Akkumulation flüssiger Kohlenwasserstoffe in der Fischer-Tropsch-Festbettsynthese und alternierende Entleerung und Füllung der Poren zur Verfahrensoptimierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Jess
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318313257

Die Hauptreaktion der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) ist die Umsetzung von CO mit H2 an Fe- und Co-Katalysatoren in höhere Kohlenwasserstoffe (KWSTe); dabei entstehen v. a. Paraffine. Bei der Tieftemperatur-FTS (< 250 °C) wird meist unterstellt, dass sich die Katalysatorporen in der Anfangsphase der Synthese innerhalb weniger Tage vollständig mit flüssigen höheren KWSTen (Wachsen) füllen. Dies führt - unerwünscht, aber bei längerem Betrieb unvermeidbar - durch Porendiffusionshemmungen zu einer verminderten effektiven Reaktionsrate und einer unerwünscht hohen Selektivität zu Methan. Dieser Effekt tritt bei Partikeln mit Durchmessern im mm-Bereich auf, die zur Begrenzung des Druckverlustes in industriellen Festbettreaktoren eingesetzt werden. Zu Beginn des im Herbst 2020 endenden DFG-Projekts war unklar, wie lange der Füllvorgang dauert, ob die Poren vollständig gefüllt werden und welche Vorgänge die Füllrate bestimmen. Diese Fragen konnten im Projekt durch Experimente mit Einzelpartikeln in einer Magnetschwebewaage und Simulationsrechnungen beantwortet werden. Dabei zeigte sich, dass die Poren - je nach Druck, H2/CO-Verhältnis, Temperatur und Gehalt des Aktivmetalls (hier Co) nur langsam gefüllt werden, und es viele Monate dauern kann, bis die Poren vollständig mit Wachsen gefüllt sind. Dies gilt vor allem dann, wenn die Wachstumswahrscheinlichkeit hoch ist (> 0,9).Im geplanten Folgeprojekt sollen diese Ergebnisse jetzt auf die Verhältnisse in einem Festbettreaktor übertragen und mit einer neuartigen, vielversprechenden (instationären) Betriebsweise eines FTS-Reaktors verknüpft werden. Dabei sollen experimentell und theoretisch (Modellierung) zwei Fragestellungen der Festbettsynthese untersucht bzw. beantwortet werden:1) Welche lokalen (axialen) Unterschiede treten in einem Festbettreaktor in der Anfangsphase der FTS bezüglich der Porenfüllung (bedingt durch axiale Unterschiede in der Zusammensetzung der Gasphase) auf, und wie wirkt sich dies auf die effektive Katalysatoraktivität sowie die Produktverteilung aus? 2) Führt ein zwischen Porenfüllung und Porenentleerung (Hydrogenolyse bei Abwesenheit von CO im Einsatzgas) periodisch wechselnder Reaktorbetrieb zu einer höheren effektiven Aktivität und einem anderen Produktspektrum?Folgende Untersuchungen sind geplant: In einem Festbettreaktor sollen unter Umsatzvariation (bis 40 %) die Kobalt-Katalysatorpartikel ganz bzw. teilweise gefüllt werden. Nach Abbruch der FTS werden an verschiedenen axialen Positionen Partikel entnommen und analysiert (Füllgrad, Zusammensetzung der Flüssigkeit in den Poren). Durch Hydrogenolyseversuche werden die Bedingungen einer möglichst raschen Entleerung der Partikel bestimmt. In einer Magnetschwebewaage mit zwangsdurchströmtem Festbett soll die Rate der Füllung mit flüssigen KWSTen auch direkt ermittelt werden. Abschließend sollen die KWST-Akkumulation im FT-Festbettreaktor und auch der alternierende Betrieb (Teilfüllung und Entleerung der Poren) modelliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen