Dynamische Untersuchungen bei intensivierter Fischer-Tropsch Synthese

Autor: Loewert, Marcel
Přispěvatelé: Pfeifer, P.
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
DOI: 10.5445/ir/1000128675
Popis: Die Defossilisierung und die Reduzierung der CO2-Emissionen durch Gesellschaft und die Industrie sind dringliche Themen unserer Zeit. Es ist allgemein anerkannt, dass CO2 als Treibhausgas das Klima beeinflusst und der Mensch den Klimawandel durch einen hohen CO2-Aussto�� verst��rkt. Die Umwelt muss mit gesch��tzt werden, um die Grundlage f��r das Leben, wie wir es kennen, zu erhalten. Aktuell finden gro��e Bem��hungen statt, erneuerbare Energien als Prim��renergie der Zukunft zu f��rdern. Dies geschieht durch die Nutzung von Wind-, Sonnen- und Wasserkraft, sowie Biomasse. Aus diesem Ansatz sind eine Vielzahl neuer Anwendungen und Technologien entstanden. Wir stehen vor einer Neuorientierung im Energiesektor, wodurch viele Herausforderungen entstehen und ��berwunden werden m��ssen. Einer der Sektoren mit der geringsten Ver��nderung ist der Verkehrssektor, welcher bis heute gr����tenteils auf fossile Brennstoffe und Rohstoffe zur��ck greift. Elektromobilit��t und erneuerbare Kraftstoffe sind wichtige S��ulen f��r die Bew��ltigung der Energiewende. Synthetische Kraftstoffe besitzen dabei jegliche Vorteile fossiler Brennstoffe, zusammen mit der Eigenschaft der Klimaneutralit��t. Durch ihre hohe Energiedichte sind sie unverzichtbar in bestimmten Bereichen der Mobilit��t. Synthetische Kraftstoffe mit hoher volumetrischer Energiedichte k��nnen in chemischen Anlagen produziert werden. Um die Eignung modernster Reaktortechnik f��r den gro��fl��chigen Einsatz dynamisch ausgelegter, erneuerbarer Umwandlungsprozesse zu untersuchen, wird in dieser Arbeit ein Ansatz zur Intensivierung des katalytischen Prozesses beleuchtet. Konkret wird die Fischer-Tropsch-Reaktion in mikrostrukturierten Festbettreaktoren untersucht, die der modularen, dezentralen Sektorkopplung neue Ans��tze bieten. Prozessintensivierung ist ein Schl��ssel zu h��chster Effizienz, die sich als signifikant f��r die Prozess��konomie erweist. Eine Modularit��t des Reaktorsystems erm��glicht die Handhabung unterschiedlichster Anwendungen und Integration in unterschiedliche Leistungsstufen. Die dynamische chemische Synthese ist aufgrund der geringen Relevanz f��r industrielle Prozesse nur wenig untersucht. In etablierten Reaktionen wird bef��rchtet, dass schnell ��ndernde Prozessstr��me und Parameter unvorhersehbare Auswirkungen auf den eingesetzten Katalysator haben k��nnten. Vor dem Hintergrund eines zunehmenden Anteils schwankender Prim��renergie aus Windkraft- und Solaranlagen ist eine konstante Versorgung mit Feed nur mit lokalen Energiespeichern m��glich. F��r dezentrale Anlagennetzwerke k��nnten diese in Form von Batterien oder Gastanks realisiert werden. Speicher stellen allerdings einen beachtlichen Kostenfaktor dar. Somit wird eine intelligente und dynamische Prozesssteuerung dazu beitragen, Speicher, und damit Kosten, deutlich zu reduzieren. Mikrostrukturierte Reaktoren eignen sich aufgrund der geringen Abmessungen des Reaktionsraums und exzellenter W��rme��bertragungseigenschaften, hervorragend f��r schnelle Prozess��nderungen. Zwei unterschiedliche Systemgr����en f��r mikrostrukturierte Fischer-Tropsch-Festbettreaktoren wurden verglichen, um die Effektivit��t eines Reaktor-Scale-Ups von etwa 100 mL Fl��ssigprodukt pro Tag auf etwa 6 L zu bewerten. Der Fokus lag hierbei auf der Verwendung eines Cobalt-Katalysators f��r die Niedertemperatur-Fischer-Tropsch-Synthese. Das skalierte System hatte aufgrund des geringen Einflusses von W��rmeverlusten und der Nutzung von Verdampfungsk��hlung in den Mikrostrukturen deutlich effizientere M��glichkeiten, Systemparameter zu steuern. Beide Systeme wurden auf ihre Vielseitigkeit gegen��ber unterschiedlicher Prozessparametern getestet. Die durchgef��hrten Experimente umfassten biomassetypische Syntheseeigenschaften wie eine hohe Verd��nnung und ein niedriges Synthesegasverh��ltnis. Beide Reaktoren zeigten trotz der herausfordernden Rahmenbedingungen zufriedenstellende Ergebnisse und der jeweilige Einfluss verschiedener Prozessparameter konnte bewertet werden. Das skalierte System zeigte vielversprechende Eigenschaften f��r zuk��nige Anwendungen aufgrund gr����erer M��glichkeiten in der Prozesssteuerung. Aus diesem Grund wurde nur das skalierte System f��r die Untersuchungen dynamischer Prozessf��hrung verwendet. Die Totzeiten des Versuchsstandes mussten vor der Durchf��hrung periodischer ��nderungen ermittelt werden. Dynamische Feedgas- und Temperaturmanipulation wurde