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Der Advanced Temkin Reactor - Anwendung eines neuen Laborreaktorkonzepts zur Testung von Katalysatorpellets am Beispiel der Vinylacetatsynthese und die Untersuchung deren Desaktivierung

Schulz, Torsten :
Der Advanced Temkin Reactor - Anwendung eines neuen Laborreaktorkonzepts zur Testung von Katalysatorpellets am Beispiel der Vinylacetatsynthese und die Untersuchung deren Desaktivierung.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Der Advanced Temkin Reactor - Anwendung eines neuen Laborreaktorkonzepts zur Testung von Katalysatorpellets am Beispiel der Vinylacetatsynthese und die Untersuchung deren Desaktivierung
Language: German
Abstract:

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das verwendete neue Laborreaktorkonzept des Advanced Temkin Reactor (ATR) hervorragend für die Testung von unzerkleinerten Katalysatorpelletmustern geeignet ist. Die Besonderheit des ATR liegt darin, das Reaktionsgemisch gleichmäßig um die einzelnen Katalysatorformlinge zu führen. Die Katalysatoren befinden sich dabei im Zentrum einer der Pelletform angepassten Kette von Kavitäten, die über enge Kanäle miteinander verbunden sind. Ketten einer bestimmten Anzahl von Kavitäten bilden Reaktormodule, die sowohl parallel für z.B. Screenings, als auch seriell verschaltet werden können. Die Stoff- und Wärmetransporteigenschaften des ATR wurden für kugelförmige Katalysatoren mittels Computional Fluid Dynamics am Beispiel der Vinylacetatsynthese simuliert. Zum Nachweis der Leistungsfähigkeit des ATR wurde eine Testapparatur konzipiert, gebaut und in Betrieb genommen, die eine Testung der Vinylacetatsynthese-Katalysatoren unter industrienahen Bedingungen ermöglichte. Die Ursachen und Mechanismen der beobachteten Desaktivierung wurde an über eine Woche gealterten Katalysatoren mittels BET, XRD, TG-MS, TEM, TEM-EDX, ICP-OES, XPS und WDX untersucht. Als Hauptursache der Desaktivierung wurde die Sinterung der Aktivmetallpartikel identifiziert. Weitere Beiträge durch Verkokung und Fouling von Palladium konnten nachgewiesen werden. Ergebnisse aus XPS-, EDX/WDX- und ICP-OES-Untersuchungen bestätigen die in der Literatur diskutierte Bildung einer oxidierten Palladiumspezies, welche als Transportintermediat einer chemisch assistierten Atommigration die Sinterung beschleunigt. Entgegen bisheriger Veröffentlichungen gibt es aber auch Hinweise auf die Bildung einer mobilen Goldspezies. Die Beobachtung signifikant wachsender Schalendicken von sowohl Palladium als auch Gold unterstreicht deren beider Existenz. TEM-EDX-Ergebnisse legen die Existenz einer hochdispersen Palladiumphase auf dem frischen Katalysator nahe, die erst infolge von Alterung und Sinterung sichtbar wird. Die Beeinflussung der Desaktivierungsrate wurde durch Variation sowohl der Schalendicke als auch der Reaktionsführung während der Anfahrphase untersucht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The results of the present work demonstrate that the new laboratory reactor concept called Advanced Temkin Reactor (ATR) is ideal for the testing of uncrushed catalyst pellets. The peculiarity of the ATR is to conduct the reaction mixture uniformly around each individual catalyst pellet. The catalyst particles are located in the center of a pellet shaped chain of cavities that are connected by narrow channels. Chains of a certain number of cavities are forming reactor modules. These modules can be applied either in parallel, e.g. for screenings, or connected in series. The mass and heat transfer characteristics of the ATR were simulated for spherical catalysts by computational fluid dynamics using the example of the vinyl acetate synthesis. To demonstrate the performance of the ATR, a test apparatus was designed, constructed and put into operation, which allowed the testing of vinyl acetate catalysts under industrial conditions. The causes and mechanisms of the observed deactivation were investigated with one week aged catalysts via BET, XRD, TG-MS, TEM, TEM-EDX, ICP-OES, XPS and WDX. Main cause of deactivation is the sintering of the active metal particles. Further contributions of coking and fouling of palladium was proven. Results from XPS, EDX / WDX- and ICP-OES analysis confirmed the formation of an oxidized palladium species, which accelerates the sintering by acting as mobile intermediate of a chemically assisted atom migration mechanism. In contrast to previous publications, indications of a formed mobile gold species were found. The observation of significantly growing shell thicknesses of both palladium and gold highlights its existence. TEM-EDX results suggest the existence of a highly dispersed palladium phase on the fresh catalyst, which becomes visible only as a result of aging and sintering. Influence on the deactivation was investigated by varying both the shell thickness as well as the reaction conditions during the startup.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: VAM, Vinylacetat, Pd-Au, Pd, Au, Palladium, Gold, Katalysator, Desaktivierung, ATR, Advanced Temkin Reactor, Temkin, Cavity Chain reactor
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
VAM, vinyl acetate, Pd-Au, Pd, Au, Palladium, Gold, catalyst, deactivation, ATR, Advanced Temkin Reactor, Temkin, Cavity Chain reactorEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie > Fachgebiet Technische Chemie
07 Fachbereich Chemie > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie II
Date Deposited: 03 Aug 2015 08:54
Last Modified: 03 Aug 2015 08:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46765
Referees: Claus, Prof. Dr. Peter and Vogel, Prof. Dr. Herbert
Refereed: 19 January 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4676
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