Nachhaltige katalytische Prozesse

Diagnose nachhaltiger katalytischer Prozesse im optisch zugänglichen Reaktor

Hintergrund:
In den letzten Jahren haben heterogen-katalytische Prozesse, die nachhaltigere und energetisch effizientere Synthesewegen ermöglichen, wie das Oxidative Coupling of Methane (OCM) oder die Oxidative Dehydrierung (ODH) von grünem Ethanol zu Acetaldehyd, zunehmende Aufmerksamkeit erfahren. Diese Prozesse befinden sich noch im Forschungs-Stadium und werden nicht kommerziell eingesetzt, weshalb die technische Weiterentwicklung von Katalysatoren mit ausreichender Selektivität und hoher Prozessstabilität von großer Wichtigkeit ist. Um das allgemeine Verständnis über die komplexen Aktivitäts-Selektivitäts-Transport-Interaktionen und die Modelle numerischer Simulationen zu verbessern, werden experimentelle Daten benötigt, die auch die Gasphase und mögliche Reaktionen und Inhomogenitäten darin abbilden. Für die Diagnose dieser Gasphasenreaktionen eignet sich insbesondere die spontane Raman-Spektroskopie, die es erlaubt, den vollständigen thermo-chemischen Zustand (alle Hauptspezies-Konzentrationen und die lokale Temperatur) simultan, in-situ und nicht intrusiv zu messen. Allerdings beeinträchtigen Einflüsse von nahen heißen Oberflächen (Katalysator) sowie Lumineszenz die Signalqualität erheblich und erfordern neue Ansätze für die Messtechnik.

Ziel:
Unter Anwendung des optisch zugänglichen Katalysekanals wird im ersten Schritt die Oxidative Dehydration von grünem Ethanol zu Acetaldehyd und der sogenannte Formox-Prozess (Formaldehyd-Synthese aus Methanol) untersucht. Längerfristig liegt der Fokus ebenfalls auf der Untersuchung anderer Hochtemperaturprozesse.

Als Messprinzip soll die spontane Raman-Spektroskopie eingesetzt werden. Zur räumlichen Auflösung der Gaskonzentrationen in katalytischen Prozessen ist es jedoch notwendig ein neuartiges, speziell auf die Anforderungen in katalytischen Prozessen ausgerichtetes Spektrometer zu entwickeln und zu konstruieren. Im Detail gilt es, die das Messsignal störende, breitbandige Hintergrund-strahlung glühender Katalysatoroberflächen möglichst weit zu reduzieren.

Neben der Raman-Spektroskopie wird die homogene Strömung im Kanal mittels der Particle Image Velocimetry validiert. Mit Hilfe einer Wärmebildkamera kann die Oberfläche des Katalysator-Pellets während des Betriebs auf Temperatur Hotspots untersucht werden.

Prüfstand/Strömungskonfiguration:

Verantwortlich: Konrad Koschnick