The following work examines the hydrogenation of p-nitrotoluene in the liquid phase and the partial hydrogenation of acroleine in the gas phase. For both reactions a microchannel reactor (MCR) with catalytically active walls and fixed bed catalysts have been prepared and applicated. In case of the hydrogenation of p-nitrotoluene using the MCR the aim was to prepare a catalytically active wall coating. To achieve this the inner surface of the MCR was anodically oxidized and followed by a deposition of palladium in the resulting oxide layer by means of electrochemical and wetchemical reduction. The resulting coating was modified by promoting it with lanthane. The maximum space time yield of p-toluidine was 7 mols per liter and hour. This is significantly more than the state-of-the-art today which is limited by heat transfer and enables a space time yield in the range of 0.15 to 1.5 mol per liter and hour. Thus, the MCR could be profitably used for this reaction. In case of the partial hydrogenation of acroleine with allyl alcohol as the desired product silver based real and model catalysts have been used. The aim was to identify correlations between the chosen catalyst support and immobilization procedure on one side and the catalytical properties of the resulting catalyst on the other. Aluminum and silicon dioxide have been used as catalyst support. The catalytically active component silver was deposited using conventional wet impregnation procedures as well as electrochemical silver deposition and sputtering of silver. It was possible to discriminate between effects due to the choice of the support material and effects due to the choice of the immobilization procedure. For this reaction, the MCR could not be used profitably. / In der vorliegenden Arbeit wurde die Hydrierung von p-Nitrotoluol in der Flüssigphase und die partielle Hydrierung von Acrolein in der Gasphase untersucht. Für beide Reaktionen wurden Mikrostrukturreaktoren (MSR) mit katalytisch aktiven Wänden sowie Schüttgutkatalysatoren präpariert und eingesetzt. Im Fall der Hydrierung von p-Nitrotoluol im MSR bestand das Ziel in der Präparation einer geeigneten katalytisch aktiven Wandbeschichtung. Dazu wurde die innere Oberfläche des MSR anodisch oxidiert und in der resultierenden Oxidschicht Palladium durch elektrochemische und nasschemische Reduktion abgeschieden. Modifiziert wurden die erhaltenen Beschichtungen durch Lanthanpromotierung. Es wurde eine maximale Raumzeitausbeute an p-Toluidin im MSR von 7 mol pro Liter und Stunde erreicht. Dies ist deutlich höher als der durch die Grenzen des Wärmetransportes limitierte Stand der Technik, der für konventionelle Rührkesselreaktoren im Bereich von 0,15 bis 1,5 mol pro Liter und Stunde liegt. Der MSR konnte damit gewinnbringend für diese Reaktion eingesetzt werden. Für die Hydrierung von Acrolein mit dem Zielprodukt Allylalkohol wurden auf Silber basierende reale und Modellkatalysatoren eingesetzt. Ziel war es, Zusammenhänge zu finden zwischen der Wahl des Katalysatorträgers und der Techniken zur Silberimmobilisierung auf der einen Seite und den katalytischen Eigenschaften des resultierenden Katalysators auf der anderen. Als Trägermaterialien wurden Aluminium und Siliziumdioxid verwendet. Die Aktivkomponente Silber wurde konventionell nasschemisch, elektrochemisch und durch Sputtern abgeschieden. Einflüsse des Trägermaterials auf Aktivität und Selektivität des Katalysators konnten deutlich von den Einflüssen der verschiedenen Techniken der Silberimmobilisierung unterschieden werden. Der Mikrostrukturreaktor konnte für diese Reaktion nicht gewinnbringend eingesetzt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig Mikrostrukturreaktoren bei der partiellen Oxidation von 1-Buten zu Maleinsäureanhydrid (MSA) eingesetzt. Diese stark exotherme, heterogen katalysierte Umsetzung fand hierbei in Stapeln mikrostrukturierter Aluminiumfolien statt, welche durch parallele Strömungskanäle mit katalytisch wirksamen Oberflächenschichten charakterisiert sind. Als Aktivkomponenten kamen Vanadium-, Phosphor- und Titanoxide zur Anwendung. Ein Vergleich von drei kompakten Mikrostrukturreaktoren mit Kanaldurchmessern der Mikrokanäle von 0,08, 0,2 bzw. 0,4 mm mit einem Schüttgutreaktor wurde durchgeführt. Vorausgehend war die Entwicklung von 3 verschiedenen Methoden zur Immobilisierung von V2O5 und P2O5 auf dem Katalysatorträger bei jeweils unterschiedlichen Katalysatorvorläufern. Die Herstellungsparameter der geeignetsten Immobilisierungsmethode wurden, entsprechend einem Screening in Schüttgutreaktoren, systematisch variiert. Die katalytische Aktivierung der Folien erfolgte nach der gleichen Präparationsvorschrift die zur Herstellung des „besten“ Katalysator-Schüttguts führte. Bei der partiellen Oxidation von 1-Buten außerhalb des Explosionsbereiches bestanden nur geringfügige Unterschiede zwischen den MSA-Selektivitäten im Schüttgut bzw. in der Mikrostruktur (33%). In letzterer wurden hingegen um den Faktor 3 bis 5 höhere Raum-Zeit-Ausbeuten als im Schüttgut erzielt. Des weiteren konnte die partielle Oxidation von 1-Buten innerhalb des Explosionsbereiches ausschließlich in den Mikrostrukturreaktoren explosionssicher - und ohne Anzeichen auf instabile Betriebspunkte – gehandhabt werden. Begleitend dazu fand die Entwicklung und der Einsatz dreier modularer Mikrostrukturreaktoren bei der partiellen Oxidation von 1-Buten statt. Praktische Ergebnisse wurden anhand eines entwickelten Reaktormodells bestätigt.

