Bestimmung der instationären Reaktionskinetik für die Methanisierung von CO2 an Ruthenium-Katalysatoren durch periodische Experimente

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Güttel
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525949581

Die Integration regenerativer Energien in die chemische Wertschöpfungskette erfordert die Gestaltung chemischer Reaktoren, die flexibel auf zeitliche Schwankungen in der Verfügbarkeit, Qualität und Zusammensetzung der Rohstoffe reagieren können. Dabei soll einerseits eine gleichbleibende Produktqualität erreicht werden und andererseits ein sicherer Betrieb auch unter hochdynamischen Bedingungen gewährleistet sein. Besonders relevant sind chemische Prozesse, die an festen Katalysatoren stattfinden, da sie bzgl. Wertschöpfung den weitaus größten Teil in der chemischen Industrie ausmachen. Essentiell für die Gestaltung und Dimensionierung chemischer Reaktoren ist die Reaktionskinetik, die in geeignete mathematische Reaktormodelle implementiert wird und die katalytischen Prozesse an der Feststoffoberfläche abbildet. Die Reaktormodelle dienen nun zur Simulation und Optimierung der Reaktoren im Hinblick auf das Lastverhalten, die Produktausbeute und andere Aspekte. Bei einer hochdynamischen Betriebsführung sind Kinetiken erforderlich, die auch das transiente Verhalten der Katalysatoren adäquat abbilden. Allerdings sind solche transienten Reaktionskinetiken in den meisten Fällen nicht oder nur im Ansatz bekannt, da bislang oft stationäre Experimente zur Gewinnung kinetischer Informationen durchgeführt werden. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, transiente kinetische Informationen anhand hochdynamischer periodischer Experimente und mittels modellgestützter Auswertung experimenteller Daten zu gewinnen. Als Beispielreaktion mit praktischer Relevanz dient die Hydrierung von CO2 zu Methan an Ruthenium-basierten Katalysatoren unter technisch relevanten Bedingungen. Es soll demonstriert werden, dass die periodische Sprungantwort eines chemischen Reaktors die entsprechenden kinetischen Informationen enthält und diese auf Grundlage eines dynamischen Reaktormodells aus den experimentellen Ergebnissen ermittelt werden können. Insbesondere soll der Grenzzyklus untersucht werden, der sich bei der periodischen Betriebsführung einstellt. Der Fokus liegt auf der Entwicklung einer Methodik zur Bestimmung der transienten Kinetik aus periodischen Sprungantworten, die eine adäquate experimentelle Vorgehensweise und eine Strategie zur modellgestützten Auswertung umfasst. Dafür wird eine anwendungsrelevante Beispielreaktion aus der Klasse der heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen gewählt, die eine hinreichende Komplexität bzgl. der beteiligten Elementarreaktionen bietet, um verallgemeinerbare Aussagen zu treffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen