Selektive Hydrierung von Propin an palladiumbasierten SCILL-Katalysatoren

Die selektive Hydrierung von Propin ist ein wichtiger Verfahrensschritt in der Aufbereitung des C3-Schnitts aus dem Steamcracker, um einen für die Polymerisation geeigneten Produktstrom zu erhalten. Unter industriellen Bedingungen, bei denen die Umsetzung des Propins in einem Überschuss an Propen vorgenommen wird, ist die Propen-Selektivität des Katalysators ein entscheidendes Kriterium für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses. Die in dieser Arbeit vorgestellte Entwicklung neuartiger, mit ionischer Flüssigkeit (IL) beschichteter Katalysatoren stellt eine Möglichkeit dar die Propen-Selektivität gezielt zu beeinflussen. Dazu wurden SCILL-Katalysatoren (Solid Catalyst with Ionic Liquid Layer) erfolgreich präpariert, mittels verschiedener Methoden charakterisiert und erstmals in der selektiven Hydrierung von Propin unter Variation der Prozessparameter eingesetzt. In der SCILL-Katalyse spielen Transportvorgänge in und durch die aufgebrachte IL-Schicht eine bedeutende Rolle. Um dieses Zusammenspiel besser zu verstehen, wurden in dieser Arbeit die Diffusion und die Löslichkeit von Wasserstoff und weiteren Gasen in ILs untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Messverfahren auf Basis von Druckmessungen entwickelt, technisch realisiert und validiert. Die dabei angewandte Messung des Differenzdrucks ist eine simple aber hocheffektive Lösung, die insbesondere für schwerlösliche Gase wie Wassersstoff Vorteile gegenüber anderen Verfahren mit sich bringt. Die katalytischen Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten SCILL-Katalysatoren ein hohes Potenzial aufweisen, die Selektivität zum gewünschten Zielprodukt Propen deutlich zu verbessern. Der zunächst beobachtete Nachteil einer niedrigeren Aktivität der SCILL-Katalysatoren im Vergleich zu einem unbeschichteten Referenzkatalysator konnte mittels Optimierung (Reduzierung) der Schichtdicke in Kombination mit geschickter Wahl der Reaktionsparameter überwunden werden. Es wurde gezeigt, dass vor allem unter realitätsnahen Bedingungen (Überschuss an Propen und Wasserstoff im Zulauf) der eingesetzte SCILL-Katalysator dem Referenzsystem hinsichtlich Selektivitäts-Umsatz-Verhalten deutlich überlegen ist. Dies belegt, dass das SCILL-Konzept das Selektivitätsmuster einer Reaktion, wie hier der Propinhydrierung, positiv beeinflussen kann und damit eine sinnvolle Alternative zur Optimierung heterogener Katalysatoren eröffnet.

The selective hydrogenation of propyne is an important step in the processing of the C3 fraction from steam cracking to obtain a propene stream suitable for polymerization. Under industrial conditions propyne is converted in excess propene, thus the selectivity of the catalyst is a decisive criterion for the economic efficiency of the process. In this thesis the development of novel ionic liquid (IL) coated catalysts is presented as one possibility to influence propene selectivity in a targeted manner. For this purpose, SCILL catalysts (Solid Catalyst with Ionic Liquid Layer) were successfully prepared, characterized by different methods and used for the first time in the selective hydrogenation of propyne. Process parameters were varied. In SCILL catalysis transport processes in and through the applied IL layer play an important role. In order to better understand this interaction, the diffusion and solubility of hydrogen and other gases in ILs were investigated in this work. For this purpose, an advanced measurement method based on pressure measurements was developed, technically realized and validated. The measurement of the differential pressure used herein is a simple but highly effective solution that offers advantages over other methods, especially for poorly soluble gases such as hydrogen. The catalytic results show that SCILL catalysts possess a high potential to significantly improve the selectivity towards the desired target product propene. The initially observed disadvantage of a lower activity in comparison to an uncoated reference catalyst could be overcome by optimizing (reducing) the layer thickness in combination with adapted reaction parameters. It was shown that the SCILL catalyst is clearly superior to the reference system with respect to selectivity/conversion behavior, especially under realistic conditions with excess propene and hydrogen in the feed. This proves that the SCILL concept can positively influence the selectivity pattern of a reaction, such as propyne hydrogenation, and thus provides a reasonable alternative for the optimization of heterogeneous catalysts.