Microreactor technology for gas phase hydrogenation of nitrobenzene to aniline on Pd/Al₂O₃ Catalyst

In this work, a 1 wt.% Pd/Al2O3 catalyst was synthesized and successfully immobilized onto microchannel walls via an optimized slurry-based washcoating method. Comprehensive physicochemical characterizations—including ICP-OES, TPR, SEM, TEM, and N2 physisorption—were performed to evaluate metal loading, active phase reducibility, washcoat thickness, uniformity, and nanoparticle size distribution. Experimental campaigns were carried out to assess steady-state performance and transient decay under varying temperatures, flow rates, and feed concentrations, consistently achieving 100% selectivity toward aniline. To quantitatively rationalize the experimental observations, a pseudo-homogeneous 1D plug-flow reactor (1D-PFR) model was developed. A global power-law kinetic formulation provided a robust statistical fit, yielding an apparent activation energy ($E_a$) of 28.5 kJ/mol, whereas a mechanistic Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW) approach proved unsuitable for the investigated experimental domain. Furthermore, the dynamic catalyst deactivation was qualitatively addressed using a Deactivation Model with Residual Activity (DMRA). The modeling framework revealed that higher hydrogen partial pressures significantly mitigate fouling, identifying nitrobenzene as the primary coke precursor. These findings provide valuable insights for the intensification and optimization of continuous aniline production in microstructured reactors.

In questo lavoro, un catalizzatore 1 wt.% Pd/Al2O3 è stato sintetizzato e immobilizzato sulle pareti dei microcanali tramite un metodo di washcoating ottimizzato basato su slurry. Caratterizzazioni chimico-fisiche complete sono state eseguite tramite ICP-OES, TPR, SEM, TEM e fisisorbimento di N2 per verificare, rispettivamente, l'effettivo carico di metallo, la riducibilità della fase attiva, lo spessore e l'uniformità del washcoat e la distribuzione delle dimensioni delle nanoparticelle. Campagne sperimentali hanno valutato le prestazioni in stato stazionario e il decadimento transitorio sotto variabili temperature, portate e concentrazioni di alimentazione, raggiungendo costantemente il 100% di selettività verso l'anilina.Per razionalizzare quantitativamente le osservazioni, è stato implementato un modello 1D-PFR pseudo-omogeneo. Una formulazione globale di legge di potenza ha fornito un solido fit statistico con un'energia di attivazione apparente di 28.5 kJ/mol, mentre un approccio meccanicistico LHHW si è dimostrato inadatto per il dominio sperimentale studiato. Inoltre, il decadimento dinamico del catalizzatore è stato affrontato qualitativamente utilizzando un Modello di Disattivazione con Attività Residua (DMRA), rivelando che pressioni parziali di idrogeno più elevate mitigano significativamente il fouling, mentre il nitrobenzene agisce come principale precursore del coke.