Simulation und experimentelle Untersuchung der direkten katalytischen Hydrierung von CO2 zu langkettigen Kohlenwasserstoffen

  • Stellenausschreibung:
  • Stellenart:

    Masterarbeit

  • Institut:

    IMVT

  • Eintrittstermin:

    ab 09/2021

  • Kontaktperson:

    Brübach, Lucas

Hintergrund und Motivation

Chemische Konvertierungsverfahren stellen einen entscheidenden Baustein der deutschen Energiewende dar. Sie ermöglichen die Speicherung von fluktuierend anfallendem Überschussstrom aus erneuerbaren Quellen in leicht handhabbaren Stoffen. Mithilfe der Fischer-Tropsch-Synthese können beispielsweise langkettige Kohlenwasserstoffe erzeugt werden, die einfach gelagert und als Treibstoffe oder Grundstoffe für die chemische Industrie genutzt werden können. Eine Verfahrensmöglichkeit hierfür ist ein zweistufiges Verfahren bei dem zuerst CO2 und H2 bei 700-100°C mit der endothermen reversen Wassergaskonvertierungsreaktion (RWGS) zu einem Synthesegas, einem Gemisch aus CO und H2, umgesetzt werden. Anschließend reagiert das Synthesegas an einem Cobalt-basierten Katalysator in einer stark exothermen Reaktion bei 200-250°C zu einem Kohlenwasserstoffgemisch.

Der skizzierte Prozess wurde in den letzten Jahren am IMVT bis zum Demonstrationsmaßstab entwickelt und wird nun von der INERATEC GmbH kommerzialisiert. Ein großes Problem stellt jedoch die sehr hohe Temperatur im ersten Syntheseschritt dar, die einen erheblichen Teil der Betriebskosten verursacht. In einem neuen Verfahren sollen deshalb beide Schritte in einem Reaktor kombiniert werden. Die exotherme Fischer-Tropsch-Synthese soll dabei die Wärme für die endotherme RWGS bereitstellen.

Eisenbasierte Katalysatoren sind für die direkte Hydrierung von CO2 zu langkettigen Kohlenwasserstoffen besonders interessant, da sie sowohl die reverse Wassergaskonvertierungsreaktion, als auch die Fischer-Tropsch-Synthese katalysieren. In der Literatur lassen sich bereits einige Studien zum Einsatz von promotierten, geträgerten Katalysatoren finden, die eine ausreichende Stabilität, Selektivität und Aktivität für die Reaktion zeigen. Im Projekt PowerFuel soll nun von der Ingenieurperspektive betrachtet werden, ob über den direkten Reaktionspfad ein effizienter Prozess realisiert werden kann.

Bei der Verwendung von eisenbasierten Katalysatoren besteht die Problematik, dass die Reaktion durch das gebildete Wasser stark inhibiert wird. Dieses muss deshalb während der Reaktion kontinuierlich entfernt werden, um einen hohen Eduktumsatz bei vertretbaren Verweilzeiten zu erreichen. Eine Möglichkeit hierfür bietet die Durchführung der Reaktion in einem Kreislaufreaktor bei dem das flüssige Produkt und Wasser kontinuierlich entfernt werden, s. Abbildung 1.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des vorgeschlagenen Kreislaufreaktorkonzepts.

 

Aufgabenstellung

In Vorgängerarbeiten wurden im Labormaßstab (bis zu 2g Katalysator) detaillierte Untersuchungen zur Kinetik und Selektivität der Reaktion unter präzise kontrollierten Bedingungen durchgeführt. In dieser Arbeit sollen nun die bisherigen Ergebnisse auf den Technikumsmaßstab (bis zu 60g Katalysator) übertragen werden.  Hierbei spielt der Einfluss der Eduktrezyklierung mit einem Kreislaufkompressor eine herausragende Rolle, die detailliert untersucht und mit Vorhersagen aus einem Kinetikmodell verglichen werden soll. Zusätzlich soll die Langzeitstabilität des Katalysators untersucht und eine Regenerierungsprozedur getestet werden. Die Daten und Erfahrungen aus den Experimenten sollen für eine konzeptionelle Auslegung eines industriellen Reaktors basierend auf einem 2D-Reaktormodell genutzt werden.

     
Abbildung 2: Beispielhafte Produktverteilung bei der direkten Hydrierung von CO2 zu langkettigen Kohlenwasserstoffen an einem geträgerten Eisenkatalysator.   Abbildung 3: Technikumsanlage mit Kreislaufkompressor für die direkte Hydrierung von CO2 zu langkettigen Kohlenwasserstoffen am IMVT, KIT.    

 

Voraussetzungen:

  • Studium des Chemieingenieurwesens / der Verfahrenstechnik
  • Spaß am theoretischen und experimentellen Arbeiten
  • Interesse an chemischer Verfahrenstechnik, Thermodynamik und Programmieren; entsprechende Vertiefung ist von Vorteil
  • Grundkenntnisse im Programmieren werden vorausgesetzt (MATLAB© von Vorteil, prinzipiell jede objektorientierte Programmiersprache)

 

Beginn der Arbeit: ab 09/2021
Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. P. Pfeifer
Betreuer: M. Sc. L. Brübach

 

Interesse?

Kontakt: Lucas Brübach
Tel: +49 721 608 - 24094
E-Mail: lucas bruebachZqk8∂kit edu