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Katalytische Umwandlung von Ethen zu Propen und Butenen an 10-Ring-Zeolithen

  • Die klassischen Verfahren zur Herstellung leichter Olefine, wie Steamcracken und Fluid Catalytic Cracking sind nicht mehr in der Lage, die steigende Nachfrage an Propen zu decken. Um dem Ungleichgewicht zwischen Versorgung und Nachfrage zu begegnen wurden neue Strategien und Technologien entwickelt, die eine unabhängige Produktion von Propen ermöglichen. Eine dieser Varianten ist die katalytische Umwandlung von Ethen zu Propen, die derzeit im Labormaßstab untersucht wird. In der Literatur wurden bereits verschiedene Katalysatorsysteme vorgestellt, die unter anderem Metallträgerkatalysatoren, mesoporöse Materialien und mikroporöse Materialien beinhalten. Insbesondere mikroporöse Zeolithe, die bereits in vielen technischen Prozessen erfolgreich eingesetzt werden, zeigen aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften ein hohes Potential in der Ethen-zu-Propen Reaktion. In der vorliegenden Arbeit wurden Schlüsselfaktoren untersucht, die eine selektive katalytische Umwandlung von Ethen zu Propen und Butenen an 10-Ring-Zeolithen ermöglichen. Im Fokus der Untersuchungen stand der Einfluss unterschiedlicher Porenarchitekturen, die Säurestärkeverteilung und die Kristallitgröße auf die Aktivität und Stabilität der Katalysatoren sowie die Selektivität zu Propen und den Butenen. Die hergestellten 10-Ring-Zeolithe wurden mittels Pulver-Röntgendiffraktometrie, Festkörper-NMR-Spektroskopie, Stickstoff-Physisorption, Thermogravimetrie, Partikelgrößenanalyse und Raster-elektronenmikroskopie charakterisiert. Zur Erprobung der katalytischen Eigenschaften der hergestellten Materialien wurde eine Normaldruck-Strömungsapparatur aufgebaut. Variiert wurden die Katalysatorlaufzeit, die Reaktionstemperatur, die modifizierte Verweilzeit und der Ethen-Partialdruck. Zu Beginn wurden einige 10-Ring-Zeolithe mit unterschiedlichen Porenarchitekturen hergestellt und mit physikalisch-chemischen Methoden charakterisiert. Voraussetzung zum Vergleich der unterschiedlichen Porenarchitekturen waren dabei hohe Kristallinitäten, ähnliche Kristallitgrößen und Aluminiumgehalte. Aus den katalytischen Experimenten ging hervor, dass die sterischen Restriktionen der unterschiedlichen Porenarchitekturen einen signifikanten Einfluss auf die Selektivitäten zu den leichten Olefinen haben. Daher wurde bei den 1-dimensionalen 10-Ring-Zeolithen eine hohe Selektivität für die Bildung von Propen und den Butenen mit zusammen ca. 70 % gefunden. Die 3-dimensionalen 10-Ring-Porenstrukturen zeigen hingegen deutlich niedrigere Selektivitäten zu Propen und den Butenen mit insgesamt ca. 30 %. Als Ursache der niedrigeren Selektivitäten zu den genannten Olefinen konnten Neben- und Folgereaktionen identifiziert werden, die vermutlich an den Kreuzungspunkten im 3-dimensionalen Porensystem katalysiert werden. Die Neben- und Folgereaktionen beinhalten überwiegend Wasserstofftransferreaktionen und Zyklisierungen, die zur Bildung von Alkanen und Aromaten führen. Durch die gezielte Wahl von 1-dimensionalen Porenstrukturen konnten so die relativ großen Übergangszustände der Wasserstofftransferreaktionen und der Zyklisierungen unterdrückt werden. Daraus ergeben sich im Vergleich zu den 3-dimensionalen Porenstrukturen niedrigere Aktivitäten der 1-dimensionalen Porenstrukturen bei vergleichbarer Ausbeute an Propen und Butenen. Des Weiteren konnten neben strukturellen Einflüssen der unterschiedlichen Porenarchitekturen auch erhebliche Einflüsse der Reaktionsbedingungen auf die Bildung von Neben- und Folgereaktionen aufgezeigt werden. Dies gilt insbesondere für 3-dimensionale Porenstrukturen. Den Experimenten zufolge konkurrieren die beiden bekannten Crackmechanismen (monomolekular / bimolekular) in Abhängigkeit der Reaktionsbedingungen miteinander. Hohe Reaktionstemperaturen, kurze modifizierte Verweilzeiten und Ethen-Partialdrücke begünstigen monomolekulares Cracken und somit die Bildung von Propen und Butenen. Bimolekulares Cracken, welches gerade bei niedrigeren Reaktionstemperaturen, langen modifizierten Verweilzeiten und