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Entwicklung und Anwendung von Messkonzepten zur Untersuchung der Ammoniakoxidation an Platin/Rhodium-Netz- und Modellgeometrien

Schöpp, Marco (2024)
Entwicklung und Anwendung von Messkonzepten zur Untersuchung der Ammoniakoxidation an Platin/Rhodium-Netz- und Modellgeometrien.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028828
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Entwicklung und Anwendung von Messkonzepten zur Untersuchung der Ammoniakoxidation an Platin/Rhodium-Netz- und Modellgeometrien
Language: German
Referees: Etzold, Prof. Dr. Bastian J. M. ; Votsmeier, Prof. Dr. Martin
Date: 13 December 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 115, xxi Seiten
Date of oral examination: 21 November 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028828
Abstract:

Die Anzahl der auf der Erde lebenden Menschen nimmt seit Jahren zu. Bei zeitgleich höherem Flächenverbrauch, bedingt durch Industrialisierung und zunehmende Verstädterung, sinkt die für Nahrungsmittelproduktion zur Verfügung stehende Fläche stetig. Um trotzdem ausreichend hohe landwirtschaftliche Erträge erwirtschaften zu können, kommen Düngemittel zum Einsatz. Das hierbei häufig verwendete Ammoniumnitrat wird über die Umsetzung von Ammoniak mit der im Ostwaldverfahren produzierten Salpetersäure hergestellt. Dieses Verfahren basiert auf der katalytischen Oxidation von Ammoniak an Pt-Netzen. Als Nebenprodukt entsteht in diesem Prozess das hoch klimaschädliche Lachgas sowie Stickstoff. Obwohl Salpetersäure bereits mehr als 100 Jahre lang großtechnisch über diesen Prozess hergestellt wird, ist der Mechanismus, die zugrunde liegende Kinetik sowie der Einfluss von Reaktions- und Katalysatorparametern bis heute Teil vieler Forschungsansätze. Moderne Untersuchungsmethoden, sowohl praktischer Art, in hochentwickelten Laborapparaturen, als auch theoretischer Natur mittels moderner CFD-Untersuchungen, sollen es ermöglichen, die Ammoniakoxidation über Skalen hinweg besser zu verstehen. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer Methode beschrieben, sowohl industrielle Netzkatalysatoren als auch idealisierte Modellkatalysatoren unter Zuhilfenahme einer hocheffizienten online-QMS-Analytik unter industriellen Bedingungen zu untersuchen. Der Fokus bewegt sich hierbei vom Einfluss der Netzgeometrie, über den des einzelnen Drahtes bis hin zur Untersuchung des zugrundeliegenden Mechanismus. Im ersten Teil der Arbeit wird die Untersuchung von Platin/Rhodium-Netzkatalysatoren näher betrachtet. Durch geziegelte Inertisierung der Reaktionszone und der Entwicklung einer speziellen Eduktgasvorheizung können unselektive Nebenreaktionen auch bei hohen Vorheiztemperaturen vermieden werden, was es möglich macht, komplexe Parametervariationen und deren Einfluss auf die Selektivitäten in Form eines Design of Experiments durchzuführen. Ferner wird gezeigt, dass es mit der weiterentwickelten Untersuchungsmethode möglich ist, selbst geringste Effizienz- und Temperaturunterschiede festzustellen, wie sie bei der Variation von Katalysatorparametern auftreten. Der Aufbau eines idealisierten Reaktormodells mit Millirohrkatalysator zur Untersuchung des Mechanismus und der Kinetik der Ammoniakoxidation bildet einen weiteren Teil dieser Arbeit. Durch Einsatz eines CFD-Drahtmodells wird die Konzentration der Oberflächenspezies bei Teilumsatz möglichst nah an industriellen Bedingungen bestimmt. Das Ergebnis der CFD-Drahtsimulation wird über ein theoretisches Rohrmodell auf die idealisierte Form des Katalysators übertragen. Ziel hierbei ist es, eine fluiddynamisch beschreibbare Katalysatorgeometrie zu entwickeln, die mit der Realität vergleichbare Größen ausweist und im Experiment untersucht werden kann. Hierdurch soll zukünftig der Abgleich zwischen Simulation und Experiment gelingen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The number of people living on earth has been increasing for years. With higher land consumption due to industrialization and increasing urbanization at the same time, the area available for food production is steadily decreasing. In order to still be able to generate sufficiently high agricultural yields, fertilizers are used. The ammonium nitrate, which is often used here, is produced by the reaction of ammonia with nitric acid produced in the Ostwald process. This process is based on the catalytic oxidation of ammonia on Platinum/Rhodium gauzes. As a by-product of this process, nitrous oxide, which is highly harmful to the climate, as well as Nitrogen are generated. Although nitric acid has been produced on an industrial scale using this process for more than 100 years, the mechanism, the underlying kinetics and the influence of reaction and catalyst parameters are still part of many research approaches today. Modern methods, both practical in sophisticated laboratory equipment and theoretical in modern CFD studies, should make it possible to better understand ammonia oxidation across scales. This thesis describes the development of a method to investigate both industrial gauze catalysts and idealized model catalysts under industrial conditions using highly efficient online QMS analysis. The focus here ranges from the influence of the gauze geometry, to that of the individual wire to the investigation of the underlying mechanism. In the first part of the thesis, the investigation of Platinum/Rhodium gauze catalysts is examined in more detail. By inerting the reaction zone and the development of a special gas preheating, unselective side reactions can be avoided even at high preheating temperatures, which makes it possible to perform complex parameter variations and their influence on the selectivities in the form of a design of experiment. Furthermore, it is shown that with the further developed investigation method it is possible to determine even the smallest differences in efficiency and temperature, as they occur when varying catalyst parameters. The construction of an idealized reactor model with a millitube catalyst to investigate the mechanism and kinetics of ammonia oxidation forms a further part of this thesis. By using a CFD wire model, the concentration of the surface species is determined as close as possible to industrial conditions in the case of partial conversion. The result of the CFD wire simulation is transferred to the idealized shape of the catalyst via a theoretical tube model. The aim is to develop a catalyst geometry that can be described in fluid dynamics, shows quantities comparable to reality and can be investigated in experiments. In the future, this should make it easier to compare simulation and experiment.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-288286
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie I
Date Deposited: 13 Dec 2024 13:11
Last Modified: 17 Dec 2024 09:50
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28828
PPN: 524648352
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