy nhanh hoặc điều chỉnh các quá trình hóa học và hóa lý. Phương pháp này đặc biệt có ý nghĩa trong các hệ thống pha lỏng vì hiện tượng xâm thực giúp tăng cường quá trình trộn, truyền khối, nhũ hóa, phân tán hạt, làm sạch bề mặt chất xúc tác và, trong một số trường hợp, hình thành các gốc tự do. Do đó, sonochemistry được sử dụng để tăng cường các phản ứng như xúc tác dị thể, oxy hóa, chiết xuất, trùng hợp, kết tinh và tổng hợp vật liệu nano.
Phản ứng xúc tác dị thể là gì?
Trong hóa học, xúc tác không đồng nhất đề cập đến loại phản ứng xúc tác trong đó các pha của chất xúc tác và các chất phản ứng khác nhau. Trong bối cảnh hóa học không đồng nhất, pha không chỉ được sử dụng để phân biệt giữa rắn, lỏng và khí, mà còn đề cập đến các chất lỏng không thể trộn lẫn, ví dụ như dầu và nước.
Trong một phản ứng không đồng nhất, một hoặc nhiều chất phản ứng trải qua sự thay đổi hóa học tại một giao diện, ví dụ như trên bề mặt của chất xúc tác rắn.
Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của chất phản ứng, kích thước hạt, nhiệt độ, chất xúc tác và các yếu tố khác.
Nồng độ chất phản ứng: Nói chung, sự gia tăng nồng độ của chất phản ứng làm tăng tốc độ phản ứng do giao diện lớn hơn và do đó chuyển pha lớn hơn giữa các hạt phản ứng.
Kích thước hạt: Khi một trong các chất phản ứng là hạt rắn, thì nó không thể được hiển thị trong phương trình tốc độ, vì phương trình tốc độ chỉ hiển thị nồng độ và chất rắn không thể có nồng độ vì ở một pha khác. Tuy nhiên, kích thước hạt của chất rắn ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng do diện tích bề mặt có sẵn để chuyển pha.
Nhiệt độ phản ứng: Nhiệt độ có liên quan đến hằng số tốc độ thông qua phương trình Arrhenius: k = Ae-EA / RT
Trong đó Ea là năng lượng hoạt hóa, R là hằng số khí phổ quát và T là nhiệt độ tuyệt đối tính bằng Kelvin. A là hệ số Arrhenius (tần số). e-EA / RT cho số lượng hạt dưới đường cong có năng lượng lớn hơn năng lượng kích hoạt, Ea.
Chất xúc tác: Trong hầu hết các trường hợp, các phản ứng xảy ra nhanh hơn với chất xúc tác vì chúng cần ít năng lượng hoạt hóa hơn. Các chất xúc tác không đồng nhất cung cấp một bề mặt khuôn mẫu tại đó phản ứng xảy ra, trong khi các chất xúc tác đồng nhất tạo thành các sản phẩm trung gian giải phóng chất xúc tác trong bước tiếp theo của cơ chế.
Các yếu tố khác: Các yếu tố khác như ánh sáng có thể ảnh hưởng đến một số phản ứng nhất định (quang hóa).
Các loại hiện tượng mất hoạt tính của chất xúc tác là gì?
- Ngộ độc chất xúc tác là thuật ngữ chỉ sự hấp thụ hóa học mạnh của các loài trên các vị trí xúc tác ngăn chặn các vị trí phản ứng xúc tác. Ngộ độc có thể đảo ngược hoặc không thể đảo ngược.
- Bám bẩn đề cập đến sự xuống cấp cơ học của chất xúc tác, trong đó các loài từ pha lỏng lắng đọng trên bề mặt xúc tác và trong các lỗ xúc tác.
- Sự suy thoái nhiệt và thiêu kết dẫn đến mất diện tích bề mặt xúc tác, diện tích hỗ trợ và các phản ứng hỗ trợ pha hoạt động.
- Sự hình thành hơi có nghĩa là một dạng phân hủy hóa học, trong đó pha khí phản ứng với pha xúc tác để tạo ra các hợp chất dễ bay hơi.
- Phản ứng hơi-rắn và rắn-rắn dẫn đến sự vô hiệu hóa hóa học của chất xúc tác. Hơi, chất hỗ trợ hoặc chất xúc tiến phản ứng với chất xúc tác để tạo ra pha không hoạt động.
- Sự hao mòn hoặc nghiền nát các hạt xúc tác dẫn đến mất vật liệu xúc tác do mài mòn cơ học. Diện tích bề mặt bên trong của chất xúc tác bị mất do sự nghiền nát cơ học của hạt chất xúc tác.
Tìm hiểu thêm về cách siêu âm có thể phục hồi hoạt tính của các chất xúc tác đã qua sử dụng!
Phản ứng thay thế nucleophilic là gì?
Phản ứng thay thế nucleophilic là một loại phản ứng cơ bản trong hóa học hữu cơ (và vô cơ), trong đó một chất nucleophile liên kết có chọn lọc dưới dạng bazơ Lewis (với vai trò là chất cung cấp cặp electron) với một phức hợp hữu cơ có hoặc tấn công điện tích dương hoặc điện tích dương một phần (+) của một nguyên tử hoặc một nhóm nguyên tử để thay thế một nhóm rời đi. Nguyên tử mang điện tích dương hoặc bán dương, đóng vai trò là chất nhận cặp electron, được gọi là chất điện dương. Toàn bộ thực thể phân tử bao gồm chất điện dương và nhóm rời đi thường được gọi là chất nền.
Sự thay thế nucleophilic có thể được quan sát thấy như hai con đường khác nhau – SN1 và SN2 phản ứng. Hình thức cơ chế phản ứng nào – SN1 hoặc SN2 – diễn ra, phụ thuộc vào cấu trúc của các hợp chất hóa học, loại nucleophile và dung môi.