In der vorliegenden Arbeit wurde die heterogen katalysierte Oxidation von Ethen zu Ethylenoxid an Silberkatalysatoren untersucht. Ziel dieser Arbeit war es, Mikrostrukturreaktoren für schnelle und stark exotherme Oxidationsreaktionen zu erproben und diese Epoxidation diente als Modellreaktion. Gleichzeitig wurden explosions- und flammhemmende Eigenschaften des Mikrostrukturreaktors ausgenutzt, um die partielle Oxidation von Ethen zu Ethyenoxid im Explosionsbereich (> 9% Sauerstoff) ohne Sicherheitsprobleme zu ermöglichen. Um die gesteckten Ziele zu erreichen wurden zwei parallele Lösungswege beschritten. Zunächst wurden modulare Mikrostrukturreaktoren und geeignete mikrostrukturierte Katalysatorträger entwickelt, um Untersuchungen verschiedener katalytischer Beschichtungen in dieser neuen und nicht allgemein verfügbaren Reaktorbauweise zu ermöglichen. Zur katalytische Erprobungen dieser Konstruktion war es notwendig, geeignete Beschichtungstechniken zur Immobilisierung katalytisch aktiver Spezies zu entwickeln. Durch die Bauweise dieser Reaktoren als Wandreaktor erschien es anfänglich nicht möglich, kommerziell verfügbare pellet-artige Katalysatoren zu verwenden. Daher wurden, parallel zur Konstruktion der modularen Mikroreaktoren, verschiedene auf Silber basierende Beschichtungstechniken hinsichtlich ihrer Eignung für diese Reaktion erprobt. Zur Erprobung kamen u.a. Silberimmobilisierung in einem durch anodischen Oxidation erzeugen Porensystem bzw. einer durch Sol-Gel Beschichtung erzeugten a-Aluminiumoxid Schicht und die Abscheidung von metallischem Silber per Vakuumbeschichtung auf einem Trägermaterial. Zuletzt wurde die Immobilisierung eines gemahlenen, kommerziellen Katalysators per elektrostatischer Pulverabscheidung auf einem entsprechend präparierten Trägermaterial vorgenommen und erfolgreich erprobt. Die wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit aus chemisch-katalytischer Sicht ist der enorm positive Einfluss hoher Sauerstoffkonzentrationen auf die Selektivität und gleichzeitig den Umsatz des umzusetzenden Ethylens. Wird die Sauerstoffkonzentration von unter 10% auf bis zu 80% erhöht, so steigt die Selektivität zu Ethylenoxid um ca. 10% an und simultan kann der Umsatzgrad abhängig vom Katalysator und der Reaktortemperatur um den Faktor 2 bis 10 gesteigert werden. Diese Beobachtung wurde für jeden funktionierenden Katalysator gemacht, unabhängig von dessen Herstellung. Mittels Promotoren wie Cs-Salzen und Stickoxiden konnte die Selektivität in Abwesenheit gängiger Moderatoren wie Chlorkomponenten auf 70% (Cs-Salze) bzw. 75% (NOx) gesteigert werden. Verfahrenstechnisch ist festzuhalten, dass Mikrostrukturreaktoren gleich welcher Bauweise unter allen Reaktionsbedingungen thermisch stabil und beherrschbar blieben. Es wurden Umsatzgrade bis 99% bezüglich Ethen erzielt bzw. Reaktionstemperaturen von über 630 K bei einem binären Ethylen-Sauerstoff Gemisch (20%/80%) angewendet. Angesichts adiabater Temperaturerhöhungen von mehr als 3000 K konnte dennoch ein stabiler Betrieb des Reaktors festgestellt werden. Diese thermische Stabilität war bei Katalysatoren in Festbettreaktoren nicht gegeben.

