title: Reaktorkonzept zur Untersuchung der Ammoniak-Oxidation unter technisch relevanten Bedingungen und Teilumsätzen
Creators: name: Kornemann, Felix
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: Die Validierung eines kinetischen Modells für die Ammoniak-Oxidation stellt aufgrund der harschen Reaktionsbedingungen mit Temperaturen bis zu 950 °C und erhöhten Drücken weiterhin eine Herausforderung dar. Die zugrundeliegenden, experimentellen Messungen wurden bisher ausschließlich im Niedrigdruckbereich oder bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt. Diese Arbeit evaluiert in dem Kontext ein Reaktorkonzept mittels kombinatorischem Ansatz aus Simulation und Experimenten bei technisch relevanten Bedingungen. Zur Vereinfachung des lokalen Massentransfers wurde ein laminares Strömungsrohr mit katalytischer Wand als Reaktorgeometrie eingesetzt. Mittels CFD-Simulation konnte nachgewiesen werden, dass sich zum einen ein laminares Strömungsprofil vor dem Reaktorraum, zum anderen keine signifikanten Temperaturgradienten ausbilden. Auf dieser Basis wurde eine methodische Evaluierung in vier Schritten durchgeführt. 

Zunächst wurde die thermische Stabilität der jeweiligen Spezies Ammoniak, Stickstoffmonoxid und Lachgas untersucht. Im Falle des Ammoniaks ist eine ausschließlich katalytische Aktivität festzustellen. Stickstoffmonoxid wiederum zeigt keine Zersetzungserscheinungen. Dem entgegen zersetzt sich Lachgas sowohl katalytisch als auch in der Gasphase, insgesamt bis zu 2%. Ammoniak fördert den Zerfall um das teils Sechsfache, während Sauerstoff und Stickstoffmonoxid keinen Einfluss haben.

Eine erste Messung der Ammoniak-Oxidation zeigt, dass das Reaktorkonzept Experimente unter Teilumsatz ermöglicht. Der Vergleich zur Simulation weist jedoch darauf hin, dass eine signifikant hohe Stickstoff-Selektivität und ein erhöhter Ammoniak-Umsatz gemessen wurden. Obgleich diese Aspekte ebenfalls bei Parametervariationen der Temperatur, des Drucks, der Verweilzeit im Reaktorraum und dem Verhältnis Ammoniak zu Sauerstoff zu verzeichnen sind, können jeweils reaktionstechnische Trends abgeleitet werden. Die Diskrepanz zwischen Experiment und Simulation ist in geringem Maße auf eine Blindaktivität des Reaktors zurückzuführen. Eine weitere Quelle ist die in operando Restrukturierung des Katalysators, die anhand einer Geometrie-Studie mittels CFD-Simulation untersucht wurde. Aus dieser ging hervor, dass eine prozessbezogene Restrukturierung des Katalysators einen marginalen Umsatzanstieg hervorrufen kann. 

Die dritte und am meisten zu gewichtende Ursache stellt die selektive Reduktion von Stickstoffmonoxid mit Ammoniak da. Hierbei ist festzuhalten, dass die nichtkatalytische, selektive Reduktion zwar im Reaktor stattfindet, jedoch im Vergleich zur katalytischen, in der Downstream-Strecke lokalisierten Reaktion zu vernachlässigen ist. Eine Quantifizierung von letzterer war aufgrund einer Limitierung der Auswerteroutine nicht möglich.
Eine weitere Limitierung ist die Beschaffenheit des Katalysators über die Reaktorlaufzeit. Dieser war am Ende der Arbeit verformt und der Reaktionskanal deutlich verkürzt. Die Untersuchung der Oberfläche mittels REM und EDX wies ebenfalls darauf hin, dass keine für die Reaktion charakteristische Restrukturierung vorhanden war. Vielmehr enthielt die Oberfläche eingeschmolzene Quarzglas- und Stahl-Partikel. Eine Aussage über den Zeitpunkt der Verformung bzw. der Ablagerungen kann nicht getätigt werden. 

Obgleich der Restriktionen, konnte aus der Arbeit ein Reaktionsnetz der Ammoniak-Oxidation aufgebaut und lokal differenziert werden. Die relevante Bildung von Stickstoff ist auf vier relevante Reaktionspfade zurückzuführen, von denen die katalytische, selektive Reduktion überwiegt.