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Prozesssimulation verschiedener Prozesskonfiguration von Fischer-Tropsch Synthese und Hydrocracken mittels Aspen®

Prozesssimulation verschiedener Prozesskonfiguration von Fischer-Tropsch Synthese und Hydrocracken mittels Aspen®
Stellenausschreibung: Links:
Stellenart:

Masterarbeit

Institut:

IMVT

Kontaktperson:

Kirsch, Hannah

Hintergrund und Motivation

Im Rahmen der Energiewende soll die globale Erderwärmung bis 2050 auf maximal 2 °C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau begrenzt werden. Der prozentuale Anteil des Verkehrssektors an der Emission von anthropogenen Treibhausgasen liegt bei fast 20 %. Die sogenannte Power-to-Fuel Technologie (P-to-X) kann dazu beitragen, die Umstellung des Verkehrssektors von fossilen Kraftstoffen auf CO2-neutrale Treibstoffe zu realisieren. Flüssige Kraftstoffe werden neben anderen Alternativen wie e-Mobilität und Wasserstoff auch in Zukunft eine wichtige Rolle im Verkehrssektor spielen, besonders für den Lastschwerverkehr sowie den Flugverkehr.

Die P-to-X Technologie wandelt erneuerbare Energie und Kohlenstoffdioxid in alternative flüssige Kraftstoffe um. Diese zeichnen sich durch eine hohe Reinheit sowie eine hohe volumetrische Energiedichte aus. Durch die Drop-in Qualität ist es möglich, schon vorhandene Infrastruktur zu nutzen. Eine attraktive Prozessroute zur Herstellung von alternativen flüssigen Kraftstoffen verläuft über die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) und Hydrocracken (HC). Das CO2 kann dabei auf verschiedene Wege aktiviert werden: 1) Wasserelektrolyse und reverse Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS), 2) Hochtemperatur-Co-Elektrolyse von Wasser und Kohlenstoffdioxid, sowie 3) direkte Synthese von flüssigen Kraftstoffen aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Dezentrale, kleine Anlagen mit intensivierter Prozessführung, zum Beispiel realisiert durch Mikroreaktionstechnik, ermöglichen einen dynamischen Betrieb, um den Herausforderungen durch stark fluktuierende und lokal verteilte erneuerbaren Energien gewachsen zu sein.

Die Integration der Kobalt-katalysierten Niedertemperatur-Fischer-Tropsch-Synthese und Hydrocracken steht im Fokus dieses Projektes. In einem einstufigen Prozess wird Synthesegas hauptsächlich zu flüssigen Kraftstoffen (Kohlenwasserstoffe im Bereich der Kettenlängen von C10-C20) umgesetzt, indem die langkettigen Kohlenwasserstoffe aus der Fischer-Tropsch-Synthese nochmals selektiv gecrackt werden. In einem am Institut für Mikroverfahrenstechnik vorhandenen Versuchsstand kann ein Mikrofestbettreaktor und zwei verschiedene mikrostrukturierte Reaktoren (siehe Abbildung 1) eingebaut werden, um verschiedenen Varianten der Prozessintegration abzubilden (siehe Abbildung 2).

Abbildung 1: Verschiedene Reaktoren für die Prozessintegration von Fischer-Tropsch Synthese und Hydrocracken (Mikrofestbettreaktor, mikrostrukturierter Reaktor I, mikrostrukturierter Reaktor II)

Abbildung 2: Verschiedene Varianten der Prozessintegration von FTS und HC auf Reaktorebene im Festbettreaktor (links) und im mikrostrukturierten Reaktor (rechts).

Prozesssimulation der verschiedenen denkbaren Konfigurationen von Fischer-Tropsch-Synthese und Hydrocracken sowie auch RWGS ermöglichen eine Vorhersage der Energieeffizienz und Investitionskosten der verschiedenen Prozesskonfigurationen.

 

Forschungsthemen und Aufgaben der Arbeit:

Ziel der Arbeit ist, verschiedene Prozesskonfigurationen von FTS und HC mittels Aspen® zu simulieren. Die Kohlenstoffdioxidaktivierung mittels RWGS soll mit eingebunden werden.

Aufgaben der Arbeit sind:

  • Literaturstudie über mögliche Prozesskonfigurationen von RWGS, FTS und HC;
  • Einarbeitung in Aspen®;
  • Simulation ausgewählter Prozesskonfigurationen in Aspen® und Bewertung des Systemwirkungsgrades sowie der Energieeffizienz.

 

Die Ergebnisse der Arbeit werden innerhalb eines Institutsseminars vorgetragen. Die schriftliche Arbeit darf 55 – 60 Seiten nicht überschreiten.

Basiskenntnisse der Chemie/ des Chemieingenieurwesens sind Voraussetzung. Freude am Simulieren sollte vorhanden sein.

Anfang der Arbeit: nach Absprache

Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. R. Dittmeyer

Betreuerin: M. Sc. H. Kirsch