The following work examines the hydrogenation of p-nitrotoluene in the liquid phase and the partial hydrogenation of acroleine in the gas phase. For both reactions a microchannel reactor (MCR) with catalytically active walls and fixed bed catalysts have been prepared and applicated. In case of the hydrogenation of p-nitrotoluene using the MCR the aim was to prepare a catalytically active wall coating. To achieve this the inner surface of the MCR was anodically oxidized and followed by a deposition of palladium in the resulting oxide layer by means of electrochemical and wetchemical reduction. The resulting coating was modified by promoting it with lanthane. The maximum space time yield of p-toluidine was 7 mols per liter and hour. This is significantly more than the state-of-the-art today which is limited by heat transfer and enables a space time yield in the range of 0.15 to 1.5 mol per liter and hour. Thus, the MCR could be profitably used for this reaction. In case of the partial hydrogenation of acroleine with allyl alcohol as the desired product silver based real and model catalysts have been used. The aim was to identify correlations between the chosen catalyst support and immobilization procedure on one side and the catalytical properties of the resulting catalyst on the other. Aluminum and silicon dioxide have been used as catalyst support. The catalytically active component silver was deposited using conventional wet impregnation procedures as well as electrochemical silver deposition and sputtering of silver. It was possible to discriminate between effects due to the choice of the support material and effects due to the choice of the immobilization procedure. For this reaction, the MCR could not be used profitably. / In der vorliegenden Arbeit wurde die Hydrierung von p-Nitrotoluol in der Flüssigphase und die partielle Hydrierung von Acrolein in der Gasphase untersucht. Für beide Reaktionen wurden Mikrostrukturreaktoren (MSR) mit katalytisch aktiven Wänden sowie Schüttgutkatalysatoren präpariert und eingesetzt. Im Fall der Hydrierung von p-Nitrotoluol im MSR bestand das Ziel in der Präparation einer geeigneten katalytisch aktiven Wandbeschichtung. Dazu wurde die innere Oberfläche des MSR anodisch oxidiert und in der resultierenden Oxidschicht Palladium durch elektrochemische und nasschemische Reduktion abgeschieden. Modifiziert wurden die erhaltenen Beschichtungen durch Lanthanpromotierung. Es wurde eine maximale Raumzeitausbeute an p-Toluidin im MSR von 7 mol pro Liter und Stunde erreicht. Dies ist deutlich höher als der durch die Grenzen des Wärmetransportes limitierte Stand der Technik, der für konventionelle Rührkesselreaktoren im Bereich von 0,15 bis 1,5 mol pro Liter und Stunde liegt. Der MSR konnte damit gewinnbringend für diese Reaktion eingesetzt werden. Für die Hydrierung von Acrolein mit dem Zielprodukt Allylalkohol wurden auf Silber basierende reale und Modellkatalysatoren eingesetzt. Ziel war es, Zusammenhänge zu finden zwischen der Wahl des Katalysatorträgers und der Techniken zur Silberimmobilisierung auf der einen Seite und den katalytischen Eigenschaften des resultierenden Katalysators auf der anderen. Als Trägermaterialien wurden Aluminium und Siliziumdioxid verwendet. Die Aktivkomponente Silber wurde konventionell nasschemisch, elektrochemisch und durch Sputtern abgeschieden. Einflüsse des Trägermaterials auf Aktivität und Selektivität des Katalysators konnten deutlich von den Einflüssen der verschiedenen Techniken der Silberimmobilisierung unterschieden werden. Der Mikrostrukturreaktor konnte für diese Reaktion nicht gewinnbringend eingesetzt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig Mikrostrukturreaktoren bei der partiellen Oxidation von 1-Buten zu Maleinsäureanhydrid (MSA) eingesetzt. Diese stark exotherme, heterogen katalysierte Umsetzung fand hierbei in Stapeln mikrostrukturierter Aluminiumfolien statt, welche durch parallele Strömungskanäle mit katalytisch wirksamen Oberflächenschichten charakterisiert sind. Als Aktivkomponenten kamen Vanadium-, Phosphor- und Titanoxide zur Anwendung. Ein Vergleich von drei kompakten Mikrostrukturreaktoren mit Kanaldurchmessern der Mikrokanäle von 0,08, 0,2 bzw. 0,4 mm mit einem Schüttgutreaktor wurde durchgeführt. Vorausgehend war die Entwicklung von 3 verschiedenen Methoden zur Immobilisierung von V2O5 und P2O5 auf dem Katalysatorträger bei jeweils unterschiedlichen Katalysatorvorläufern. Die Herstellungsparameter der geeignetsten Immobilisierungsmethode wurden, entsprechend einem Screening in Schüttgutreaktoren, systematisch variiert. Die katalytische Aktivierung der Folien erfolgte nach der gleichen Präparationsvorschrift die zur Herstellung des „besten“ Katalysator-Schüttguts führte. Bei der partiellen Oxidation von 1-Buten außerhalb des Explosionsbereiches bestanden nur geringfügige Unterschiede zwischen den MSA-Selektivitäten im Schüttgut bzw. in der Mikrostruktur (33%). In letzterer wurden hingegen um den Faktor 3 bis 5 höhere Raum-Zeit-Ausbeuten als im Schüttgut erzielt. Des weiteren konnte die partielle Oxidation von 1-Buten innerhalb des Explosionsbereiches ausschließlich in den Mikrostrukturreaktoren explosionssicher - und ohne Anzeichen auf instabile Betriebspunkte – gehandhabt werden. Begleitend dazu fand die Entwicklung und der Einsatz dreier modularer Mikrostrukturreaktoren bei der partiellen Oxidation von 1-Buten statt. Praktische Ergebnisse wurden anhand eines entwickelten Reaktormodells bestätigt.

