The precipitation process is an essential step in the process chain of various large scale productions. Products of industrial relevance are often binary or ternary systems or systems of even higher order with a variety of basic components and solid phases. Cu/ZnO/Al2O3 catalysts, which are used in chemical industry for the synthesis of methanol, belong to ternary systems. In this work, precipitation systems are categorized into the number of components and solid phases. Based on this approach, a novel multi-component model is developed by extending model equations of mass balances, kinetics of particle formation and mixing. The presented model equations can be applied without modification to precipitation systems such as barium sulfate, zinc oxide or copper-zinc catalyst precursors. These examples represent cases of single- and multi-component systems which can be used to point out the aspects of multi-component precipitation. One aspect is the formation of several solid phases from several components. The occurring heterogeneous nucleation supports the formation of solid phases. In contrast to this, the choice of components and their concentrations can limit or even prevent solid formation. The model, which is developed in this work, allows to simulate the precipitation of heterogeneous catalyst precursors. The model results were validated by global parameters (pH of suspension, solid concentration) and microscopic methods (scanning and transmission electron microscopy). This approach complements experimental studies from literature to understand and optimize the production of catalysts. This was demonstrated exemplarily by maximizing the yield of copper ions during the precipitation of copper catalyst precursors in order to reduce the copper contamination in the washing water. In the outlook, it is shown to what extent the presented model can be transferred to other systems which include a high number of components and solid phases. This includes the right choice of model and material parameters in a systematic way.

Die Fällung ist bei der großtechnischen Herstellung vieler Produkte ein wichtiger Bestandteil der Prozesskette. Bei Produkten industrieller Relevanz handelt es sich häufig um binäre, ternäre und noch komplexere Systeme mit einer Vielzahl an Feststoffphasen und Ausgangskomponenten. Dazu gehören Cu/ZnO/Al2O3-Katalysatoren, welche in der chemischen Industrie für die Synthese von Methanol verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit werden Fällungssysteme anhand der Anzahl an Komponenten und Feststoffphasen kategorisiert. Darauf basierend wird ein Mehrkomponentenmodell für die Fällung aufgestellt. Das Modell stellt eine Erweiterung der bisher in der Literatur beschriebenen Bilanzen für den Stoffaustausch, Kinetik der Partikelbildung und Mischmodelle dar. Ohne Modifikation der Modellgleichungen kann das vorgestellte Modell auf verschiedene Fällungen wie z.B. Zinkoxid, Bariumsulfat und Kupfer-Zink-Katalysatorvorstufen angewandt werden. Diese stellen Fallbeispiele für Fällungssysteme mit einer einzelnen Komponente oder mit mehreren Komponenten dar. Anhand dieser Beispiele können schließlich wesentliche Aspekte der Mehrkomponenten-Fällung herausgearbeitet werden. Ein Aspekt ist die Fällung mehrerer Feststoffphasen aus mehreren Komponenten. Die dabei auftretende heterogene Keimbildung begünstigt die Bildung von Feststoffphasen. Im Gegensatz dazu kann die Wahl der Komponenten und ihrer Konzentrationen limitierend für die Feststoffbildung sein beziehungsweise die Bildung eines Feststoffes gänzlich verhindern. Unter Verwendung des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Modells ist es erstmals möglich, die Fällung heterophasiger Katalysatorvorstufen zu simulieren und mittels globaler Parameter (pH-Wert der Suspension, Feststoffkonzentration) und mikroskopischer Methoden (Raster- und Transmissionselektronenmikroskop) erfolgreich zu validieren. Der hier aufgezeigte Ansatz der Modellierung stellt zu den experimentell aufwendigen Studien in der Literatur eine wichtige Erweiterung dar, um den Katalysatorherstellungsprozess zu verstehen und zu optimieren. Dies konnte beispielhaft durch die Maximierung des Kupferumsatzes bei der Fällung von Katalysatorvorstufen gezeigt werden, um Kupfer-Kontamination im Waschwasser zu reduzieren. Im Ausblick wird erläutert, inwieweit das vorgestellte Modell auf weitere Fällungssysteme mit einer Vielzahl an Komponenten übertragen werden kann. Dies beinhaltet die gezielte Wahl von Modell- und Materialparametern in einer systematischen Vorgehensweise.