Hock, Sebastian (2023)
Katalysator- & Prozessentwicklung für die selektive Acetylen-Hydrierung sowie Formgebungskonzepte in der Katalyse.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023748
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Eine der großen Herausforderungen unserer Zeit ist die Notwendigkeit von nachhaltigen Prozessen und Materialien, welche hauptsächlich durch die Abkehr von fossilen Energieträgern, als auch durch die Substitution von kritischen Grundstoffen und fossilen Wertschöpfungsketten erreicht werden kann. Hierbei ist es essentiell, den Fokus auf die Hauptprodukte beziehungsweise Hauptausgangsstoffe unserer Industrie zu setzen. Die wichtigste organische Grundchemikalie ist Ethylen, welche hauptsächlich über das Steamcracken von petrochemischen Ausgansprodukten hergestellt und primär mittels der selektiven Acetylen-Hydrierung aufgereinigt wird. In Bezug auf die selektive Acetylen-Hydrierung stellt es eine schwierige, aber lohnende Aufgabe dar, Alternativen zu den seit Jahrzehnten etablierten Palladium-basierten Katalysatoren zu finden. Eine weitere Möglichkeit diese Reaktion effizienter zu gestalten, liegt in der Prozessintegration. Klassischerweise werden vor der Acetylen-Hydrierung Komponenten wie CH4, CO und H2 aus dem C2-Schnitt entfernt (tail-end). Hohe Wasserstoffanteile bieten jedoch Vorteile, wie einen höheren Acetylen-Umsatz bei gleichzeitiger Unterdrückung der C4+-Nebenproduktbildung, sodass längere Katalysatorstand-zeiten möglich sind. Die größten Gefahren bei dieser sogenannten front-end Integration bestehen in einer höheren Schwankungsanfälligkeit des Systems, der Möglichkeit der Totalhydrierung zu Ethan, sowie eine Hotspot-Bildung, bis hin zum „Durchgehen“ der Reaktion. Aus diesem Grund sind extensive kinetische und operative Untersuchungen unter möglichst industrienahen Bedingungen erforderlich. Für derartige Untersuchungen ist der Advanced TEMKIN-Reaktor ideal, da er Messungen unter realistischen und gradientenfreien Bedingungen ermöglicht. Deshalb bildet der TEMKIN-Reaktor das Herzstück der technischen Anlage, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Durch ein komplexes Massendurchflussregler (MFC)-Netzwerk können diverse Feed-Zusammensetzungen, unter industriellen Strömungs- und Reaktionsbedingungen erzeugt werden. In Kombination mit einer hochauflösenden Analytik kann der Reaktions-fortschritt, inklusive der Bildung von C4-Spezies, für Katalysatorschüttungen oder Schalenkatalysatoren nachvollzogen werden. Die so erhaltenen Versuchsdaten eignen sich für die Erstellung von Reaktionskinetiken bis hin zur Risikobeurteilung. Mit diesem Setup wurde ein Schalenkatalysator mit [Pd(2-pymo)2]n als Aktivkomponente entwickelt, welcher kompetitiv zum industriellen Stand der Forschung ist. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, stellt die Pd-basierte metallorganische Gerüstverbindung (MOF) eine hoch aktive und selektive Alternative mit dem Potential für weitere Verbesserungen dar. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass Eisen-Nanopartikel unter industriellen front-end Bedingungen ebenfalls ein geeigneter Katalysator sind. Der Wechsel von Palladium zu Eisen ist signifikant, da Eisen als Rohstoff besser verfügbar, günstiger und umweltverträglicher gewinnbar ist. Eine weitere bedeutsame Rolle in der Katalysatorentwicklung spielt das Trägersystem, welches von der katalytischen Leistungsfähigkeit, über Stabilität, bis hin zu den hydrodynamischen Eigenschaften entscheidend sein kann. Daher wurde eine Design- und Herstellungsmethode für neuartige Trägersysteme entwickelt, welche numerische Strömungsmechanik-(CFD)-Simulationen mit 3D-Druck kombiniert. Mittels dieses Verfahrens wurden angepasste Katalysatormonolithe hergestellt und ihre Vorteile experimentell evaluiert. Zudem wurden Wege zur Aktivierung der Monolithe eruiert. Eine der Methoden basiert auf der Herstellung und dem Druck von Filament mit einem Anteil an hochvernetzten Polymeren (HCP), eine weitere erfolgt durch Funktionalisierung von Polystyrol (PS)-Monolithen mit Sulfonsäuregruppen. In einer Testreaktion konnten diverse Vorteile der Katalysatormonolithe im Vergleich zu kommerziellen Katalysatoren aufgezeigt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden die Basis für eine neue Generation an optimierten und angepassten Katalysatorsystemen, welche zu einer Steigerung der Effizienz und Nachhaltigkeit der selektiven Acetylen-Hydrierung führen können.

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