In der vorliegenden Arbeit wurde die heterogen katalysierte Oxidation von Ethen zu Ethylenoxid an Silberkatalysatoren untersucht. Ziel dieser Arbeit war es, Mikrostrukturreaktoren für schnelle und stark exotherme Oxidationsreaktionen zu erproben und diese Epoxidation diente als Modellreaktion. Gleichzeitig wurden explosions- und flammhemmende Eigenschaften des Mikrostrukturreaktors ausgenutzt, um die partielle Oxidation von Ethen zu Ethyenoxid im Explosionsbereich (> 9% Sauerstoff) ohne Sicherheitsprobleme zu ermöglichen. Um die gesteckten Ziele zu erreichen wurden zwei parallele Lösungswege beschritten. Zunächst wurden modulare Mikrostrukturreaktoren und geeignete mikrostrukturierte Katalysatorträger entwickelt, um Untersuchungen verschiedener katalytischer Beschichtungen in dieser neuen und nicht allgemein verfügbaren Reaktorbauweise zu ermöglichen. Zur katalytische Erprobungen dieser Konstruktion war es notwendig, geeignete Beschichtungstechniken zur Immobilisierung katalytisch aktiver Spezies zu entwickeln. Durch die Bauweise dieser Reaktoren als Wandreaktor erschien es anfänglich nicht möglich, kommerziell verfügbare pellet-artige Katalysatoren zu verwenden. Daher wurden, parallel zur Konstruktion der modularen Mikroreaktoren, verschiedene auf Silber basierende Beschichtungstechniken hinsichtlich ihrer Eignung für diese Reaktion erprobt. Zur Erprobung kamen u.a. Silberimmobilisierung in einem durch anodischen Oxidation erzeugen Porensystem bzw. einer durch Sol-Gel Beschichtung erzeugten a-Aluminiumoxid Schicht und die Abscheidung von metallischem Silber per Vakuumbeschichtung auf einem Trägermaterial. Zuletzt wurde die Immobilisierung eines gemahlenen, kommerziellen Katalysators per elektrostatischer Pulverabscheidung auf einem entsprechend präparierten Trägermaterial vorgenommen und erfolgreich erprobt. Die wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit aus chemisch-katalytischer Sicht ist der enorm positive Einfluss hoher Sauerstoffkonzentrationen auf die Selektivität und gleichzeitig den Umsatz des umzusetzenden Ethylens. Wird die Sauerstoffkonzentration von unter 10% auf bis zu 80% erhöht, so steigt die Selektivität zu Ethylenoxid um ca. 10% an und simultan kann der Umsatzgrad abhängig vom Katalysator und der Reaktortemperatur um den Faktor 2 bis 10 gesteigert werden. Diese Beobachtung wurde für jeden funktionierenden Katalysator gemacht, unabhängig von dessen Herstellung. Mittels Promotoren wie Cs-Salzen und Stickoxiden konnte die Selektivität in Abwesenheit gängiger Moderatoren wie Chlorkomponenten auf 70% (Cs-Salze) bzw. 75% (NOx) gesteigert werden. Verfahrenstechnisch ist festzuhalten, dass Mikrostrukturreaktoren gleich welcher Bauweise unter allen Reaktionsbedingungen thermisch stabil und beherrschbar blieben. Es wurden Umsatzgrade bis 99% bezüglich Ethen erzielt bzw. Reaktionstemperaturen von über 630 K bei einem binären Ethylen-Sauerstoff Gemisch (20%/80%) angewendet. Angesichts adiabater Temperaturerhöhungen von mehr als 3000 K konnte dennoch ein stabiler Betrieb des Reaktors festgestellt werden. Diese thermische Stabilität war bei Katalysatoren in Festbettreaktoren nicht gegeben.