Technische Methanolsynthese im Versuchsstand: Heterogene Katalyse bei der Herstellung von Methanol (eBook)

Karsten Müller begann 2004 ein Studium des Chemieingenieurwesens an der Technischen Universität München. Bereits während eines Auslandssemesters an der Universität von Kapstadt beschäftigte er sich eingehend mit heterogenen Katalysatoren. Im Rahmen seiner Diplomarbeit vertiefte er sich weiter in diese Thematik und wandte sich nun der Katalyse bei der Herstellung von Methanol aus Kohlenstoffdioxid zu. Nach dem erfolgreichen Abschluss des Studiums wechselte er an die Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, wo er sich im Rahmen einer Promotion weiter mit der Nutzung von Kohlenstoffdioxid beschäftigte.

Technische Methanolsynthese im Versuchsstand Heterogene Katalyse bei der Herstellung von Methanol 1
Danksagung 3
Abstract 4
Abkürzungsverzeichnis 5
Inhaltsverzeichnis 7
1 Einleitung und Zielsetzung 9
2 Theoretischer Hintergrund 13
2.1 Methanol 13
2.2 Katalysatoren für die Methanolsynthese 13
2.3 Katalysatorsynthese 15
2.4 Reaktionsmechanismus 17
2.5 Bestimmung der Kupferoberfläche 18
2.6 Physikalisch-chemische Grenzen der Methanolbildung 21
3 Experimentelle Grundlagen 23
3.1 Versuchsaufbau 23
3.2 Vorbehandlung des Katalysators 24
3.2.1 Einwaage und Einbau in Anlage 24
3.2.2 Reduzierung des Katalysators 25
3.3 Methanolsynthese 26
3.4 Quadrupol-Massenspektrometer 27
4 Ergebnisse und Diskussion 29
4.1. Verfahrenstechnische Charakteristika der Anlage 29
4.1.1 Durchmischung im Gasmischer 29
4.1.2 Verweilzeitverhalten 32
4.1.3 Grenzen der Temperaturregelung 34
4.2 Katalytisch aktive Kupferoberfläche 36
4.3 Gleichgewicht 38
4.4 Methanolsynthese in Abhängigkeit von der Temperatur 40
4.5 Methanolsynthese in Abhängigkeit vom Druck 41
4.6 Weitere Komponenten des Reaktionsgemisches 42
4.6.1 Kohlenoxide 42
4.6.2 Wasser 44
4.6.3 Inertgase 46
4.7 Einfluss der Wassergas-Shift Reaktion 46
4.8 Einfluss von Bedingungen der Katalysatorsynthese 48
5 Zusammenfassung und Ausblick 53
6 Anhang 57
6.1 Verwendete Gase 57
6.2 Gemessene Kupferoberflächen 58
6.3 Messprotokolle der Synthesen 60
Abbildungsverzeichnis 65
Tabellenverzeichnis 66
Literaturverzeichnis 67

Textprobe: Kapitel 3.3, Methanolsynthese: Vor der Synthese wurde der Reaktor für 10 min mit Helium gespült. Für die Methanolsynthese wurde fertiges Synthesegas oder im Gasmischer aus verschiedenen Reinstgasen hergestelltes Synthesegas verwendet. Es wurden verschiedene Synthesegasvolumenströme gewählt. Für kinetische Untersuchungen wurden Volumenstrom zwischen 22 Nml/min und 78 Nml/min eingestellt. Bei Untersuchungen am thermodynamischen Gleichgewicht wurde der Volumenstrom auf 8 Nml/min gesenkt, um eine Einstellung des Gleichgewichts zu ermöglichen. Die Temperatur wurde mit einer Heizrate von 1 K/min auf die gewünschte Temperatur erhöht. Da das Synthesegas selbst bereits eine hohe Wasserstoffkonzentration aufweist und die Synthese bei Temperaturen größer 200 °C durchgeführt wird, ist eine gesonderte Reduzierung des Katalysators vor der Synthese nicht zwingend erforderlich. Dennoch wurden vor einigen Syntheseschritten gesonderte Reduzierungen vorgenommen, um mit steigender Temperatur die Einflüsse von Temperatur und Reduzierung der Oberfläche getrennt beobachten zu können. Quadrupol-Massenspektrometer: Die Analyse des Produktgasstroms erfolgt mit Hilfe eines Quadrupol-Massenspektrometers der Firma Pfeiffer Vakuum. Die Erzeugung der Ionen erfolgt durch Elektronenstoß-Ionisation. Die Trennung der Ionen nach ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis erfolgt durch einen Quadrupol. Dieser besteht aus vier zylindrischen Metallstäben, welche paarweise als Elektroden dienen. An die Paare ist eine Gleichspannung angelegt, so dass je zwei positiv und zwei negativ geladen sind. Diese Gleichspannung wird durch eine Wechselspannung überlagert. Im Inneren der Stäbe ergibt sich damit nur für ein einziges, von der Wechselspannung abhängiges Masse/Ladungsverhältnis eine stabile, oszillierende Flugbahn. Alle anderen Ionen werden durch Kollision mit den Stäben neutralisiert. Die aufgetrennten Ionen werden durch einen Sekundärelektronenvervielfältiger detektiert. Darin treffen die Ionen auf eine Dynode und schlagen dort Elektronen heraus. Diese Elektronen werden zur nächsten Dynode beschleunigt und schlagen dort weitere Elektronen heraus. Dieser Vorgang wird wiederholt und dadurch eine Signalverstärkung erreicht. Quadrupol-Massenspektrometer eignen sich besonders für leichte Ionen mit Massen kleiner 300 amu. Da die schwersten, zu analysierenden Bestandteile eine Masse von lediglich 44 amu (CO2 und N2O) besitzen, lässt sich das Quadrupol-Massenspektrometer gut für die Untersuchung der Methanolsynthese einsetzen. Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Geschwindigkeit der Analyse, wodurch es sich besonders für dynamische Messungen anbietet. Das Massenspektrometer muss für jedes zu analysierende Gas kalibriert werden, um quantitative Messungen durchführen zu können. Hierfür werden die jeweiligen Gase, verdünnt in Helium, analysiert und auf diese Weise durch die Software die Kalibrierungsfaktoren bestimmt. Da außer für Wasserstoff, Lachgas und Methanol keine fertigen binären Gemische mit Helium zur Verfügung standen, mussten mit Hilfe des Gasmischers Gemische aus den Reinstgasen erzeugt werden. In vorgemischtem Synthesegas befinden sich sowohl Kohlenstoffmonoxid als auch Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffmonoxid entsteht bei der Elektronenstoßionisation im Massenspektrometer als Fragment von Kohlenstoffdioxid. Eine eindeutige Zuordnung der Masse 28 amu zu originärem Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxidfragmenten ist damit nicht möglich. Daher eignet sich Synthesegas nicht für die Kalibrierung, da hierin die einzelnen Komponenten nicht eindeutig einem Gas zugeordnet werden können.