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Reaction kinetics versus transport mechanisms: Assessing the rate-limiting factor in high-temperature PMMA pyrolysis for chemical recycling - Supplementary Dataset

Pielsticker, Stefan^RWTH* ; Gfall, Konstantinos^RWTH* ; Solana Gomez, Rafael^RWTH* ; Kneer, Reinhold^RWTH* ; Rohlfs, Wilko^RWTH*

2026

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03676
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032648/files/Supplementary_Data.zip

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Projekte

1. PFKA008 - Cluster 4 Plastics Recycling (EXS-PF-PFKA008) (EXS-PF-PFKA008)
2. ERS Prep Fund - Exploratory Research Space: Prep Fund als Anschubfinanzierung zur Schließung strategischer Lücken (EXS-PF) (EXS-PF)
3. EXS - Excellence Strategy (EXS) (EXS)
4. DFG project G:(GEPRIS)240954932 - Experimentelle Untersuchung von Pyrolyse- und Koksumsatzkinetiken in einem „Well-Stirred-Reactor“ unter atmosphärischen und druckbeaufschlagten Bedingungen (A01) (240954932) (240954932)
5. DFG project G:(GEPRIS)215035359 - TRR 129: Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre (215035359) (215035359)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PMMA pyrolysis (frei) ; Heat transfer limitations (frei) ; Reaction kinetics (frei) ; Fluidized bed reactor (frei)

Kurzfassung
Das chemische Recycling von Poly(methylmethacrylat) (PMMA) mittels Pyrolyse zur Rückgewinnung des hochwertigen Monomers Methylmethacrylat (MMA) ist für eine Kreislaufwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Der gesamte Umwandlungsprozess ist in hohem Maße von dem komplexen Zusammenspiel von Transportprozessen, der intrinsischen Kinetik der Pyrolysereaktion und der sekundären Zersetzung in der Gasphase abhängig. In dieser Studie wird die Pyrolyse von PMMA in einem kleinen Wirbelschichtreaktor unter Flash-Bedingungen untersucht, wobei eine detaillierte ex-situ-Gasanalyse mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) eingesetzt wird, um einen zuverlässigen Schließungsgrad der Massenbilanz zu erzielen. Neben dem MMA-Monomer sind auch dessen Fragmente (insbesondere CO, CO₂, CH₄ und C₃H₆) im Produktspektrum vorhanden. Hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit lassen sich zwei unterschiedliche Bereiche unterscheiden: Bei Temperaturen unter 698 K wird die Reaktion primär durch die intrinsische Reaktionskinetik bestimmt, die durch eine einzelne Reaktion erster Ordnung (SFOR) mit einem präexponentiellen Faktor A = 1,85e9 1/s und einer Aktivierungsenergie Ea = 144 kJ/mol präzise modelliert wird. Bei höheren Temperaturen ist die scheinbare Reaktionsgeschwindigkeit deutlich verringert. Ein eindimensionales Schalenmodell wird herangezogen, um diese Verringerung mit einer Begrenzung aufgrund unzureichenden Wärmetransports im Verhältnis zur stark endothermen Pyrolysereaktion in Verbindung zu bringen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch eine noch niedrigere scheinbare Reaktionsgeschwindigkeit als die Modellvorhersage, was darauf hindeutet, dass eine verminderte thermische Leitfähigkeit innerhalb der Partikel – wahrscheinlich verursacht durch die Bildung von Monomerdampfblasen – sowie der Massentransportwiderstand unter den Bedingungen der Flash-Pyrolyse eine wesentliche Rolle spielen. Der vorliegende Datensatz umfasst die experimentell ermittelten Ausbeuten an flüchtigen Produkten sowie die mittels FTIR-Gasanalyse gemessene Massenfreisetzungsrate im Reaktortemperaturbereich zwischen 623 und 1073 K. Zusätzlich werden Simulationsdaten bereitgestellt, die auf Basis eines eindimensionalen Partikel-Schalenmodells für verschiedene Szenarien der Wärmeübertragungsbegrenzung generiert wurden.

Closed-loop chemical recycling of poly(methyl methacrylate) (PMMA) via pyrolysis to recover the high-value methyl methacrylate (MMA) monomer is critical for a circular economy. The overall conversion process is highly sensitive to the complex interplay of transport processes, intrinsic pyrolysis reaction kinetics, and secondary gas-phase decomposition. This study investigates PMMA pyrolysis in a small-scale fluidized bed reactor under flash conditions, utilizing detailed ex-situ Fourier-transform infrared (FTIR) gas analysis to achieve robust mass balance closure. Apart from the MMA monomer, its fragments (especially CO, CO₂, CH₄, and C₃H₆) are present in the product spectrum. Regarding the reaction rate, two distinct regimes are identified: At temperatures below 698 K, the reaction is primarily controlled by intrinsic reaction kinetics, accurately modeled by a single first-order reaction (SFOR) with pre-exponential factor A = 1.85e9 1/s and an activation energy Ea = 144 kJ/mol.For higher temperatures, the apparent reaction rate is significantly reduced. A one-dimensional shell model is used to correlate the reduction with a limitation due to insufficient heat transport in relation to the highly endothermic pyrolysis reaction. However, the experimental results show an even lower apparent reaction rate than the model prediction, suggesting that reduced intra-particle thermal conductivity – likely caused by monomer vapor bubble formation – and the mass transport resistance play a significant role under the flash pyrolysis conditions. The present dataset includes the experimentally obtained yields of volatile products and the mass release rate measured via FTIR gas analysis in the reactor temperature range between 623 and 1073 K. Additionally, simulation data output generated with a one-dimensional particle shell model for different heat transfer limitation scenarios is given.

OpenAccess:
ZIP
(zusätzliche Dateien)

Dokumenttyp
Dataset

Format
online

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-2026-03676
Datensatz-ID: 1032648

Beteiligte Länder
Germany