Improvement of diffusive mass transport in hierachically structured Fischer-Tropsch catalysts
Mechanical Process Engineering
Fluid Mechanics
Final Report Abstract
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.
Publications
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