Zusammenspiel von chemischer Reaktion und Porendiffusion bei der kobaltkatalysierten Fischer-Tropsch-Synthese unter Einsatz von CO2-haltigem Synthesegas

Titelangaben

Pöhlmann, Ferdinand:
Zusammenspiel von chemischer Reaktion und Porendiffusion bei der kobaltkatalysierten Fischer-Tropsch-Synthese unter Einsatz von CO2-haltigem Synthesegas.
Bayreuth , 2017 . - VIII, 187 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Die notwendige Verringerung der Konzentration an Kohlendioxid in unserer Atmosphäre kann durch den vermehrten Einsatz erneuerbarer Energien und durch CO2-Sequestrierung erfolgen. Ein weiterer vielversprechender Weg, dieses klimapolitische Ziel zu erreichen, besteht in der stofflichen Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoff für Kraftstoffe und organische Chemikalien; dabei besitzt die Konvertierung von anthropogen erzeugtem CO2 zu synthetischen Kraftstoffen wie Benzin, Diesel oder Kerosin das wohl größte Potential große Mengen dieses Gases chemisch zu binden und gleichzeitig zu nutzen. Die Umwandlung des Kohlendioxids lässt sich in einem mehrstufigen Prozess durchführen. Zunächst muss Synthesegas (CO und H2) als Basisrohstoff für die synthetischen Kraftstoffe bereitgestellt werden; die H2-Gewinnung erfolgt durch eine elektrolytische Spaltung von Wasser mit regenerativ erzeugtem Strom; anschließend wird der so gewonnene Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid, das beispielsweise vorher aus Rauchgasen abgetrennt wurde, in einer RWGS-Anlage bei hohen Temperaturen in CO-reiches Synthesegas konvertiert; da die Betriebsbedingungen technischen Beschränkungen unterliegen und somit der Umsatz thermodynamisch limitiert ist, enthält das resultierende Synthesegas erhebliche Mengen an CO2; im abschließenden Prozessschritt, der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS), wird das CO2-haltige Synthesegas zu flüssigen Kohlenwasserstoffe umgesetzt. Die heterogen-katalysierte FTS wird in einem Festbettreaktor mit Kobaltkatalysatoren durchgeführt. Um den Druckverlust möglichst gering zu halten, müssen (technische) Katalysatorpartikel im Millimetermaßstab verwendet werden; diese Partikel führen allerdings unweigerlich zu einer Limitierung der chemischen Reaktion durch Porendiffusion; die Diffusion der Reaktanden in dem mit flüssigen Reaktionsprodukten gefüllten Partikel hat nicht nur einen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit der CO-Umsetzung, sondern verändert auch das Produktspektrum. Daher liegt ein besonderes Augenmerk der vorliegenden Arbeit auf der Untersuchung des Zusammenspiels von chemischer Reaktion und Porendiffusion. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Erforschung wie sich CO2 als Synthesegasbestandteil in der kobaltkatalysierten Fischer-Tropsch-Synthese verhält; dies geschieht vor dem Hintergrund, dass durch den stark hemmenden Einfluss der Porendiffusion die FTS-limitierende Komponente CO bereits in einer äußeren „Schale“ des Katalysatorpartikels vollständig verbraucht wird; dies führt zu einer CO-freien Region im „Kern“ des Partikels, und Kohlendioxid, das ansonsten von Kohlenmonoxid an der Adsorption gehindert wird, kann jetzt in dieser Kernregion adsorbieren und sich mit Wasserstoff umsetzen. Somit werden im Rahmen dieser Arbeit die Untersuchungen und Ergebnisse vorgestellt, unter welchen Reaktionsbedingungen CO2 umgesetzt wird und inwiefern sich diese Umsetzung auf die Reaktionskinetik und die Produktselektivität auswirkt.

Abstract in weiterer Sprache

The continuous effort of the nations both the developed as well as the developing countries to preserve or to establish the prosperity for their population results in an increasing global need for primary energy; however, this energy request is in particular responsible for the increasing concentration of carbon dioxide in our atmosphere. As a result, we have to face the problem of climate change and the associated change of the environment in the near future. Hence, leading scientists call for a rigorous reduction of anthropogenic CO2 emission to avoid most of the negative consequences for life on earth. To achieve this target, the shift from fossil fuels to renewables or, alternatively, sequestration of carbon dioxide (carbon capture and storage, CCS) seems to be the obvious solution; that is the injection of CO2 into geological formations. However, renewable power generation is prone to strong fluctuations and incapable to provide the base load. In addition, a possible CO2- leakage and its unknown environmental consequences are the big issue accompanied with CCS. Therefore, the utilization of CO2 (e.g. captured from flue gas of gas- or coal-fired power plants) and renewable H2 in the power to liquid process (PTL) are a promising way to get elegantly rid of the large amounts of otherwise emitted carbon dioxide. This three-step process consists of (i) water electrolysis, (ii) reverse water-gas shift (RWGS), and (iii) Fischer-Tropsch synthesis (FTS). Here, the syngas entering the FTS unit always contains carbon dioxide because the CO2- conversion in the RWGS reactor is incomplete due to thermodynamic constraints. Thus, it is of interest if carbon dioxide influences the kinetics of the cobalt catalyzed FTS. Moreover, under effective reaction conditions (i.e. millimeter sized catalyst particles for industrial application), internal mass transport limitations affect the FT reaction; this leads to a rising H2-to-CO ratio inside the particle which is reflected in the local reaction rate and selectivity. Hence, the interplay between the reaction and the pore diffusion during the heterogeneously catalyzed Fischer-Tropsch synthesis has to be investigated to optimize the PTL process and minimize the CO2 emission.