Verbesserung des diffusiven Stofftransports in hierarchisch aufgebauten Fischer-Tropsch-Katalysatoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gunther Brenner; Professor Dr.-Ing. Thomas Turek; Professor Dr. Alfred Weber
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 206052266

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im von drei Arbeitsgruppen der TU Clausthal (AG Weber, AG Turek und AG Brenner) durchgeführten Projekt erfolgte eine systematische Aufklärung des Einflusses der Porenstruktur und der Diffusionswege auf die Katalysatoraktivität und die Produktselektivität bei der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS). Hierzu wurde eine Einschrittmethode auf Basis eines Sprühtrocknungsprozesses zur Herstellung definierter sphärischer Building Blocks (BB) aus auf SiO2 geträgerten Cobalt-Katalysatoren entwickelt, mit der sich Porengröße, Katalysator-Partikelgröße und Katalysatorbeladung der BB unabhängig voneinander einstellen lassen. Die anschließende Herstellung von Katalysatorschichten auf Basis der BB mittels Filtration und Niederdruckimpaktion war auf Grund des Herstellprozesses in der Schichtdicke limitiert. Daher wurde ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Katalysatorschichten durch Versprühen von BB mit Binder, Pressen, Einfügen von orientierten Transportporen und anschließendes Kalzinieren entwickelt. Hiermit konnten definierte Katalysatorschichten unterschiedlicher Dicke hergestellt und in der FTS eingesetzt werden. In vorbereitenden Simulationen mit 1D und 3D Reaktions-Diffusionsmodellen von Katalystorausschnitten wurde ein positiver Einfluss von Transportporen – selbst für große Porendurchmesser – vorhergesagt, der anschließend in der FTS experimentell bestätigt werden konnte. Für einen möglichst großen Zugewinn der massen- bzw. flächenbezogenen Produktausbeute sind orientierte Transportporen entscheidend, wobei jeweils eine optimale Transportporenporosität für gegebene Porengröße und Katalysatorschichtdicke gewählt werden muss. Sowohl BB als auch daraus hergestellte Katalysatorschichten konnten durch simulierte Zufallspackungen mit definierter Poren- und der Partikelgrößenverteilung rekonstruiert und zur Berechnung der effektiven Transportgrößen werden. Mittels der Lattice- Boltzmann Methode wurde der konvektive Transport in der Mikrostruktur von repräsentativen Volumenelementen der Katalysatorschichten bestimmt. Anschließend wurde mit einem Random Walk Ansatz die Tortuosität, Dispersion und effektive Diffusionskoeffizienten bestimmt. Hierbei wurde auch die diffusive Behinderung durch physikalische Adsorption berücksichtigt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Numerische Berechnung von Transport und Reaktionen in einem Fischer-Tropsch-Mikroreaktor mittels der Lattice- Boltzmann-Methode, Chemie Ingenieur Technik, 85 (2013), 1375
  E. Monaco, G. Brenner
  
• Study of temperature-programmed calcination of cobalt-based catalysts under NO-containing atmosphere, Catalysis Today, 215 (2013), 8 - 12
  H. Becker, R. Güttel, T. Turek
  
• Aerosol synthesis of nanoporous silica particles with controlled pore size distribution, Journal of Aerosol Science, 76 (2014), 1 - 12
  L. Zeng, A.P. Weber
  
• Numerical simulation of the collision of two microdroplets with a pseudopotential multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model, Microfluid Nanofluid, 16 (2014), 329 - 349
  E. Monaco, G. Brenner
  
• Optimization of Catalysts for Fischer-Tropsch Synthesis by Introduction of Transport Pores, Chemie Ingenieur Technik, 86 (2014), 544 - 549
  H. Becker, R. Güttel, T. Turek
  
• Synthesis of porous nanoparticle layers on arbitrary substrates by means of low pressure impaction, Chemie Ingenieur Technik, 86 (2014), 238 - 244
  L. Zeng, A.P. Weber
  
• Synthesis of silica catalyst support particles with tunable pore size via spray drying and calcination, Chemie Ingenieur Technik, 86 (2014), 328 - 334
  L. Zeng, A.P. Weber
  
• Experimental evaluation of catalyst layers with bimodal pore structure for Fischer–Tropsch synthesis, Catalysis Today, 275 (2015), 155 - 163
  H. Becker, R. Güttel, T. Turek
  
• Building concept inspired by raspberries: From microporous zeolite nanocrystals to hierarchically porous assemblies, Microporous and Mesoporous Materials, 229 (2016), 155 - 165
  M. Klumpp, L. Zeng, S.A. Al-Thabaiti, A.P. Weber, W. Schwieger
  
• Enhancing internal mass transport in Fischer– Tropsch catalyst layers utilizing transport pores, Catalysis Science and Technology, 6 (2016), 275 - 287
  H. Becker, R. Güttel, T. Turek
  
• Numerische Untersuchungen der hydrodynamischen Dispersion in Kugelschüttungen aus porösen Mikropartikeln, Chemie Ingenieur Technik, 88 (2016), 298 – 306
  E. Barthelmie, S. Sdrenka, Y. Ma, G. Brenner
  
• 3D Modeling of a Catalyst Layer with Transport Pores for Fischer-Tropsch Synthesis, Chemie Ingenieur Technik, 89 (2017), 1385 - 1390
  A. Bufe, M. Klee, G. Wehinger, T. Turek, G. Brenner
  
• Aerosol-Synthese von porösen Katalysatorpartikeln mit einstellbaren Porengrößen und Katalysatordurchmessern, Chemie Ingenieur Technik, 89 (2017), 1739 – 1751
  J. Röhrbein, A. Martínez Arias, A.P. Weber