hohen Ethen-Partialdrücken verstärkt auftritt, fördert Wasserstofftransferreaktion. Der Einfluss der Reaktionsbedingungen ist bei 1-dimensionalen Porenstrukturen weniger stark ausgeprägt, da die formselektiven Eigenschaften bei der ETP-Reaktion dominieren. Zusätzlich zu den bereits genannten Schlüsselfaktoren wurden auch die Auswirkungen unterschiedlicher Aluminiumgehalte der Zeolithe in der sauer katalysierten Ethen-zu-Propen-Reaktion untersucht. Als Katalysatoren wurden die Zeolithe ZSM-22 und ZSM-5 als jeweilige Vertreter einer 1-dimensionalen und 3-dimensionalen Porenstruktur verwendet. Der Vergleich der katalytischen Eigenschaften erfolgte bei gleichbleibenden Reaktionsbedingungen. In Abhängigkeit von der Dimensionalität des Porensystems (1-D vs. 3-D) wurde beobachtet, dass die Selektivitäten für die kurzkettigen Olefine in einem Fall mit dem Aluminiumgehalt abnehmen (3-D, HZSM-5) und im anderen Fall zunehmen (1-D, HZSM-22). Auch hier dominieren die formselektiven Eigenschaften der 1-dimensionalen Porenstrukturen in der Ethen-zu-Propen-Reaktion, wodurch mit steigender Anzahl saurer Zentren die Aktivität und die Selektivität zu den leichten Olefinen ebenfalls steigen. Es zeigte sich jedoch, dass hohe Aluminiumgehalte zu einer verstärkten Katalysatordesaktivierung beitragen und zusätzlich den Stofftransport der Reaktanden stark beeinflussen. Zeolith ZSM-5 zeigte zwar ebenfalls eine starke Katalysatordesaktivierung mit steigendem Aluminiumgehalt, wohingegen der Stofftransport der Reaktanden nicht beeinflusst wurde. Dies ging aus dem linearen Zusammenhang zwischen der Aktivität und dem Aluminiumgehalt in der Zeolith-Struktur hervor. Die Produktselektivitäten wurden insbesondere an Zeolith ZSM-5 deutlich durch den Aluminiumgehalt beeinflusst. Hohe Aluminiumgehalte begünstigen Wasserstofftransferreaktionen und Zyklisierungen, wohingegen niedrige Aluminiumgehalte die Selektivität zu den leichten Olefinen erhöhen. Ein Erklärungsansatz hierfür basiert auf den ablaufenden Gasphasenmechanismen an heterogenen Katalysatoren: Den Experimenten zufolge verläuft die Ethen-zu-Propen-Reaktion an Zeolith ZSM-5 vermutlich nach dem Eley-Rideal-Mechanismus, wohingegen die konkurrierenden Wasserstofftransferreaktionen nach dem Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus ablaufen. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit anderen literaturbekannten Studien. Die gezielte Variation der Kristallitgröße wurde mit Zeolith ZSM-5 durchgeführt, mit dem Ziel, detailliertere Kenntnisse über das Desaktivierungsverhalten des Katalysators und den Stofftransport der Reaktanden in den Poren zu erhalten. Die Kristallitgröße von Zeolith ZSM-5 wurde einerseits durch die Kristallistaionstemperatur gesteuert und andererseits durch die Zugabe von Triethanolamin als Inhibitor für die Keimbildung. Auf diese Weise konnten mittlere Kristallitgrößen im Bereich von 6 - 69 µm hergestellt werden. Mit zunehmender Kristallitgröße von Zeolith ZSM-5 wurde bei ähnlichen Koks-Gehalten eine schnellere Katalysatordesaktivierung beobachtet. Weiterhin waren abnehmende Aktivitäten mit zunehmender Kristallitgröße zu beobachten. Es konnte gezeigt werden, dass Stofftransportlimitierungen ab einer Kristallitgröße von ca. 27 µm auftreten. Es war ebenfalls ersichtlich, dass mit steigender Kristallitgröße auch unselektive Reaktionen auf der äußeren Oberfläche der Kristallite reduziert werden. Mit diesen waren steigende Selektivitäten zu den leichten Olefinen zu beobachten, bei gleichzeitiger Abnahme der Selektivitäten zu den C1 - C4-Alkanen und den Aromaten. Dies konnte auf eine Reduktion unselektiv ablaufender Neben- und Folgereaktionen auf der äußeren Kristallitoberfläche zurückgeführt werden.

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Metadaten
Author:Sascha Follmann
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-42831
Advisor:Stefan Ernst
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2016/01/15
Year of Publication:2015
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2015/12/18
Date of the Publication (Server):2016/01/28
Number of page:V, 160
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 30.07.2015