angewendet, wobei die oben erw��hnten Vorteile des Scale-Ups genutzt wurden. Schwankungen im Feedgas wurden durch eine drastische Variation des Synthesegasverh��ltnisses in 30 min und 8 min-Zyklen durchgef��hrt, ohne Nachteile oder Einbu��en in der Syntheseleistung festzustellen. Die Temperaturmanipulation wurde in 5-Minuten-Schritten getestet. Die Ergebnisse sprechen f��r die Eignung der Reaktortechnologie in dynamischen Anwendungen.Die Systemgrenzen wurden noch intensiver untersucht. Erkenntnisse zur h��chstm��glichen Lastflexibilit��t wurden durch die Verwendung eines Leistungsprofils f��r ein 10 kW Photovoltaikmodul und einem simulierten Elektrolyseur gewonnen. Errechnet wurde ein hochdynamischer Wasserstoffstrom: die im Laufe eines Tages gewonnene elektrische Energie wurde als instantan durch Wasser-Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt angenommen und entsprechend dem Tagesprofil der Syntheseeinheit zugef��hrt. Es wurden unterschiedliche Annahmen f��r die Kohlenstoffquelle getroffen, was zu zwei verschiedenen Hauptexperimenten f��hrte. Beide wurden entwickelt, um die Grenzen des Systems zu ermitteln. So wurden im einmin��tigen Bereich das Synthesegasverh��ltnis oder die Feedmenge variiert. In einem abschlie��enden Experiment wurde zus��tzlich eine manuelle Temperaturregelung hinzugef��gt, um den Kohlenstoffmonoxidumsatz trotz ��nderungen der Verweilzeit des Synthesegases oder das Synthesegasverh��ltnis zu steuern. Die Schlussfolgerung aus allen Experimenten war, dass der getesteten Zeitskala keine Limitierungen durch das System erkennbar waren. Technische Einschr��nkungen erlaubten es nicht, Zyklen auf unter eine Minute zu verk��rzen. Systemmodellierung kann den experimentellen Aufwand reduzieren und die Produkteigenschaften und -ausbeuten vorhersagen. Insbesondere bei volatilen Energiefl��ssen sollte die Simulationsumgebung so genau wie m��glich sein. In diesem Zusammenhang wurde in MATLAB ein Multiskalenmodell zur Beschreibung relevanter Prozesse in der vorhandenen Anlage entwickelt. Ein Untermodell zur Verweilzeitverteilung beschrieb das Str��mungs- und Mischverhalten f��r die gesamte Anlage, um die zeitabh��ngige Produktivit��t zu berechnen. Ein Programm zur Berechnung des Dampf-Fl��ssigkeit-Gleichgewichts bestimmte den Zustand der Produktfraktionen in den jeweiligen Kondensatoren. Ein Kinetikfit wurde entwickelt und f��r das bestehende System validiert. Zusammengenommen sind die drei Untermodelle in der Lage, zeitaufgel��ste Produkt- und Systemeigenschaften, basierend auf wenigen Eingangsparametern, vorherzusagen. Um einen Blick in den Reaktor als ���katalytische Blackbox��� zu werfen, helfen spektroskopische Methoden, um Ver��nderungen am Katalysator w��hrend der Reaktion zu untersuchen. Der Einsatz von Hochleistungskatalysatoren verbessert die intensivierten Prozesse in mikrostrukturierten Reaktoren noch weiter. Daher ist es wichtig, unterschiedlichste Vorg��nge auf der Katalysatoroberfl��che zu untersuchen und verstehen. W��hrend eines mehr als 300-st��ndigen Experiments in der CAT-ACT-Beamline am KIT-Synchrotron wurde das Einlaufverhalten des Katalysators durch in situ R��ntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und R��ntgendiffraktion (XRD) in einer neuartigen Reaktionszelle ausgewertet, die zu experimentellen Bedingungen f��hig ist, welche normalerweise in der Fischer-Tropsch-Synthese zu finden sind. Parallele Online-Produktmessungen erm��glichten ein operando-Setup. W��hrend der Reaktion konnte eine leichte Carbidisierung des aktiven Cobalts beobachtet werden. Die Wachsablagerung hatte einen determinierenden Einfluss auf den Verlust von Katalysatoraktivit��t im beobachteten Zeitraum. Nach der Einlaufphase f��hrte ein simulierter Wasserstoff-Dropout zur weiteren Bildung von Kobaltcarbiden und ungeordneten Graphiten auf der Katalysatoroberfl��che, aber nicht zu Oxidation. Eine ex situ ausgef��hrte temperaturprogrammierte Hydrierung (TPH) und Oxidierung (TPO) deutete auf die M��glichkeit eines Regenerationsverfahren hin, das sowohl Oxidation als auch Reduktion beinhaltet. Die Erkenntnisse aus den unterschiedlichen Kapiteln dieser Arbeit zeigen letztlich das Potenzial der Mikroverfahrenstechnik in Bezug auf dezentrale Anwendungen. Eine Vielzahl kleinerer Anlagen k��nnten zur Produktion nennenswerter Mengen erneuerbarer Krastoffe beitragen, solange eine geeignete Kohlenstoffquelle lokal verf��gbar ist. Dies kann sich positiv auf die Produktionsmenge und den Verbrauch fossiler Ressourcen auswirken und damit die Emissionen des Mobilit��tssektors senken.
Databáze: OpenAIRE
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