Katalytische Untersuchungen an Katalysatoren für die Methanolsynthese (PDF)

Inhaltsangabe:Einleitung:
Im Jahr 2008 wurden etwa 44 Megatonnen Methanol produziert mit steigender Tendenz, womit Methanol nach Ammoniak und Schwefelsäure die am dritthäufigste heterogen-katalytisch hergestellte Basischemikalie ist. Aus diesem Grund sind die Methanolsynthese und die dafür verwendeten Katalysatoren Gegenstand intensiver Forschung.
Die Produktion von Methanol erfolgt in der Regel durch Umsetzung von Synthesegas an Metallkatalysatoren. Der genaue Reaktionsmechanismus ist immer noch nicht abschliessend geklärt. Es besteht zwar mittlerweile Einigkeit darüber, dass Methanol in erster Linie nicht aus CO, sondern aus CO2 gebildet wird. Die zentralen Fragen wie das aktive Zentrum und die Synergien zwischen den Komponenten des Katalysatorsystems werden jedoch noch immer diskutiert. Angesichts dieser Lücken in der Kenntnis der katalytischen Wirkung und der grossen wirtschaftlichen Bedeutung der Methanolherstellung besitzen Forschungen in diesem Bereich ein erhebliches Potential für Verbesserungen.
Die Simulation der Methanolsynthese aus Synthesegas wird heutzutage in der Regel mit Hilfe makrokinetischer Modelle realisiert. Mikrokinetische Modelle der Methanolsynthese befinden sich dagegen zurzeit erst im Entwicklungsstadium. Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war es deshalb kinetische Daten zu gewinnen, basierend auf denen ein mikrokinetisches Modell der Methanolsynthese entwickelt werden kann. Hierfür wurden Messungen in einer Versuchsanlage für die Methanolsynthese durchgeführt.
Die untersuchten Katalysatoren waren ternäre Gemische aus den Oxiden von Kupfer, Zink und Aluminium. Das Kupferoxid wird mit Wasserstoff reduziert. Cu/ZnO/Al2O3-Katalysatoren stellen das am häufigsten in der industriellen Methanolproduktion eingesetzte Katalysatorsystem dar. Konsequenterweise erfolgten sämtliche Messungen mit Cu/ZnO/Al2O3-Katalysatoren.
In einem ersten Schritt wurde die für die Katalyse zur Verfügung stehende freie Kupferoberfläche der Katalysatoren mit Hilfe der Chemisorption von Lachgas bestimmt. In einem zweiten Schritt wurden Versuchsreihen zur Synthese von Methanol aus Synthesegas durchgeführt.
Im Rahmen der Messungen der Methanolsynthese sollte die Abhängigkeit der Reaktion von verschiedenen Prozessparametern untersucht werden. Die untersuchten Parameter waren die Reaktionstemperatur, der Druck sowie die massenbezogene Raumgeschwindigkeit des Synthesegases. Die zur Verfügung stehende Versuchsanlage erlaubte die Durchführung der [...]