Partial Oxidation of Jet Fuels over Rh/Al2O3: Design and Reaction Kinetics of Sulfur-containing Surrogates
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Beschreibung
Die Umsetzung von logistischen Kraftstoffen mit der katalytischen Partialoxidation an Rh/Al2O3 mit kurzen Verweilzeiten ist eine effiziente Methode zur Synthesegasherstellung.
Abhängig von den Betriebsbedingungen, vom Kraftstoff und vom Katalysator können hierbei hohe Synthesegasausbeuten, niedrige Nebenproduktbildung und maximale Kraftstoffumsetzung erzielt werden. Die katalytische Partialoxidation ist unter anderem im Bereich der mobilen Wasserstofferzeugung interessant, beispielsweise an Bord von Flugzeugen, um den Kraftstoffverbrauch für die Stromerzeugung mittels so genannter, auf Brennstoffzellen basierender „auxiliary power units“ zu senken. Flugkraftstoffe beinhalten hunderte verschiedene Kohlenwasserstoffe und auch einen beträchtlichen Anteil an Schwefelkomponenten. Die Zusammensetzung bzgl. der Kohlenwasserstoffe sowie der Schwefelanteil variieren in Abhängigkeit vom Hersteller, sowie Herkunft und Raffination des entsprechenden Rohöls. Bisher ist wenig bezüglich des Einflusses der Kraftstoffkomponenten auf die Produktgasausbeuten und die Langzeitstabilität des Katalysators bekannt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss drei verschiedener Stoffklassen eines Flugkraftstoffs (Aromaten, Alkane und Schwefelkohlenwasserstoffe) auf die Synthesegasselektivität, die Katalysatordeaktivierung sowie die Reaktionsabfolge untersucht. Als repräsentative Komponenten der Stoffklassen der Alkane und Aromaten wurden n-Dodecan bzw. 1,2,4-Trimethylbenzol ausgewählt und in Rahmen von ex-situ und in-situ Experimenten der katalytischen Partialoxidation unterzogen. Zudem wurde für ein Mischungsverhältnis dieser beiden Stoffe Benzothiophen bzw. Dibenzothiophen als repräsentative Schwefelkomponente in drei verschiedenen Konzentrationen beigemischt. Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Untersuchungen zur katalytischen Partialoxidation von Flugkraftstoffen und derer Surrogate wurden verwendet, um Anforderungen für Flugkraftstoffe zur optimalen Systemeffizienz in mobilen, auf CPOX basierenden Anwendungen zu formulieren.
Es konnte eine Abhängigkeit der Surrogatzusammensetzung auf die Synthesegasselektivität festgestellt werden. Mit steigendem Paraffingehalt erhöhte sich die Tendenz zur Synthesegasbildung. Im Gegensatz dazu resultierte aus einem steigenden Aromatengehalt eine erhöhte Bildung von Nebenprodukten. Der Einfluss des Schwefels auf das Reaktionsnetzwerk zeigte sich in einer Verschiebung der Produktverteilung. Hierbei konnte eine erhöhte Selektivität von Wasser und eine gleichzeitige geringe Selektivität von Wasserstoff festgestellt werden. Die Produktverteilung für Kohlenstoffverbindungen wurde nicht vom Schwefelzusatz im Kraftstoff beeinflusst. Dahingegen führte Schwefel zu einer Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit für Steamreforming. Alle auf den ex-situ Untersuchungen konnte durch die in dieser Arbeit durchgeführten in-situ Studien bestätigt werden. Das Reaktionsnetzwerk der katalytischen Partialoxidation der in den Surrogaten eingesetzten Reinsubstanzen sowie der Surrogate ist vielschichtiger im Vergleich zu Methan.
Hierbei spielen vor allem die Spaltungsreaktionen der Kohlenwasserstoffe und deren kleiner Diffusionsgeschwindigkeit bei der Entstehung von drei verschiedenen Reaktionszonen und bei dem durch Massentransport limitierten Sauerstoffverbrauch eine Rolle. Die Deaktivierung des Katalysators, welche durch Schwefelzusatz hervorgerufen wurde, geschieht mit hoher Wahrscheinlichkeit in Abwesenheit von Sauerstoff, was zur Verschiebung des Wasser/Wasserstoff-Verhältnisses und zur geringeren Geschwindigkeit der Wasserdampfreformierung führt.
Autor*in
Nicolaas Bär
Themen in »Partial Oxidation of Jet Fuels over Rh/Al2O3: Design and Reaction Kinetics of Sulfur-containing Surrogates«
CPOX Jet Fuels Partial Oxidation