Reaktionsmechanismen der partiellen Oxidation und autothermen Reformierung von höheren Aliphaten

• Applicant: Professor Dr. Olaf Deutschmann
• Subject Area: Technical Chemistry ; Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
• Term: from 2006 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 20375365

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Die Bedeutung von kompakten und energiesparenden Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bzw. Synthesegas (CO, H2) aus flüssigen Brennstoffen wie Benzin, Kerosin, Diesel und Ethanol nimmt derzeit rasant zu. Begründet ist dies durch deren Bedarf in Brennstoffzellen, als Kraftstoffzusätze und zur Abgasreinigung. Höhere Aliphate, Hauptbestandteile von Diesel und Benzin, lassen sich effizient durch katalytische Partialoxidation (CPOX) über Edelmetallen wie Rhodium reformieren als auch in chemische Grundstoffe umwandeln. Aufgrund der komplexen Wechselwirkung zwischen homogenen und heterogenen Reaktionen sowie den Transportvorgängen können viele experimentelle Befunde nur mit auf dem molekularen Geschehen aufbauenden Modellen verstanden werden. Wir haben in diesem Projekt die partielle Oxidation von Ethanol und höheren Aliphaten, die als Modellkraftstoff dienen können sowie realen logistischen Kraftsoffen (Benzin, Diesel, Ethanol/Benzin E5-E85), in mit Rhodium beschichteten Wabenstrukturen experimentell untersucht sowie detailliert modelliert und numerisch simuliert. Die Modellierung basiert dabei auf elementaren Reaktionsmechanismen in der Gasphase und auf der Oberfläche und deren Kopplung mit Stoff- und Wärmetransportprozessen. Es wurde eine Laboranlage mit Aufbereitung von flüssigen Kraftstoffen, katalytischem Reaktor und Analytik (FTIR, MS, GC) aufgebaut und zur Untersuchungen der CPOX obiger Kraftstoffe unter variierenden Betriebsbedingungen eingesetzt. Neben der Bestimmung von Umsätzen und Selektivitäten wurden folgende Gesichtspunkte berücksichtigt: Einfluss der chemischen Struktur des Kraftstoffes auf die Ausbeuten und das Verkokungsverhalten, Reaktionen in der Gasphase und im Nachgang des Reaktors, Abgasrückführung, Einfluss von Verweilzeit und Wärmetransport. Durch Kombination der experimentellen Untersuchungen und auf dem molekularen Geschehen basierender Modellierung ist es gelungen, wesentliche neue Einblicke in die katalytische Partialoxidation von höheren Aliphaten, Ethanol und logistischen Kraftstoffen über Rh-beschichteten monolithischen Reaktoren zu gewinnen, um so die Optimierung von Design und Betriebsbedingungen kompakter autothermer Kraftstoffreformer zu unterstützen.

Publications

• Hochtemperaturkatalyse: Effizientes Verfahren zur chemischen Umwandlung logistischer Kraftstoffe . Chemie Ingenieur Technik 83 (2011) 1954-1963
  O. Deutschmann
  
• Hydrogen production by catalytic partial oxidation of iso-octane at varying flow rate and fuel/oxygen ratio: From detailed kinetics to reactor behavior. Appl. Catalysis A: General 391 (2011) 144-152
  M. Hartmann, L. Maier, O. Deutschmann
  
• Influence of gas-phase reactions on catalytic reforming of isooctane. Proceedings of the Combustion Institute 33 (2011) 3177-3183
  T. Kaltschmitt, L. Maier, C. Hauck, O. Deutschmann
  
• Interaction of heterogeneous and homogeneous kinetics with mass and heat transfer in catalytic reforming of logistic fuels. Combustion and Flame 158 (2011) 796-808
  L. Maier, M. Hartmann, S. Tischer, O. Deutschmann
  
• Catalytic partial oxidation of isooctane to hydrogen on rhodium catalysts: effect of tail-gas recycling. Industrial & Engineering Chemistry Research 51 (2012) 7536-7546
  T. Kaltschmitt, C. Diehm, O. Deutschmann
  
• Fuel Processing for Fuel Cells. In Kai Sundmacher (ed.), Fuel Cell Engineering. Advances in Chemical Engineering, Vol. 41, Burlington: Academic Press, 2012, pp. 1-64
  T. Kaltschmitt, O. Deutschmann
  
• Hydrogen production by partial oxidation of ethanol/gasoline blends over Rh/Al2O3, Catalysis Today197 (2012) 90-100
  C. Diehm, T. Kaltschmitt, O. Deutschmann